TÓM TẮT
Các hệ thống điện hiện đại đang được đẩy mạnh để vận hành gần hơn với các
giới hạn an ninh do sự tăng trưởng nhanh của nhu cầu điện và các cơng trình xây
dựng cơ sở hạ tầng. Khi gặp phải các trường hợp sự cố, hệ thống dễ bị mất an ninh
động, có thể dẫn đến các hậu quả thảm khốc như cúp điện hoặc mất điện trên diện
rộng. Vì thế, việc nhận dạng nhanh và đưa ra các cảnh báo sớm để có những điều
khiển kịp thời sẽ giúp hệ thống điện chống chọi được các yếu tố nguy hiểm.
Để giải quyết những vấn đề trên, luận văn đã xây dựng mơ hình chẩn đốn an
ninh động và đánh giá ổn định động hệ thống điện sử dụng mạng MLPNN (Multilayer
Perceptron Neural Network). Bên cạnh đó một đề xuất điều khiển phịng ngừa dựa
trên chẩn đốn an ninh động được thực hiện nhằm giúp hệ thống điện có thể chịu
được các tình huốn gây hại nếu chúng thực sự xảy ra. Để chứng minh cho phần lý
thuyết, luận văn đã kiểm tra hiệu quả mơ hình đề xuất trên sơ đồ 4 máy- 10 bus.

v


ABSTRACT
Modern power systems are being pushed to operate ever closer to their security
limits due to the rapid growth of electricity demand and the unmatched infrastructure
constructions. When exposed to a severe contingency, the system is more prone to
losing its dynamic security, which can result in catastrophic consequences such as
cascading outages and/or widespread blackouts. Therefore , to assess quickly and
give the warning soon to have the timely control will help the system withstands are
dangerous elements.
To solve the above problems, the thesis developed a model of Dynamic Security
Assessment and Stable Assessment using MLPNN (Multilayer Perceptron Neural
Network). In addition, the Preventive Dynamic Security Control based on dynamic
security assessment is implemented to change the operating state of the system so that
the electrical system can withstand harmful conditions if they actually occur. To
prove the theory, the thesis examined the effectiveness of the proposed model on the

4-machine 10-bus model.

vi


MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC .................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iv
TÓM TẮT ...................................................................................................................... v
ABSTRACT .................................................................................................................. vi
MỤC LỤC .................................................................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ xi
DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................................ xii
DANH SÁCH CÁC BẢNG .......................................................................................... xv
Chương 1: Mở đầu ....................................................................................................... 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu của luận văn: ........................................................................................... 2
1.3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu: ................................................................... 2
1.4. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu: ............................................................................ 3
Chương 2: Tổng quan .................................................................................................. 4
2.1. Chế độ của hệ thống điện ....................................................................................... 4
2.1.1 Các chế độ làm việc .................................................................................... 4
2.1.2 Định nghĩa ổn định hệ thống điện ................................................................ 4
2.2. Phân tích ổn định ................................................................................................. 12
2.2.1. Phương trình dao động ............................................................................. 12
2.2.2. Mơ hình đơn giản hóa máy phát và hệ thống tương đương ....................... 15
2.2.3. Tiêu chí cân bằng diện tích....................................................................... 16


vii


2.2.4. Phương pháp tích phân số cho phương trình dao động .............................. 18
2.2.5. Ổn định hệ nhiều máy .............................................................................. 20
2.4. Các biện pháp nâng cao tính ổn định .................................................................... 23
2.4.1. Cải thiện các phần tử chính của HTĐ ....................................................... 23
2.4.2. Thêm vào hệ thống các phân tử phụ ......................................................... 25
2.5. Phân tích các cơng trình liên quan ........................................................................ 26
2.6. Kết luận chương 2 ................................................................................................ 26
Chương 3: Lý thuyết dận dạng và mạng Nơron ........................................................ 27
3.1. Các khái niệm và tính chất của nhận dạng ............................................................ 27
3.2. Nhận dạng mẫu trên cơ sở hình thức hóa tri thức .................................................. 29
3.3. Quy trình nhận dạng ............................................................................................. 31
3.4. Giới thiệu mạng nơron ......................................................................................... 32
3.4.1. Mơ hình nơron sinh học ........................................................................... 33
3.4.2. Mơ hình nơron nhân tạo ........................................................................... 34
3.5. Phân loại mạng nơron .......................................................................................... 36
3.5.1. Mạng Perceptron ..................................................................................... 37
3.5.2. Mạng hàm truyền xuyên tâm .................................................................... 38
3.6. Luật đầu ra của bộ phân loại................................................................................. 43
3.7. Huấn luyện và đánh giá mơ hình nhận dạng ......................................................... 44
3.8. Kết luận chương 3 ................................................................................................ 44
Chương 4: Xây dựng mạng Nơron nhận dạng ổn dịnh động HTĐ ........................... 46
4.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 46
4.2. Chẩn đoán an ninh hệ thống điện ( DSP) .............................................................. 49
4.2.1. Tạo cơ sở dữ liệu...................................................................................... 49
4.2.2. Lựa chọn biến đặc trưng ........................................................................... 50

viii



4.2.3. Phân chia dữ liệu, huấn luyện ANN ......................................................... 54
4.2.4. Đánh giá độ chính xác kết quả huấn luyện ................................................ 54
4.3. Điều khiển phòng ngừa ........................................................................................ 54
4.3.1. Phương pháp điều khiển phịng ngừa ........................................................ 54
4.3.2. Giới hạn vùng tính tốn ............................................................................ 55
4.3.3. Tìm mẫu đại diện cho chiến lược PDSC ................................................... 57
4.4. Đánh giá ổn định động (DSA) .............................................................................. 58
4.4.1. Cơ sở dữ liệu............................................................................................ 58
4.4.2. Lựa chọn biến đặc trưng ........................................................................... 59
4.4.3. Phân chia dữ liệu, huấn luyện ANN ......................................................... 59
4.4.4. Đánh giá độ chính xác kết quả .................................................................. 59
4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................................ 60
Chương 5: Ứng dụng mạng Nơron nhận dạng ổn định động HTĐ .......................... 61
5.1. Sơ đồ hệ thống điện 4-máy 10-bus ....................................................................... 61
5.2. Mơ hình mạng nơron chẩn đoán an ninh hệ thống điện ( DSP) ............................. 62
5.2.1. Dữ liệu đầu vào ........................................................................................ 62
5.2.2. Chuẩn hóa dữ liệu .................................................................................... 62
5.2.3. Tỷ lệ bộ dữ liệu huấn luyện và kiểm tra .................................................... 63
5.2.4. Lựa chọn biến đặc trưng DSP ................................................................... 63
5.3. Mơ hình điều khiển PDCS .................................................................................... 65
5.3.1. Điều khiển phòng ngừa với bộ mẫu ban đầu ............................................. 65
5.3.1. Giới hạn vùng làm việc ............................................................................ 66
5.3.2. Tìm mẫu đại diện cho chiến lược PDSC ................................................... 67
5.4. Mơ hình mạng nơron đánh giá ổn định động (DSA) ............................................. 73
5.4.1. Dữ liệu đầu vào ........................................................................................ 73

ix



5.4.2. Chuẩn hóa dữ liệu .................................................................................... 74
5.4.3. Tỷ lệ dữ liệu huấn luyện và kiểm tra......................................................... 74
5.4.4. Lựa chọn biến đặc trưng đánh giá ổn định động ....................................... 74
5.5. Kết luận chương 5 ................................................................................................ 76
Chương 6: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển ............................................... 77
6.1. Kết luận ............................................................................................................... 77
6.2. Hướng nghiên cứu phát triển ................................................................................ 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 78
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 80
1.

Chương trình chuẩn hóa dữ liệu .......................................................................... 80

2.

Chương trình huấn luyện, đánh giá độ chính xác nhận dạng sử dụng MLPNN ... 80

3.

Chương trình tính trọng số Relief và vẽ đồ thị xếp hạng biến đặc trưng ............. 811

4.

Thơng số cài đặt cho mơ hình 4-máy 10-bus ..................................................... 822

x


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ANN

Artificial Neural Network

BPLNN

Backpropagation Learning Neural Network

CCT

Critical Clearing Time

CĐQĐ

Chế độ quá độ

CĐXL

Chế độ xác lập

CNN

Committee Neural Network

CSTD

Công suất tác dụng

CSPK


Công suất phản kháng

FCT

Fault Clearing Time

GRNN

Generalized Regression Neural Network

HTĐ

Hệ thống điện

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engnineers

MF

Máy phát điện

MLFNN

Multilayer Feedforward Neural Network

MLPNN

Multilayer Perceptron Neural Network


PNN

Parallel Neural Network

RBFN

Radial Basis Function Network

TĐK

Hệ thống tự động điều chỉnh kích từ

DSP

Dynamic Security Prediction

DSA

Dynamic Stable Assessment

PDSC

Preventive Dynamic Security Control

xi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điện đơn giản


TRANG
5

Hình 2.2: Đặc tính cơng suất của máy phát và đặc tính cơng suất cơ của
Tuabin

6

Hình 2.3: Đặc tính cơng suất

7

Hình 2.4: Sơ đồ thay thế hệ thống điện đơn gản

9

Hình 2.5: Sơ đồ đặc tính cơng suất điện và sơ đồ thay thế khi ngắn mạch
trên đường dây

9

Hình 2.6: Sơ đồ đặc tính cơng suất điện và sơ đồ thay thế sau khi ngắn
mạch

10

Hình 2.7: Ổn định góc quay rotor dưới các chế độ quá độ hệ thống điện
khác nhau


11

Hình 2.8: Đặc tính đường cong góc cơng suất

14

Hình 2.9: (a) Máy phát kết nối với thanh cái vô hạn qua điện kháng
ngoại. (b) Sơ đồ phasor của máy phát keeys nối với thanh cái vơ hạn

14

Hình 2.10: Mơ hình đơn giản hóa máy điện đồng bộ cho nghiên cứu ổn
định quá độ

15

Hình 2.11: Máy phát điện đồng bộ kết nối với một hệ thống tương đương
16
Hình 2.12: Đặc tính sơng suất của 1 tổ máy phát

17

Hình 2.13: Phương pháp Euler

19

Hình 2.14: Phương pháp Euler cải tiến

20


Hình 2.15: Hệ thống điện N nút dùng cho các nghiên cứu ổn định quá
độ

21

Hình 2.16: Tác dụng của điệ kháng Xd MF đến ổn định HTĐ

24

Hình 2.17: Tác dụng của hằng số qn tính Tj đến ổn định HTĐ

24

Hình 2.18: Quan hệ Pmax và cos của MPĐ

24

Hình 3.1: Quy trình nhận dạng ANN

32

Hình 3.2: Mơ hình noron sinh học

33

Hình 3.3: Mơ hình noron nhân tạo

34

Hình 3.4: Mơ hình noron và ký hiệu rút gọn


35

Hình 3.5: cấu trúc một lớp của mạng Perceptron

37

xii


Hình 3.6: Mạng hàm truyền xuyên tâm

38

Hình 3.7: Mạng hồi quy tổng quát

40

Hình 3.8: Mạng noron xác suất

42

Hình 4.1: Minh họa sự cố theo thời gian

47

Hình 4.2: Quy trình thực hiện chẩn đốn an ninh hệ thống điện
Hình 4.3: Quy trình lựa chọn biến đặc trưng

48

50

Hình 4.4: Mơ tả giải thuật Relief

52

Hình 4.5: Minh họa điểm làm việc ổn định gần nhất

55

Hình 4.6: Mơ hình mờ hóa

56

Hình 4.7: Mơ hình cạnh tranh giữa 𝑀1 và 𝑀 2

56

Hình 4.8: Chia dữ liệu theo mức năng lượng

58

Hình 5.1: Mơ hình hệ thống điện 4-máy 10-bus
Hình 5.2: Xếp hạng biến theo trọng số Relief (DSP)

61
63

Hình 5.3: Kết quả đánh giá Train, Test với số biến khác nhau cho DSP


64

Hình 5.4: Biểu diễn bảng lưu trữ dữ liệu

65

Hình 5.5: Các đường cong góc quay Rotor khi mất ổn định

65

Hình 5.6: Đường cong góc quay Rotor của điểm làm việc tìm được khi
có sự cố

66

Hình 5.7: Mờ hóa đồ thị phụ tải

67

Hình 5.8: Phân bố mức năng lượng của dữ liệu ổn định Mức tải 1

67

Hình 5.9: Phân bố mức năng lượng của dữ liệu ổn định Mức tải 2

68

Hình 5.10: Phân bố mức năng lượng của dữ liệu ổn định Mức tải 3

68


Hình 5.11: Kết quả mô phỏng trước (a) và sau điều khiển (b) của điểm
làm việc M1min

70

Hình 5.12: Kết quả mơ phỏng trước (a) và sau điều khiển (b) của điểm
làm việc M1mean

71

Hình 5.13: Kết quả mơ phỏng trước (a) và sau điều khiển (b) của điểm
làm việc M1max

71

Hình 5.14: Kết quả mô phỏng trước (a) và sau điều khiển (b) của điểm
làm việc M2min

71

Hình 5.15: Kết quả mơ phỏng trước (a) và sau điều khiển (b) của điểm
làm việc M2mean

72

Hình 5.16: Kết quả mô phỏng trước (a) và sau điều khiển (b) của điểm
làm việc M1max

72


xiii


Hình 5.17: Kết quả mơ phỏng trước (a) và sau điều khiển (b) của điểm
làm việc M3min

72

Hình 5.18: Kết quả mô phỏng trước (a) và sau điều khiển (b) của điểm
làm việc M3mean

73

Hình 5.19: Kết quả mơ phỏng trước (a) và sau điều khiển (b) của điểm
làm việc M3max

73

Hình 5.20: Xếp hạn biến theo trọng số Relief (DSA)

75

Hình 5.21: Kết quả Train, Test với số biến khác nhau cho (DSA)

75

xiv



DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 5.1: Kết quả đánh giá với số biến đầu vào là 10 và 22(DSP)

64

Bảng 5.2: Kết quả tính tốn mờ hóa đồ thị phụ tải

67

Bảng 5.3: Nhóm dữ liệu theo từng mức tải

69

Bảng 5.4: Mẫu khơng ổn định ở 3 mức tải

69

Bảng 5.5: Kết điều khiển phòng ngừa

70

Bảng 5.6: Kết quả đánh giá với số biến đầu vào là 10 và 22(DSA)

76

xv


Chương 1


MỞ ĐẦU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngành cơng nghiệp đang phát triển đã tạo sức ép lên ngành công nghiệp năng
lượng phải cung cấp đủ công suất điện. Khả năng phát điện sẽ tăng theo tỷ lệ gia tăng
số lượng phụ tải. Việc truyền tải công suất lớn thông qua lưới điện dẫn đến điều kiện
vận hành của các đường dây truyền tải gần với giới hạn làm việc. Ngoài ra, nguồn dự
trữ phát điện rất nhỏ và thường là công suất phản kháng, nhưng cũng không đủ để
đáp ứng nhu cầu phụ tải. Vì những lý do này, các hệ thống điện trở nên dễ bị nhiễu
loạn và mất điện gây thiệt hại nặng nề. Khi tiếp xúc với tình huốn nghiêm trọng, hệ
thống dễ bị mất an ninh động, có thể dẫn đến các hậu quả thảm khốc như cúp điện và
/ hoặc mất điện trên diện rộng [1][2]. Tính cấp thiết đã trở nên hiện hữu khi những
năm gần đây, các sự cố mất điện đã gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nền kinh tế ở
nhiều quốc gia trên thế giới điển hình như: Ấn Độ vào ngày 30 tháng 7 năm 2012 [3]
và ở Mỹ là ngày 24 tháng 08 năm 2003 [1]. Một sự cố mất điện tại miền Bắc Ấn Độ
đã ảnh hưởng đến 14 bang, sự cố kéo dài trong 2 ngày khiến cho hơn 600 triệu người
dân bị ảnh hưởng [3]. Với sự cố mất điện trên diện rộng ở Mỹ ước tính thiệt hại lên
đến 6 tỷ USD. Đáng chú ý, sự cố lại bắt nguồn từ một cây mọc quá cao chạm vào
đường dây điện cao thế. Gần tương tự như sự cố mất điện ở Mỹ [1], ở Việt Nam một
xe cẩu chở cây dầu ( dài 10 m) đã vướng vào đường dây truyền tải 500kV trên tuyến
Di Linh – Tân Định vào lúc 14 giờ 15’ ngày 22 tháng 05 năm 2013. Sự cố này đã gây
mất điện đồng loạt các tỉnh miền Nam. Ước tính có đến 8 triệu khách hàng bị ảnh
hưởng bởi sự cố [4][5]. Trước hậu quả nghiêm trọng do sự cố gây ra, để giảm thiệt
hại và tăng sự an tồn cho HTĐ thì cần có một hệ thống đánh giá nhanh hệ thống điện
nhằm đưa ra cảnh báo sớm để có những hành động phịng ngừa kịp thời.

1


Trong Những năm gần đây, Do khả năng học nhanh quan hệ phi tuyến vào ra
của các điều kiện vận hành hệ thống điện để mô phỏng hoạt động động của hệ thống,

nên mạng nơron ANN (Artificial Neural Network) là phương pháp tiếp cận đánh giá
ổn định hệ thống điện được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Qua nghiên cứu tài liệu,
đề tài đã đi tìm hiểu, tham khảo những cơng trình của nhiều nhà nghiên cứu trong
nước có liên quan đến ứng dụng mạng nơron đánh giá ổn định hệ thống điện [6][7][8].
Kết quả cho thấy, các tác giả tập trung nghiên cứu kỹ thuật xử lý mẫu cho bài toán
đánh giá ổn định động dựa vào biến đặc trưng sự cố [9]. Tuy nhiên an ninh hệ thống
điện có thể được chẩn đốn sớm trước khi sự cố xảy ra dựa trên các biến đặc trưng
của trạng thánh xác lập hệ thống điện [9]. Khi đó, một điều khiển phòng ngừa sẽ giúp
bảo vệ hệ thống điện trước những yếu tố bất ngờ. Vì vậy, nếu cùng lúc kết hợp q
trình chẩn đốn an ninh và đánh giá ổn định hệ thống điện thì hệ thống điện sẽ được
bảo vệ tốt hơn trước những yếu tố nguy hiểm. Từ đó, luận văn này đề xuất hai phương
án nhận dạng hệ thống điện là chẩn đoán an ninh hệ thống điện, đánh giá ổn định hệ
thống điện, kèm theo đó là một chiến lược điều khiển ngăn chăn dựa trên kết quả
chẩn đoán an ninh động.
1.2. Mục tiêu của luận văn:
Xây dựng hai mơ hình nhận dạng: chẩn đốn an ninh động và mơ hình nhận
dạng ổn định động hệ thống điện. Thơng qua q trình chẩn đốn an ninh động đề
xuất một chiến lược điều khiển phòng ngừa nhằm tìm điểm làm việc ổn định khi hệ
thống rơi vào điểm làm việc mất ổn định.
1.3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu:
1.3.1. Nội dung nghiên cứu:
Tìm hiểu về lý thuyết ổn định hệ thống điện.
Nghiên cứu quy trình xây dựng mơ hình chẩn đốn an ninh động và nhận dạng
ổn định động hệ thống điện dựa trên cơ sở mạng nơron.
Nghiên cứu mơ hình điều khiển phịng ngừa cho hệ thống điện
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu:

2



Nghiên cứu tài liệu: Tham khảo các bài báo, các sách về chẩn đoán ổn định hệ
thống điện trong nước và nước ngồi.
Mơ hình hóa và mơ phỏng: Ứng dụng phần mềm Matlab để xây dựng mơ hình
và mơ phỏng việc nhận dạng ổn định và điểu khiển sa thải phụ tải
Mạng nơ ron: Tra cứu, tìm hiểu về mạng nơron nhân tạo ứng dụng trong nhận
dạng và điều khiển hệ thống
Phân tích, tổng hợp: Phân tích, đánh giá dựa trên kết quả mô phỏng
1.4. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định hệ thống điện, lý thuyết mạng nơron
- Nghiên cứu phương pháp xử lý mẫu, chọn biến.
- Nghiên cứu xây dựng mơ hình chẩn đoán an ninh động, nhận dạng ổn định

động và điều khiển hệ thống điện dựa trên cơ sở mạng nơron.
- Nghiên cứu mơ hình đề xuất điều khiển phịng ngừa.

3


Chương 2

TỔNG QUAN
2.1. Chế độ của hệ thống điện
2.1.1 Các chế độ làm việc
Các chế độ làm việc của hệ thống điện được chia làm 2 loại chính: chế độ xác
lập và chế độ quá độ.
Chế độ xác lập: là chế độ trong đó các thơng số của hệ thống không thay đổi
hoặc thay đổi trong những khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung
quanh các trị số định mức, là chế độ bình thường và lâu dài của hệ thống điện, còn
được gọi là chế độ xác lập bình thường. Chế độ sau sự cố hệ thống được phục hồi và
làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập, mà còn được gọi là chế độ xác lập

sau sự cố.
Chế độ quá độ: là chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ
xác lập khác.
Các trạng thái quá độ được định nghĩa là tình trạng hoạt động của một hệ thống
điện được đặc trưng bởi sự thay đổi đột ngột về tải hoặc trong điều kiện ngắn mạch.
Các rối loạn có thể bao gồm sự cố, chuyển đổi các sự kiện, cũng như những thay đổi
đột ngột và đáng kể trong tải. Cả hai hệ thống điện và các hệ thống máy phát đang ở
trong một trạng thái quá độ đặc trưng bởi sự thay đổi trong năng lượng điện, điện áp,
vv cũng như các biến đổi trong tốc độ rotor của máy phát. Quá trình quá độ diễn ra
có thể ổn định hoặc khơng ổn định phụ thuộc mức độ của các kích động. Tính ổn định
hệ thống trong trường hợp này gọi là ổn định động (Dynamic Stability), hay còn gọi
là ổn định quá độ (Transient Stability).
2.1.2 Định nghĩa ổn định hệ thống điện
Ổn định HTĐ là khả năng của hệ thống lặp lại chế độ đồng bộ sau khi đã rơi
vào chế độ mất đồng bộ do các kích động nhỏ hoặc lớn gây ra. Ổn định hệ thống điện
đề cập đến khả năng của các máy phát điện dịch chuyển từ một trạng thái vận hành

4


xác lập đến trạng thái vận hành xác lập khác sau khi bị kích động mà khơng mất đồng
bộ, có hai loại ổn định hệ thống điện : ổn định tĩnh và ổn định động.
2.1.2.1. Ổn định tĩnh
Ổn định tỉnh là khả năng của HTĐ khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc rất gần
chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ [10] . Các kích động nhỏ thường xuyên xảy
ra và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của các thiết bị điều chỉnh..Các kích động này
tác động lên roto của máy phát, phá hủy sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế
độ xác lập tương ứng bị dao động. Chế độ xác lập được giữ nguyên nếu chịu được
các kích động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng cơng suất phải được duy trì hay là sự
cân bằng cơng suất phải được khơi phục sau những kích động nhỏ, trong trường hợp

này ta nói hệ thống có tính ổn định tĩnh.
Để có khái niệm rõ hơn về tính chất ổn định tĩnh, xét trạng thái cân bằng công
suất của một máy phát trong 1 HTĐ đơn giản như Hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điện đơn giản
Chế độ của HTĐ sẽ tồn tại khi công suất cơ Pm của Tuabin cân bằng với công
suất điện Pe .
Pm =P0 =

Với

UE
sinδ=Pmax sinδ
XH

XH =XF +XB1 +XB2 +

(2.1)

XD
2

(2.2)

Trong đó:
XH: điện kháng tổng tương đương của hệ thống
XF: là điện kháng tương đương của máy phát
XB1, B2: là điện kháng tương đương của máy biến áp
XD: là điện kháng tương đương của một đường dây đơn


5


Điều kiện (2.1) được biểu diễn tương ứng trên Hình 2.2. P m được giả thiết là
hằng số không phụ thuộc vào góc, ứng với mỗi giá trị của Pm có hai điểm cân bằng
cơng suất a và b ứng với hai giá trị của góc δ khác nhau.

P

Pmax = P

dP=dδ

P0 = Pm

a

b
Miền
khơng ổn
định

Miền
ổn định

0

gh

δ1


0

δ gh= 90

δ2

δ

Hình 2.2: Đặc tính cơng suất của máy phát và đặc tính cơng suất cơ của Tuabin
Hình 2.2 tồn tại 2 điểm cân bằng a và b tương ứng với các góc lệch δ1 và δ2
Trong đó:

 Pm 

 Pe 

1  arcsin 

(2.3)

 Pm 

 Pe 

 2  180  arcsin 

(2.4)

Pm: là công suất cơ của máy phát

Pe: là công suất điện từ của máy phát
Theo khảo sát được trình bày [10] rút ra điều kiện ổn định tỉnh của HTĐ là:
dP
0
d

Khi

(2.5)

dP
 0 ta có chế độ giới hạn ổn định tỉnh, với điều kiện này ta tìm được
d

cơng suất giới hạn Pgh và góc giới hạn δgh theo ổn định tỉnh.
Trong trường hợp đơn giản:
Pm =P0 =

UE
sinδ=Pmax sinδ
XH

(2.6)

6


P
 Pmax cos   0   gh  900 , Pgh  Pmax



(2.7)

Theo điều kiện (2.5), ta thấy các điểm nằm ở nữa tăng lên của đường đặc tính
cơng suất, với góc δ < 900 thì chế độ ổn định tỉnh, cịn các điểm bên phải góc giới hạn
δ > 900 thì chế độ sẽ khơng ổn định. Tuy nhiên chỉ có điểm cân bằng a là ổn định và
tạo nên chế độ xác lập. Giả thuyết xuất hiện một kích động ngẫu nhiên làm lệch góc
δ khỏi giá trị δ1 một lượng ∆δ > 0 sau đó kích động triệt tiêu. Khi đó, theo các đặc
tính cơng suất, ở vị trí mới, cơng suất điện từ P(δ) lớn hơn cơng suất cơ Pm, do đó
máy phát quay chậm lại, góc lệch δ giảm đi, trở về giá trị δ1. Khi ∆δ > 0 hiện tượng
diễn ra theo tương quan ngược lại Pm< P(δ), máy phát quay nhanh lên, trị số góc
lệch δ tăng và sẽ dừng lại tại δ1 sau một số dao động tắt dần như Hình 2.3, đường 1.
Tóm lại, điểm a hệ thống có khả năng tự khôi phục lại chế độ ban đầu, tức là có ổn
định tỉnh.

Hình 2.3: Đặc tính cơng suất
Trạng thái tại điểm b ngược lại điểm a, khi góc tăng lên một lượng ∆δ thì cơng
suất điện lại giảm đi một lượng ∆P khiến cho công suất cơ lớn hơn cơng suất điện,
làm roto bị tăng tốc và góc δ tăng lên mãi mãi, chế độ này khơng có ổn định tỉnh,
minh họa như đường số 2 của Hình 2.3.
2.1.2.2 Ổn định động

7


Ổn định động là khả năng của hệ thống sau những kích động lớn (nhiễu lớn)
phục hồi trạng thái ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu [11] . Vai trị của hệ thống
điều tốc Tua-bin, hệ thống kích từ, hệ thống chuyển đổi đầu phân áp máy biến áp và
các biện pháp điều khiển khác từ trung tâm điều phối có thể tác động đến sự ổn định
hoặc không ổn định của hệ thống điện trong vài phút sau khi xảy ra sự cố.

Các kích động lớn xảy ra trong HTĐ do các nguyên nhân sau:
- Cắt đường dây tải điện hoặc máy biến áp đang mang tải.
- Cắt hoặc đóng đột ngột các phụ tải lớn.
- Cắt máy điện đang mang tải.
- Ngắn mạch các loại.
Trong các dạng kích động nói trên thì ngắn mạch là nguy hiểm nhất. Vì vậy, ổn
định động của HTĐ được xem xét cho trường hợp ngắn mạch, chỉ có hệ thống ba pha
cân bằng và ngắn mạch cân bằng được xét. Sự biến thiên tần số từ tần số đồng bộ là
tương đối nhỏ, tác động của sóng hài được bỏ qua. Vì vậy hệ thống đường dây truyền
tải, máy biến áp, tổng dẫn tải chủ yếu là xác lập, điện áp, dịng điện, cơng suất có thể
tính tốn từ các phương trình đại số.
Đánh giá ổn định động thường được xem như đánh giá ổn định quá độ [12] .
Đánh giá ổn định động là nhằm để xác định hệ thống điện có thể chịu được những
kích động ngẫu nhiên mà không làm mất sự ổn định. Đánh giá ổn định động có tầm
quan trọng to lớn để vận hành an toàn và đáng tin cậy hệ thống điện. Như vậy, đánh
giá ổn định động của hệ thống điện là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất
trong quá trình thiết kế và vận hành hệ thống điện.
Toàn bộ quá trình q độ có điện xảy ra khi ngắn mạch gồm 3 giai đoạn, trước
khi ngắn mạch, trong khi ngắn mạch và sau khi ngắn mạch. Để có thể khảo sát ổn
định động ta phải xây dựng các đường đặc tính cơng suất tương ứng.
 Đặc tính cơng suất trước khi ngắn mạch P I
Sơ đồ hệ thống điện được mơ ta như Hình 2.1. Sơ đồ thay thế được hình thành
như Hình 2.4. Khi đó đặc tính cơng suất PI được xem như là công suất của máy phát
và được tính như cơng thức (2.1)

8


Hình 2.4: Sơ đồ thay thế hệ thống điện đơn giản
 Đặc tính cơng suất khi ngắn mạch PII

Khi có sự cố ngắn mạch trên đường dây thì sơ đồ HTĐ và sơ đồ thay thế được
minh họa như Hình 2.5.

Hình 2.5: Sơ đồ đặc tính cơng suất điện và sơ đồ thay thế khi ngắn mạch trên
đường dây
Trong sơ đồ thay thế, tại điểm ngắn mạch N có thêm điện trở kháng X∆, phụ
thuộc vào dạng ngắn mạch. Khi đó đường đặc tính cơng suất P II sẽ được tính khi biến
đổi Hình 25b về dạng sao tam giác như Hình 25c.
'
Ta có: X =Xa +X b +

Xa Xb
XΔ

(2.8)

9


Đường đặc tính cơng suất sẽ là (hệ thống thuần kháng nên X E’ = 0):
PII =

UE
sinδ
X '

(2.9)

 Đặc tính công suất sau khi cắt ngắn mạch P III


E

jX’d

jXB1

jX đd

jXB2

U = hs

(b)
E

U

jX’’∑
(c)

Hình 2.6: Sơ đồ đặc tính cơng suất điện và sơ đồ thay thế sau khi ngắn mạch
Đặc tính cơng suất PIII được tính như sau:
PIII =

UE
sinδ
X ''

Trong đó


(2.10)

X'' =X F +X B1 +Xdd +X B 2

(2.11)

Trong luận văn đã áp dụng đánh giá ổn định động hệ thống điện dựa trên góc
rotor (góc cơng suất). Đánh giá thuộc tính động của hệ thống điện trong q trình
ngắn mạch dựa trên quan sát mối quan hệ giữa các góc cơng suất của các máy phát
điện. Khi đó trạng thái cân bằng mômen quay trong máy phát bị phá vỡ, dẫn đến các
sai lệch lớn của góc quay rotor. Trong[11][13] ổn định góc rotor đề cập đến khả năng
của các máy phát điện đồng bộ có mối liên kết với nhau để vẫn duy trì tính đồng bộ
sau khi chịu một kích động lớn.
Sự mất ổn định xảy ra trong suốt vịng quay đầu tiên, như đường cong a Hình
2.7. Trong các hệ thống lớn, ổn định quá độ có thể khơng xảy ra trong vịng quay đầu
tiên. Nó có thể là kết quả của việc xếp chồng nhiều chế độ dao động, điều này có thể

10


dẫn đến sự sai lệch lớn hơn của góc quay rotor trong các vòng quay kế tiếp, như
đường cong b của Hình 2.7. Đường cong c của Hình 2.7 cho thấy ổn định q độ khi
hãm các vịng quay góc rotor. Khung thời gian khảo sát hữu ích có thể từ 1 – 3 giây.

Hình 2.7: Ổn định góc quay rotor dưới các chế độ quá độ hệ thống điện khác
nhau.
Hệ thống điện ổn định nếu bất kỳ góc cơng suất tương đối của máy phát thứ i δi
so với máy phát thứ j j không vượt quá 1800. Ngược lại, nếu góc cơng suất tương đối
vượt q 1800 thì hệ thống mất ổn định.
Tiêu chuẩn để đánh giá ổn định là:

Nế u  ij  1800 ổn định
Nế u  ij  1800 khô ng ổ n định

Để đánh giá hệ thống ổn định hay không ổn định sau kích động lớn có nhiều
phương pháp tốn được áp dụng. Trong đó, các phương pháp tích phân số có thể xác
định sự ổn định và góc cơng suất lớn nhất thơng qua giải phương trình dao động phi
tuyến cho mỗi máy đối với hệ thống nhiều máy. Tuy nhiên, các phương pháp phân
tích truyền thống tốn nhiều thời gian giải nên gây chậm trễ trong việc ra quyết định.
Dó đó, với yêu cầu rất khắc khe về thời gian tính tốn, tính nhanh nhưng phải chính

11


xác, nên luận văn đã ứng dụng phương pháp khác hiệu quả hơn, đó là phương pháp
nhận dạng sử dụng ANN.
Tuy nhiên, trước khi đi vào nghiên cứu cụ thể phương pháp sẽ được vận dụng
để chẩn đoán ổn định động trong hệ thống điện, cần phải nhắc đến phương trình cơ
bản để xác định thuộc tính động rotor và mơ hình đơn giản hóa máy phát được sử
dụng trong các nghiên cứu ổn định quá độ, đó là phương trình chuyển động rotor [11].
2.2. Phân tích ổn định
2.2.1. Phương trình dao động
Phương trình dao động liên quan đến chuyển động của rotor [11][12], được
viết lại như sau:
J

d 2 r
 Tm  Te
dt 2

(2.12)


Trong đó J là moment qn tính kg-m2, ωrlà tốc độ góc của rotor, cơ học rad,
Tm là moment cơ và Te là moment điện N-m. Các đại lượng này có thể được chuyển
sang hệ đơn vị tương đối bởi mối quan hệ giữa H, hằng số qn tính và J, moment
qn tính:
2H

Trong đó:

d 2 ru
 Tmu  Teu
dt 2

H

(2.13)

J 02m
vaø
2VAbase

ru 

r
0

(2.14)

Chỉ số dưới u cho biết các giá trị thuộc hệ đơn vị tương đối. H là hằng số quán
tính, định nghĩa với các đơn vị phổ biến của Hoa Kỳ:






2.31 RPM 2  WR 2 lb / ft 2 10 10
H
MW  s / MVA
MVA rating of machine

(2.15)

H biến thiên không quá lớn đối với các máy điện khác nhau. Cần quan tâm nhiều
hơn khi lập phương trình dao động trong các giới hạn của góc quay rotor ở độ điện
bằng việc đối chiếu với tốc độ đồng bộ tham chiếu 0, tại t = 0. Góc  dễ dàng được
giải thích từ các sơ đồ phasor của máy điện:

12


  r t  0t   0
  r  0  r

(2.16)

  0 ru
Do đó, chúng có thể được viết như sau:

2H d 2
 Tmu - Teu

0 dt 2

(2.17)

Cộng thơng số khác với phương trình này để tính tốn giảm xóc, tỉ lệ tốc độ.
Khi đó phương trình trở thành:
2 H d 2
 Tmu  Teu  K Dru
0 dt 2

(2.18)

Phương trình (2.18) được gọi là phương trình dao động. Nó có thể được biểu
diễn dưới hai phương trình vi phân bậc nhất như sau:
d r
1
Tm  Te  K D  r 

dt
2H
d
  0  r
dt

(2.19)

Chỉ số dưới u đã được giảm thiểu và ở đây phương trình được hiểu là sử dụng
đơn vị tương đối.
Tuyến tính hóa:
1

Tm  K1  K D r 
2H
   0  r
 r 

(2.20)

K1 (đơn vị tương đối P/rad) = hệ số đồng bộ.
Giới hạn K1 có thể được gọi là cơng suất đồng bộ, có tác dụng tăng và giảm
quán tính để đưa hệ thống về điểm làm việc ổn định, nếu có. Đối với các sai lệch nhỏ,
K1 là độ dốc của đường cong góc cơng suất q độ, tại điểm làm việc ổn định riêng
biệt, như thể hiện ở Hình 2.8:

K1 

VEq
dP

cos  0
d   0 X d  X e

13

(2.21)


Hình 2.8: Đặc tính đường cong góc cơng suất
Đối chiếu với Hình 2.9 của một máy phát đồng bộ kết nối với một thanh cái vô
hạn thông qua điện kháng Xe, và bỏ qua phần dư, E′ là điện áp nội phía sau điện kháng
quá độ, Eq là điện áp nội phía sau điện kháng đồng bộ, V là điện áp thanh cái vô hạn,

Vt là điện áp đầu cực máy phát, và  là góc giữa E′qvà V.
Phương trình (2.18) điều chỉnh đáp ứng động, có tần số dao động khoảng:
n 

K1 s
rad / s
2H

(2.22)

Hình 2.9: (a) Máy phát kết nối với thanh cái vô hạn thông qua điện kháng ngoại.
(b) Sơ đồ phasor của máy phát kết nối với thanh cái vô hạn.

14