BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
***

LÊ TRỌNG NHÂN

ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON SA THẢI PHỤ TẢI
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đồng Nai, tháng 06 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
***

LÊ TRỌNG NHÂN

ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON SA THẢI PHỤ TẢI
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH

Đồng Nai, tháng 06 năm 2018

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Quyền Huy Ánh,
người đã tạo mọi điều kiện, động viên và hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.
Bên cạnh đó, tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến NCS Lê Trọng Nghĩa, người đã hỗ
trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Cảm ơn cơ quan, bạn bè, đồng nghiệp, và trên tất cả, tôi muốn gửi lời cảm ơn
đến tất cả các thành viên trong gia đình của tôi, đã cùng chia sẻ, động viên và tạo
mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô đã truyền đạt cho tôi nhiều kinh nghiệm
và kiến thức quý báu trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin cảm ơn PGS.TS
Quyền Huy Ánh, NCS Lê Trọng Nghĩa đã hướng dẫn và hỗ trợ tôi hoàn thành luận
văn.

Biên Hòa, ngày

tháng

Tác giả luận văn

Lê Trọng Nhân

năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần
tài liệu tham khảo.
Biên Hòa, ngày

tháng

Tác giả luận văn

Lê Trọng Nhân

năm 2018


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Các hệ thống điều khiển hệ thống điện hiện đại có nhiệm vụ đảm bảo chất
lượng điện năng tức là giữ tần số hệ thống và điện áp trong phạm vi cho phép. Để
thực hiện việc này, bộ điều tốc máy phát sẽ điều khiển để tăng công suất lên để
phục hồi tần số và bộ ổn định điện áp sẽ điều khiển để giữ điện áp thanh góp máy
phát khi cần thiết. Tuy nhiên, yêu cầu đảm bảo chất lượng điện năng trong vận hành
sẽ rất khó khăn khi hệ thống điện có các sự cố về nguồn. Do vậy, các chương trình
sa thải phụ tải đã được sử dụng như một cách hiệu quả chống lại những bất ổn tần
số.
Sa thải phụ tải trong một hệ thống điện là một quá trình phức tạp và nhanh.
Các sự cố trong quá trình vận hành là không thể đoán trước và thời gian cần thiết để
thực hiện sa thải phụ tải phải rất ngắn. Nếu việc sa thải được thực hiện nhanh, nó sẽ
ngăn cản hệ thống đi bị mất điện hoàn toàn do rã lưới liên kết. Ngày nay kỹ thuật sa
thải phụ tải tần số thấp (UFLS) thông thường thì không thích hợp cho các hệ thống
điện lớn và phức tạp.
Các kỹ thuật tính toán sa thải phụ tải thông minh hầu hết tập trung vào việc
nghiên cứu thời điểm sa thải phụ tải và số lượng phụ tải sa thải. Các nghiên cứu cho

khía cạnh vị trí sa thải phụ tải thì rất hạn chế. Luận văn này trình bày phương pháp
sa thải phụ tải theo khoảng cách điện áp trên cơ sở ứng dụng mạng nơron.
Hiệu quả của chương trình sa thải phụ tải đề xuất so với phương pháp sa thải
phụ tải thông thường và phương pháp sa thải phụ tải theo thuật toán AHP về giảm
lượng sa thải phụ tải, giảm thời gian phục hồi tần số, giảm thời gian và tăng giá trị
phục hồi điện áp được kiểm chứng trên cơ sở phân tích kết quả mô phỏng với hệ
thống điện IEEE 39 thanh góp 10 máy phát.


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ......................................................................................... iii
MỤC LỤC ............................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................................... vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................... viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ..................................................................................... ix
DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................... xi
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU .......................................................................................... 1
1.1.

Lý do chọn đề tài .......................................................................................... 1

1.2.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ..................................................................... 2

1.3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 2


1.4.

Nội dung thực hiện ....................................................................................... 2

1.5.

Phương pháp thực hiện ................................................................................. 2

1.6.

Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài ............................................. 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN................................................................................... 4
2.1.

Giới thiệu...................................................................................................... 4

2.2.

Tổng quan các kết quả nghiên cứu ................................................................ 4

2.2.1.

Các phương pháp sa thải phụ tải đang áp dụng ................................. 4

2.2.2.

Kỹ thuật sa thải phụ tải truyền thống ................................................ 5


2.2.2.1.

Sa thải sa thải phụ tải dưới tần số (UFLS) ..................................... 5

2.2.2.2.

Sa thải sa thải phụ tải dưới điện áp (UVLS)................................... 9

2.2.2.3.

Khuyết điểm của kỹ thuật sa thải sa thải phụ tải truyền thống...... 10

2.2.3.

Kỹ thuật sa thải phụ tải thích nghi................................................... 11

2.2.4.

Các kỹ thuật sa thải phụ tải thông minh ILS .................................. 12

2.2.4.1.

Mạng nơron nhân tạo (artificial neural netwwork - ANN) ........... 12

2.2.4.2.

Điều khiển lôgic mờ (fuzzy logic control - FLC) ......................... 14

2.2.4.3.


Hệ thống suy luận nơron thích nghi mờ (ANFIS) ........................ 14

2.2.4.4.

Thuật toán di truyền (generic algorithm - GA) ............................ 15

2.2.4.5.

Tối ưu hóa phần tử bầy đàn (particle swarm optimization - PSO) 15

2.2.4.6.

Ưu điểm và nhược điểm của các kỹ thuật STPT thông minh ..... 16

2.2.5.

Nhận xét ......................................................................................... 17

CHƯƠNG 3 MẠNG NƠ-RON............................................................................ 20
3.1.

Khái niệm ................................................................................................... 20


3.2.

Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo ................................................................... 20

3.3.


Mô hình toán của mạng nơ-ron nhân tạo ..................................................... 21

3.4.

Phân loại mạng nơ-ron. ............................................................................... 25

3.4.1.

Mạng nơ-ron truyền thẳng một lớp ................................................. 27

3.4.2.

Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp ............................................... 27

3.4.3.

Mạng nơ-ron hồi quy (GRNN) ....................................................... 28

3.5.

3.4.3.1.

Ứng dụng GRNN ........................................................................ 28

3.4.3.2.

Cách huấn luyện GRNN .............................................................. 28

3.4.3.3.


Cấu trúc mạng nơ-ron GRNN...................................................... 28

3.4.3.4.

Ưu điểm của GRNN .................................................................... 29

Các luật học ................................................................................................ 29

3.5.1.

Học có giám sát (supervised learning) ............................................ 30

3.5.2.

Học củng cố hay còn gọi là học có tăng cường .............................. 31

3.5.3.

Học không có giám sát (unsupervied learning) ............................... 31

3.6.

Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp với thuật toán lan truyền ngược ......... 33

3.6.1.

Cấu trúc của mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp........................... 33

3.6.2.


Mô hình nơ-ron (tansig, logsig, purelin) ......................................... 34

3.6.3.

Thuật toán lan truyền ngược ........................................................... 35

3.6.4.

Giải thuật Levenberg – Marquardt (trainlm) ................................... 36

3.7.

Đánh giá độ chính xác nhận dạng ............................................................... 37

CHƯƠNG 4 SA THẢI PHỤ TẢI THEO KHOẢNG CÁCH ĐIỆN ÁP ............... 38
4.1.

Khoảng cách điện theo điện áp ................................................................... 38

4.2.

Xây dựng chương trình sa thải phụ tải ........................................................ 39

4.3.

Nhận dạng sự cố theo phương pháp ANN ................................................... 41

4.4.

Kiểm tra và thử nghiệm trên hệ thống IEEE 39 thanh góp 10 máy phát ...... 46


4.4.1.

Hệ thống điện IEEE 39 thanh góp 10 máy phát New England ........ 46

4.4.2.

Trình tự xây dựng chương trình STPT sử dụng mạng nơ-ron ANN 47

4.4.3.

Tạo cơ sở dữ liệu sự cố ................................................................... 48

4.4.4.

Tính toán khoảng cách điện theo điện áp ........................................ 49

4.4.5.

Xây dựng tập mẫu học, xác định các biến đầu vào và biến đầu ra ... 51

4.4.6.

Chia tập dữ liệu .............................................................................. 52

4.4.7.

Huấn luyện và đánh giá độ chính xác sau huấn luyện ..................... 53

4.5.


So sánh với các phương pháp sa thải phụ tải khác ....................................... 53

4.5.1.

So sánh với phương pháp STPT dùng relay sa thải tần số thấp ....... 54

4.5.2.

So sánh với phương pháp sa thải dựa trên thuật toán AHP .............. 56

4.5.3.

Phương pháp sa thải phụ tải theo khoảng cách điện áp.................... 58


4.5.4.

Nhận xét ......................................................................................... 59

4.5.4.1.

Tần số ......................................................................................... 59

4.5.4.2.

Điện áp........................................................................................ 61

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN .................................................................................... 64
5.1.


Kết luận ...................................................................................................... 64

5.2.

Hướng nghiên cứu phát triển....................................................................... 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
df/dt

Tỉ lệ suy giảm tần số

fbus

Độ thay đổi tần số tại các bus

PG

Độ thay đổi công suất máy phát

Vbus

Độ sụt điện áp tại các bus

Pbranch Độ thay đổi công suất phân bố trên các đường dây truyền tải
Pload Độ thay đổi công suất tải



DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
AHP

Tiếng Anh

Tiếng Việt
Giải thuật AHP – Quá trình

Analytic Hierarchy Process

phân tích hệ thống phân cấp

Adaptive Neuro Fuzzy Inference Hệ thống suy luận nơ-ron
ANFIS
ANN
ERCOT
FLC
FRCC
GA
GRNN

System

thích nghi mờ

Artificial Neural Network


Mạng nơ-ron nhân tạo

Electric

Council

of Hội đồng điện tin cậy của

Texas

Texas

Fuzzy Logic Control

Bộ điều khiển logic mờ

Florida

Reliability

Coordinating Hội đồng điều phối độ tin cậy

Council

Florida

generic algorithm

Thuật toán di truyền


Generalized

Regression

Neural Mạng nơ-ron hồi quy tổng

Network
Institute

IEEE

Reliability

quát
of

Electrical

and

Electronics Engineers

Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử

ILS

Intelligent Load Shedding

MAAC


Mid Atlantic Area Council

PSO

particle swarm optimization

Tối ưu hóa phần tử bầy đàn

UFLS

Under Frequency Load Shedding

Sa thải phụ tải tần số thấp

UVLS

Under Volt Load Shedding

Sa thải phụ tải điện áp thấp

STPT

Sa thải phụ tải thông minh
Kiểm soát khu vực giữa Đại
Tây Dương

Sa thải phụ tải


DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH

TRANG

Hình 2. 1: Tổng quan về các phương pháp sa thải phụ tải trong hệ thống điện ........ 4
Hình 2. 2: Hệ thống đáp ứng tần số ....................................................................... 11
Hình 3. 1: Sự liên kết của nơ-ron .......................................................................... 20
Hình 3. 2: Mô hình toán của 1 nơ-ron nhân tạo ..................................................... 21
Hình 3. 3: Hàm nấc ............................................................................................... 22
Hình 3. 4: Hàm dấu .............................................................................................. 22
Hình 3. 5: Hàm tuyến tính .................................................................................... 23
Hình 3. 6: Hàm tuyến tính bão hòa ....................................................................... 23
Hình 3. 7: Hàm Sigmoid đơn cực ......................................................................... 24
Hình 3. 8: Hàm Sigmoid lưỡng cực ...................................................................... 24
Hình 3. 9: Mạng nơ-ron truyền thẳng một lớp ....................................................... 25
Hình 3. 10: Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp .................................................. 25
Hình 3. 11: Mạng nơ-ron phản hồi ........................................................................ 26
Hình 3. 12: Mạng nơ-ron hồi quy ......................................................................... 26
Hình 3. 13: Cấu trúc mạng GRNN ........................................................................ 28
Hình 3. 14: Cấu trúc huấn luyện mạng nơ-ron ...................................................... 29
Hình 3. 15: Mô hình học có giám sát và học củng cố ........................................... 31
Hình 3. 16: Mô hình học không có giám sát .......................................................... 31
Hình 3. 17: Sơ đồ cấu trúc chung của quá trình học .............................................. 32
Hình 3. 18: Cấu trúc mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp .................................... 33
Hình 3. 19: Mô hình nơ-ron tổng quát .................................................................. 34
Hình 3. 20: Các dạng hàm truyền .......................................................................... 35
Hình 4. 1: Sơ đồ mối quan hệ giữa máy phát k với các phụ tải về khoảng cách điện
áp ......................................................................................................................... 39
Hình 4. 2: Lưu đồ sa thải phụ tải online ............................................................... 41
Hình 4. 3: Lưu đồ quy trình mô phỏng lấy mẫu .................................................... 43

Hình 4. 4: Lưu đồ mô phỏng sự cố, quá trình lấy mẫu ngõ vào nơ-ron .................. 44
Hình 4. 5: Lưu đồ quy trình mô phỏng sa thải, lấy mẫu ngõ ra .............................. 45
Hình 4. 6: Mô hình huấn luyện mạng nơ-ron GRNN với các ngõ vào và ngõ ra ... 45


Hình 4. 7: Dữ liệu đầu vào của mạng nơ-ron ........................................................ 46
Hình 4. 8: Sơ đồ hệ thống điện IEEE 39 thanh góp 10 máy phát New England ..... 46
Hình 4. 9: Lưu đồ quy trình xây dựng chương trình STPT dùng mạng nơron ....... 48
Hình 4. 10: Ma trận J4 từ ma trận Jacobian ........................................................... 49
Hình 4. 11: Cấu trúc mạng nơ ron huấn luyện ....................................................... 53
Hình 4. 12: Tần số hệ thống khi mất máy phát 34 ................................................. 54
Hình 4. 13: Tần số hệ thống khi sa thải bằng relay tần số thấp .............................. 55
Hình 4. 14: Đồ thị điện áp thanh góp 16 STPT bằng relay tần số thấp .................. 55
Hình 4. 15: Tần số hệ thống khi STPT theo thuật toán AHP ................................. 57
Hình 4. 16: Đồ thị điện áp tại thanh góp 16 STPT theo thuật toán AHP ................ 57
Hình 4. 17: Tần số hệ thống khi STPT theo phương pháp khoảng cách điện áp .... 58
Hình 4. 18: Đồ thị điện áp thanh góp 16 STPT theo khoảng cách điện áp ............. 59
Hình 4. 19: Tần số hệ thống của cả 3 phương pháp sa thải phụ tải ........................ 59
Hình 4. 20: Đồ thị điện áp thanh góp 16 tổng hợp 3 phương pháp STPT .............. 61


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2. 1: Các bước sa thải tải của FRCC ............................................................... 6
Bảng 2. 2: Các bước sa thải tải của MAAC ............................................................ 6
Bảng 2. 3: Chương trình sa thải tải của ERCOT .................................................... 7
Bảng 2. 4: Các cấp rơle tần số của nhóm I ............................................................. 8

Bảng 2. 5: Chỉnh định rơle tần số của nhóm II ........................................................ 8
Bảng 2. 6: Chỉnh định rơle tần số của nhóm III ....................................................... 9
Bảng 2. 7: So sánh các kỹ thuật sa thải phụ tải thông minh ................................... 17
Bảng 2. 8: So sánh các kỹ thuật sa thải sa thải phụ tải ........................................... 18
Bảng 4. 1: Khoảng cách điện theo điện áp giữa các máy phát với nút tải .............. 50
Bảng 4. 2: Thứ tự sa thải phụ tải ứng với từng máy phát bị sự cố .......................... 51
Bảng 4. 3: Chiến lược sa thải thải phụ tải khi sự cố .............................................. 52
Bảng 4. 4: Cấu trúc tập dữ liệu ngõ ra ................................................................... 52
Bảng 4. 5: Đánh giá độ chính xác sau khi huấn luyện ........................................... 53
Bảng 4. 6: Các bước sa thải tải dựa trên relay sa thải dưới tần số của FRCC ......... 54
Bảng 4. 7: Thứ tự sa thải dựa vào thuật toán AHP với sơ đồ IEEE 39 bus ............ 56
Bảng 4. 8: Bảng tổng hợp so sánh tần số của các phương pháp sa thải phụ tải ...... 60
Bảng 4. 9: Bảng so sánh điện áp phục hồi tại 19 thanh góp tải khi mất máy phát 34
của các phương pháp STPT .................................................................................. 62


CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU
1.1. Lý do chọn đề tài
Giá trị của tần số và điện áp là tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điện năng
trong hệ thống điện. Chất lượng điện năng là điều kiện quan trọng trong việc cung
cấp điện cho các khách hàng công nghiệp cũng như khách hàng dân dụng. Tuy
nhiên, yêu cầu của khách hàng ngày càng cao nên cần phải đảm bảo liên tục cung
cấp điện, đảm bảo chất lượng điện và phải đảm bảo độ ổn định trong vận hành.
Các hệ thống điều khiển trong hệ thống điện hiện tại có nhiệm vụ giữ tần số
hệ thống và điện áp tại giá trị danh định. Để thực hiện việc này, máy phát sẽ được
trang bị bộ điều tốc để duy trì tần số định mức và bộ điều chỉnh điện áp để duy trì
điện áp định mức.
Số lượng điện năng cung cấp cho khách hàng tỷ lệ thuận với khả năng phát
điện của nguồn. Do đó, ngành điện cũng phải đảm bảo dự trữ một nguồn điện đủ
lớn để đáp ứng nhu cầu khi có sự phát triển và thay đổi về tải. Nhưng thời gian vừa

qua, do tốc độ phát triển phụ tải quá nhanh, các công trình phát triển nguồn mới của
ngành điện thường bị chậm tiến độ nên nhu cầu dữ trự về nguồn điện khó đảm bảo
và hệ thống điện thường vận hành trạng thái đầy tải và không có dự phòng. Do đó,
yêu cầu độ ổn định trong vận hành sẽ không đảm bảo được khi hệ thống điện có các
sự cố về nguồn. Do vậy, các chương trình sa thải phụ tải tần số thấp (UFLS) đã
được sử dụng như một biện pháp hiệu quả chống lại những bất ổn tần số.
Một chương trình sa thải phụ tải tốt phải cắt số lượng phụ tải tối thiểu càng
nhanh càng tốt, đồng thời đáp ứng tất cả các ràng buộc về kỹ thuật để đảm bảo hệ
thống ổn định. Chương trình sa thải phụ tải thông thường thực hiện chậm và cũng
có thể sa thải một số phụ tải quá mức cần thiết từ hệ thống. Hơn nữa, khi phụ tải
thay đổi, thuật toán sa thải phụ tải cũng phải thích nghi với các thay đổi này. Vì vậy,
vấn đề đặt ra là phải sa thải nhanh, hợp lý để duy trì ổn định, phục hồi các giá trị
thông số hệ thống về phạm vi cho phép. Đây là vấn đề phức tạp, cần có các nghiên
cứu chuyên sâu trong việc phối hợp các phương pháp, giải thuật công nghệ để xây
dựng mô hình đánh giá nhanh tình huống sự cố, ra quyết định kịp thời, hạn chế sa
thải phụ tải ở mức thấp nhất là yêu cầu bức thiết hiện nay.


1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Phân tích trạng thái hệ thống điện khi xảy ra sự cố nguồn thông qua
khảo sát mô hình mô phỏng hệ thống IEEE 39 thanh góp 10 máy phát với sự trợ
giúp của phần mềm PowerWorld.
- Tính toán khoảng cách điện theo điện áp giữa các nút nhằm xác định
thứ tự ưu tiên sa thải phụ tải.
- Đề xuất phương pháp sa thải phụ tải nhằm giảm thiểu lượng tải phải
cắt và thời gian phục hồi nhanh hơn so với phương pháp sa thải phụ tải truyền thống
và phương pháp sa thải phụ tải theo thuật toán AHP.
- Ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) nhận dạng sự cố và đưa ra
quyết định hợp lý và nhanh chóng sa thải phụ tải trong hệ thống điện.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Tổng quan các phương pháp sa thải phụ tải trước đây.
- Khảo sát, tính toán, thử nghiệm trên mô hình hệ thống IEEE 39 thanh
góp 10 máy phát, nhằm kiểm chứng hiệu quả phương pháp đề xuất.
- Phần mềm mô phỏng: Power World và Matlab.
1.4. Nội dung thực hiện
- Thu thập và nghiên cứu tài liệu trong và ngoài nước về các phương
pháp sa thải phụ tải trước đây.
- Nghiên cứu và đề xuất phương pháp sa thải phụ tải dựa trên cơ sở
khoảng cách điện theo điện áp giữa các nút và ứng dụng mạng nơron nhân tạo trong
việc nhận dạng sự cố và sa thải phụ tải.
- Mô phỏng, thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của phương pháp đề xuất
bằng phần mềm Power World, Matlab.
1.5. Phương pháp thực hiện
- Phương pháp phân tích, tổng hợp.
- Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng.
- Phương pháp chuyên gia.
1.6. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài
- Cung cấp tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sinh và học viên cao
học ngành kỹ thuật điện khi giải bài toán sa thải phụ tải thông minh.


- Trợ giúp cho kỹ sư vận hành, điều độ viên hệ thống điện đưa ra đề
xuất ưu tiên sa thải phụ tải nhằm phục hồi tần số hệ thống điện.


CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN
0.1. Giới thiệu
Vấn đề ổn định hệ thống điện là một yêu cầu rất cần thiết đối với bất kỳ một
lưới điện nào trong một hệ thống điện liên kết. Trong vận hành hệ thống điện, luôn
đòi hỏi phải có sự cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng giữa nguồn

phát và tải tiêu thụ. Đại lượng đặc trưng cho cho sự cân bằng công suất tác dụng là
tần số của hệ thống điện. Một khi sự cân bằng công suất tác dụng bị phá vỡ, nếu
không khắc phục kịp thời sẽ gây hậu quả nghiêm trọng cho tính ổn định tần số của
hệ thống. Ngoài yêu cầu của các rơle bảo vệ hoạt động một cách hiệu quả để cô lập
sự cố ra khỏi hệ thống và phải đạt lại sự cân bằng giữa công suất phát và công suất
tiêu thụ trước khi tần số tiến đến mức ảnh hưởng các phần còn lại của nhà máy có
thể làm mất ổn định, làm mất điện rộng lớn cho một phần hoặc toàn hệ thống. Các
biện pháp dự trữ phần công suất dự phòng nóng của các đơn vị phát điện đang vận
hành trong hệ thống chỉ có thể thực hiện được và có hiệu quả để đạt lại sự cân bằng
trên khi hệ thống bị vượt sức nhẹ (tần số qui định của hệ thống giảm nhẹ). Nhưng ở
những trường hợp mất cân đối công suất nghiêm trọng hơn và dẫn đến khả năng rã
lưới hoàn toàn thì cần phải sử dụng chương trình sa thải phụ tải.
0.2. Tổng quan các kết quả nghiên cứu
0.2.1.

Các phương pháp sa thải phụ tải đang áp dụng

Các kỹ thuật sa thải phụ tải về cơ bản được chia thành 3 mảng nghiên cứu
chính: các kỹ thuật sa thải phụ tải thông thường (truyền thống), các kỹ thuật sa thải
phụ tải thích nghi và các kỹ thuật sa thải phụ tải thông minh [1]. Tổng quan về các
kỹ thuật sa thải phụ tải được trình bày ở hình 2.1


Các kỹ thuật sa thải phụ
tải

Các kỹ thuật sa thải phụ
tải truyền thống

Under

Frequenc
y Load
Shedding

UVLS

Các kỹ thuật sa thải phụ
tải thích nghi

Artificial
Neural
Network
(ANN)

Fuzzy
Logic
Control

UFLS

Adaptive
Neural
Fuzzy
Infernce
System
(ANFIS)

Các kỹ thuật sa thải phụ
tải thông minh


Genetic
Algorithm
(GA)

Particle
Swarm
Optimization
(PSO)

Hình 2. 1: Tổng quan về các phương pháp sa thải phụ tải trong hệ thống điện [1]
0.2.2.

Kỹ thuật sa thải phụ tải truyền thống

Kỹ thuật sa thải phụ tải phụ tải truyền thống gồm hai loại: sa thải phụ tải
dưới tần số (UFLS) và sa thải phụ tải dưới điện áp (UVLS)
0.2.2.1. Sa thải sa thải phụ tải dưới tần số (UFLS)
Vào đầu năm 1967, chương trình các rơle UFLS đã được giới thiệu để cải
thiện sự thiếu hụt của máy phát điện trong hệ thống [2]. Từ chương trình này, một
số yếu tố liên quan để đạt được các cài đặt rơle tối ưu đã được nghiên cứu. Ban đầu,
tỷ lệ suy giảm tần số được xác định do số lượng quá tải. Sau đó, số lượng phụ tải sa
thải được yêu cầu xác định phù hợp với giá trị ngưỡng tần số cho phép. Các thử
nghiệm và sai sót được sử dụng để phát triển số lượng và kích cỡ của các bước sa
thải phụ tải để sa thải cho phù hợp với phụ tải.
Hội đồng điều phối độ tin cậy Florida (FRCC) [3], có yêu cầu về xác định sa
thải phụ tải. Các bộ phận điều phối tải của FRCC phải cài đặt các rơle tần số cắt
khoảng 56% tổng tải của chương trình sa thải tải tự động. Nó có chín bước để cắt
tải. Tần số nhận tín hiệu là 59,7 Hz cho bước đầu tiên và 59,1 Hz cho bước cuối
cùng. Các bước tần số, thời gian và khối lượng tải được cắt trong bảng 2.1. Các
bước từ A đến F sa thải phụ tải theo sự suy giảm tần số. Các bước L, M và N là đặc

biệt vì chúng sa thải phụ tải trong khi tăng tần số. Mục đích của việc này là để tránh


sự trì trệ của tần số ở một giá trị thấp hơn danh nghĩa. Do đó, nếu tần số tăng lên
59.4 Hz và tiếp tục duy trì trong vùng lân cận trong hơn 10 giây, thì 5% tải sẽ được
sa thải để tần số tăng lên và đạt đến giá trị danh nghĩa.

Các bước
UFLS
A
B
C
D
E
F
L
M
N

Bảng 2. 1: Các bước sa thải tải của FRCC [3]
Tần số sa
Lượng tải sa thải
Thời gian
Tổng số lượng
thải tải
(phần trăm tổng
trễ (s)
tải sa thải (%)
(Hz)
tải) (%)

59.7
0.28
9
9
59.4
0.28
7
16
59.1
0.28
7
23
58.8
0.28
6
29
58.5
0.28
5
34
58.2
0.28
7
41
59.4
10
5
46
59.7
12

5
51
59.1
8
5
56

Kiểm soát khu vực giữa Đại Tây Dương MAAC [4] tiến hành thủ tục sa thải
phụ tải theo từng bước. Họ có ba bước sa thải cơ bản như thể hiện trong bảng 2.2.
Tần số bước đầu tiên thực hiện sa thải là 59,3 Hz. Tại mỗi bước 10% tải được thực
hiện sa thải. Cài đặt trễ thời gian được áp dụng cho các rơle dưới tần số dưới với độ
trễ 0.1 giây. Các rơle này được yêu cầu duy trì độ ổn định ± 0.2 Hz ở điểm đặt và
trong thời gian trễ 0.1 giây. Việc chế tạo các rơle này được yêu cầu phải giống hệt
nhau để có được tỷ lệ đáp ứng tương tự nhau.
Bảng 2. 2: Các bước sa thải tải của MAAC [4]
Số lượng phần trăm
Tần số cài đặt sa thải tải (Hz)
tổng tải sa thải
10%
59.3
10%

58.9

10%

58.5

ERCOT, Hội đồng điện tin cậy của Texas, có chương trình sa thải tải dưới
tần số [5]. Nó được xem xét bởi các hướng dẫn điều hành ERCOT mỗi 5 năm. Tổng

phụ tải nó sa thải lên đến 25% tải của hệ thống. Chương trình có ba bước, tần số cắt
tải cho bước một là 59,3 Hz được trình bày trong bảng 2.3.


Bảng 2. 3: Chương trình sa thải tải của ERCOT [5]
Tần số sa thải (Hz)

Tải sa thải (%)

59.3

5

Tổng số lượng tải sa thải (%)
5

58.9

10

15

58.5

10

25

Đối với hệ thống điện Việt Nam phương pháp sa thải phụ tải được thực hiện
bởi 3 nhóm rơle và lưới điện Việt Nam được chia thành 7 khu vực [6].

-

Khu vực 1: lưới điện Tây Bắc Bắc Bộ bao gồm phụ tải các trạm 110
kV Tuyên Quang, Thái Nguyên, Bắc Cạn, Cao Bằng, Gia Sàng, Gò
Đầm, Nội Bài, Vĩnh Yên, Việt Trì, Bải Bằng, Lâm Thao, Yên Bái,
Lào Cai , Hà Giang …

-

Khu vực 2: Lưới điện Miền Tây Nam Bộ bao gồm phụ tải các trạm
110 kV Trà Nóc, Đài PT Nam Bộ, Long Xuyên , Châu Đốc, Chung
Sư, Rạch Giá, Kiên Lương, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Cần Thơ,
Bình Thủy, Sa Đéc, Vĩnh long, Vũng Liêm. Trà Vinh …

-

Khu vực 3: Lưới điện khu vực Đồng Nai – Bà Rịa Vũng Tàu bao
gồm phụ tải các trạm 110 kV Đồng Nai, Biên Hòa, Thủ Đức Bắc,
Long Bình, An Bình, Xuân Lộc,Tuy Hạ, Gò Dầu, Long Thành …

-

Khu vực 4: Lưới điện cao nguyên Nam Trung Bộ bao gồm các phụ tải
trạm 110 kV Cam Ranh, Nha Trang, Tháp Chàm, Phan Thiết, Phan
Rí, Ninh Sơn , Ninh Phước, Ninh Hải …

-

Khu vực 5: Lưới điện của HTĐ miền Bắc ngoại trừ khu vực 1


-

Khu vực 6: Lưới điện của HTĐ miền Nam ngoại trừ khu vực 2,3,4

-

Khu vực 7: Lưới điện của HTĐ miền Trung ngoại trừ khu vực 4

Nhóm I và nhóm II áp dụng cho toàn hệ thống điện, nhóm III chỉ áp dụng
cho khu vực 1, 2, 3, 4. Việc phân nhóm được thực hiện như sau :
Nhóm I: gồm các rơle tác động theo mức tần số nhằm ngăn chặn khả năng
tần số của hệ thống giảm thấp hơn 47,5 HZ (đây là mức tần số tách lưới giữ tự dùng
đối với các tổ máy tuabine khi Phú Mỹ 2.1, Phú Mỹ 22…, nhiệt điện dầu Hiệp
Phước). Rơle của nhóm I được chỉnh định theo các mức tần số tác động từ 49 đến


47,8 HZ , mỗi mức cách nhau 0,2 HZ. Thời gian chỉnh định cho các rơle nhóm I là
0 giây. Mức cắt tải theo từng cấp tần số được qui định như sau :
Bảng 2. 4: Các cấp rơle tần số của nhóm I [6]
Tần số ( HZ )
Lượng tải cắt tính theo % phụ tải khu vực
(Thời gian chỉnh định t = 0s)
49.0
5
48.8
5
48.6
5
48.4
5

48.2
5
48.0
5
47.8
10
47.6
15
Tổng cộng
55
Trong đó lượng công suất cần phải sa thải ở mỗi mức đặt sẽ được phân bố
theo tỷ lệ tải của từng khu vực (từ khu vực 1 – 7) nêu trên trong mọi chế độ hệ
thống điện.
Nhóm II: Tác dụng của các rơle nhóm II là nâng mức tần số của hệ thống
vào vùng hoạt động của các bộ điều khiển tần số của nhà máy sau khi sự suy giảm
tần số đã được ngăn chặn nhờ tác động của nhóm I. Trị số chỉnh định và lượng cắt
tải của nhóm II được quy định như sau :

Tần số
(HZ)
49.0

Bảng 2. 5: Chỉnh định rơle tần số của nhóm II [6]
Lượng tải cắt tính theo % phụ tải khu vực
Tổng cộng
T=10s
T=15s
T=20s
T=25s
2,5

2,5
2,5
2,5
10 %

Tương tự như nhóm I, lượng công suất cần phải sa thải ở các cấp rơle nhóm
II sẽ được phân bố theo tỷ lệ phụ tải từng khu vực ( từ khu vực 1 – 7 ) trong mọi chế
độ hệ thống điện.
Tổng lượng phụ tải sa thải theo nhóm I và II là 65 % phụ tải khu vực.
Nhóm III: Nhóm III là các rơle hoạt động theo độ dốc tần số, áp dụng cho
các khu vực 1, 2, 3, 4. Trong nhiều chế độ vận hành tại các khu vực này chỉ 1- 2 tổ
máy phát hữu công, đáp ứng không quá 40 % phục tải khu vực. Khi có sự cố tách
lưới điện khu vực sẽ gây mất một lượng lớn (trên 50 %) công suất, đồng thời vì có
rất ít tổ máy đang hoạt động nên tần số suy giảm rất nhanh và tác động của các cấp


tần số nhóm I không ngăn được việc sụt tần số xuống dưới mức tách lưới giữ tự
dùng của các tổ máy trong khu vực. Sử dụng cắt tải theo độ dốc tần số cho phép
thực hiện sa thải phụ tải một cách chọn lọc để khôi phục tần số trong tình huống
này.
Chỉnh định rơle nhóm III và tỷ lệ cắt tải ( tính theo % phụ tải khu vực ) cho
các khu vực ( từ khu vực 1 – 4 ) được xác định như sau. Rơle tác động tức thời khi
có đủ 2 điều kiện: tần số lưới điện thấp hơn giá trị tần số chỉnh định và tốc độ giảm
tần số lớn hơn tốc độ chỉnh định. Rơle tác động theo độ dốc tại các khu vực 1, 3, 4
sẽ sa thải tất cả các phụ tải thuộc nhóm I và nhóm II nêu trên là 65%, riêng tại khu
vực 2 sẽ cắt thêm 10%.

Khu
vực
1

2
3
4

Bảng 2. 6: Chỉnh định rơle tần số của nhóm III [6]
Chỉnh định rơle tần số ( T=0s )
Tỷ lệ
Ghi chú
Mức tần số f
Tốc độ df/dt
cắt tải
(HZ )
(HZ/s)
49,0
-2,0
65%
Toàn bộ phụ tải nhóm I và II
49,0
-2,5
65%
Toàn bộ phụ tải nhóm I và II
49,0
-3,0
10%
49,0
-2,5
65%
Toàn bộ phụ tải nhóm I và II
49,0
-2,5

65%
Toàn bộ phụ tải nhóm I và II
0.2.2.2. Sa thải sa thải phụ tải dưới điện áp (UVLS)
Các rơle sa thải phụ tải dưới điện áp được thiết lập để hoạt động trong trường

hợp điều kiện điện áp thấp trong hệ thống. Các hệ thống bị ảnh hưởng bởi nhiễu có
thể ổn định trở lại sau sự nhiễu loạn nhưng vẫn có điện áp thấp ở các thanh góp.
Trong một số trường hợp, điện áp có thể quá gần với giới hạn độ ổn định và sự sụp
đổ có thể quá nhanh nên các chương trình điều chỉnh điện áp đơn giản không có
hiệu quả. Những điều kiện điện áp thấp này có thể được điều chỉnh bằng cách giảm
lượng phụ tải thích hợp từ thanh góp với sự trợ giúp của chương trình sa thải phụ
tải điện áp hiệu quả [7].
Trong nghiên cứu [8] cho thấy một phương pháp thực hiện sa thải phụ tải
trong trường hợp hai điều kiện. Thứ nhất: sa thải phụ tải xảy ra do điều kiện điện áp
thấp sau khi xảy ra sự cố. Thứ hai: các kết quả sa thải phụ tải do sự bất ổn của hệ
thống để đạt được điều kiện hoạt động ổn định sau sự rối loạn.


Jianfeng và cộng sự [9] đã phát triển một phương pháp với các chỉ số rủi ro
để quyết định thanh góp nào nên được đưa vào mục tiêu để sa thải tải để duy trì điện
áp ổn định. Các thanh góp có nguy cơ bất ổn điện áp cao nhất được ưu tiên sa thải
phụ tải đầu tiên. Điều này được ước tính từ xác suất của sự sụp đổ điện áp xảy ra.
Các chỉ số rủi ro là các sản phẩm của những xác suất này và ảnh hưởng của sự sụp
đổ điện áp.
Một phương pháp khác [10] liên quan đến cách tiếp cận bầy bàn sa thải phụ
tải dưới điện áp đã được nghiên cứu. Khái niệm phương pháp tối ưu bầy đàn là một
nhóm hoặc một cụm các hạt trong đó mỗi hạt được biết là có trí nhớ cá nhân giống
như một con vật trong đàn. Việc tụ tập được bắt đầu với một số vận tốc ban đầu và
các hạt di chuyển theo các hướng khác nhau để đưa ra giải pháp tốt nhất. Giải pháp
tốt nhất được chia sẻ với mọi hạt của nhóm để họ có thể di chuyển từ đó dựa trên

kiến thức thu được mới này. Ý tưởng này cũng được sử dụng cho việc sa thải phụ
tải dưới điện áp để nhận ra chương trình sa thải tải tốt nhất có thể xem xét các điều
kiện và sự xáo trộn của hệ thống đối với tình huống đó.
0.2.2.3. Khuyết điểm của kỹ thuật sa thải sa thải phụ tải truyền
thống
Kỹ thuật sa thải phụ tải truyền thống bị giới hạn do không có khả năng sa
thải phụ tải tối ưu. Nó chỉ đơn giản thực hiện theo một quy tắc đặt trước, trong đó
một lượng cố định tải được cắt khi tần số lệch khỏi giá trị danh nghĩa. Những bất lợi
chính của phương pháp này là nó không ước tính số lượng thực tế của sự mất cân
bằng công suất. Thời gian thực hiện quá chậm, ảnh hưởng đến chất lượng điện,
hoặc sa thải quá mức, dẫn tới ảnh hưởng đến việc cung cấp của dịch vụ điện [11].


0.2.3.

Kỹ thuật sa thải phụ tải thích nghi

Hình 2. 2: Hệ thống đáp ứng tần số [12]
Kỹ thuật sa thải phụ tải thích nghi được đề xuất để cải thiện ước lượng mất
cân bằng công suất và để xác định một lượng thích hợp của tải để sa thải mà không
được giải quyết hiệu quả từ các kỹ thuật thông thường [13]. Trong giai đoạn đầu,
cài đặt của các rơ le tần số thấp sử dụng mô hình đáp ứng tần số hệ thống System
Frequency Response (SFR) để ước lượng hiệu suất của tần số hệ thống [12]. Hình
2.2 trình bày mô hình SFR. Trong đó: Km là độ lợi, D là hệ số giảm xóc, H là hằng
số quán tính của cô lập, TR là hằng số thời gian gia nhiệt trung bình và FH là phần
năng lượng cao áp suất của tua bin hâm nóng lại. Thông qua mô hình SFR, mối
quan hệ giữa tỉ lệ thay đổi tần số ban đầu (ROCOF) và kích cỡ của các rối loạn có
thể được xác định. Tuy nhiên, nhược điểm lớn khi sử dụng SFR là đáp ứng tần số
không liên quan do thực tế là độ dốc tần số được tính toán ngay lập tức ngay khi có
sự xáo trộn xảy ra trong hệ thống. Do một số khuyết điểm từ mô hình SFR, việc

tăng cường phân tích độ dốc tần số được đề xuất trong [14].
Sau những sự nhiễu loạn lớn, thông thường theo các rơ le dưới tần số
(UFLS) có thể không hoạt động đúng, vì chúng được thiết kế để duy trì sự ổn định
tần số của hệ thống, độc lập với điện áp ổn định của nó. Trong nghiên cứu [15], một
chương trình giảm tải thích ứng được đề xuất để duy trì sự ổn định của hệ thống
điện khi chương trình truyền thống thất bại. Khi tần số và tỷ lệ giảm xuống của tần
số cùng với tỷ lệ giảm xuống điện áp được xác định đúng để xác định độ gần với
khu vực nhiễu và mức độ nghiêm trọng của nó. Theo đó, một lượng tải thích hợp
được sa thải từ các vị trí có ảnh hưởng lớn nhất tới tính ổn định của hệ thống. Các
kết quả thu được xác minh rằng một số lượng lớn sự mất điện do hoạt động không


phù hợp các rơle UFLS thông thường có thể được ngăn chặn bằng cách sử dụng
chương trình đề xuất.
Một phương pháp thích nghi được đề xuất [12] để xác định phụ tải sa thải
theo rơ le dưới tần số dựa trên độ dốc ban đầu của độ lệch tần số sau khi tách hệ
thống. Độ dốc ban đầu này chứa tất cả các thông tin cần thiết để ước lượng kích
thước của bước thay đổi tải do hệ thống tách ra, dự báo chiều sâu và thậm chí ước
lượng khoảng thời gian của việc giảm tần số tối đa.
Các phương pháp đề cập ở trên tập trung chính vào việc điều chỉnh tốc độ và
sự hoạt động chính xác của hệ thống UFLS cũng như độ ổn định quá độ nhưng chưa
tối ưu hóa được số lượng phụ tải sa thải.
0.2.4.

Các kỹ thuật sa thải phụ tải thông minh ILS (Intelligent Load
Shedding)

Thuật ngữ "kỹ thuật tính toán thông minh" nói chung được áp dụng để bắt
chước trí thông minh của con người. Các kỹ thuật này bao gồm mạng nơ ron nhân
tạo (ANN), hệ thống suy luận thần kinh thích nghi (ANFIS), điều khiển logic mờ

(FLC), thuật toán di truyền (GA) và tối ưu hoá các phần tử bầy đàn (PSO). Những
kỹ thuật này có thể dễ dàng giải quyết những vấn đề phi tuyến tính, đa mục tiêu
trong các hệ thống điện mà không thể giải quyết bằng các phương pháp truyền
thống với tốc độ và độ chính xác mong muốn [16, 17].
Do cấu trúc của hệ thống điện hiện đại lớn và phức tạp, các kỹ thuật truyền
tải truyền thống có thể không hoạt động hiệu quả trong trường hợp khẩn cấp. Kỹ
thuật UFLS thông thường có thể làm giảm tải không cần thiết. Hơn nữa, kỹ thuật sa
thải phụ tải tối ưu là một vấn đề tối ưu hóa phi tuyến với nhiều ràng buộc. Các kỹ
thuật tối ưu hóa thông thường đã được chứng minh là không thích hợp khi giải
quyết các vấn đề phi tuyến tính phức tạp [18]. Do đó, kỹ thuật sa thải hiệu quả là rất
quan trọng để giảm tải tối ưu và duy trì sự ổn định của hệ thống điện.
0.2.4.1. Mạng nơron nhân tạo (Artificial neural netwwork - ANN)
Mạng nơron nhân tạo là một mô hình toán học dựa trên cơ sở các hệ thống
nơron của loài người và đã được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điện. Ứng dụng
ANN trong hệ thống điện bao gồm các lĩnh vực ổn định điện áp, an ninh hệ thống,