ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

DƯƠNG THỊ LỆ HUYỀN

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU VỊ TRÍ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG
ĐO LƯỜNG PHA (PMU)

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số:

8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2021


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN PHÚC KHẢI
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Huỳnh Văn Vạn
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa,
Đại học Quốc gia Tp. HCM ngày 14 tháng 08 năm 2021. (Trực
tuyến)

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Trần Hoàng Lĩnh

- Chủ tịch hội đồng

2. TS. Huỳnh Quang Minh

- Thư ký

3. TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

- Phản biện 1

4. TS. Huỳnh Văn Vạn

- Phản biện 2

5. TS. Đinh Hoàng Bách

- Ủy Viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản
lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: DƯƠNG THỊ LỆ HUYỀN.............................. MSHV:1970041
Ngày, tháng, năm sinh: 07/11/1996 ........................................... Nơi sinh: Quảng Ngãi
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện ..................................................... Mã số : 8520201
I. TÊN ĐỀ TÀI : “NGHIÊN CỨU TỐI ƯU VỊ TRÍ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG ĐO
LƯỜNG PHA (PMU) ”.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
- Tìm hiểu về định nghĩa, cấu tạo, nguyên lý hoạt động cơ bản của thiết bị đo
lường pha (PMU)
-

Xây dựng bài toán quy hoạch tuyến tính để tính tốn tối ưu số lượng PMU.

-

Tìm hiểu về bài tốn quy hoạch tuyến tính.

-

Tính toán tối ưu số lưọng PMU cho hệ thống điện 7 nút, IEEE 14 nút và hệ
thống điện 500kV Việt Nam

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 22/02/2021
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/06/2021
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN PHÚC KHẢI
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2021.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Nguyễn Phúc Khải

TS. Nguyễn Nhật Nam

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

PGS.TS. Đỗ Hồng Tuấn


HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay là hồn
thành khóa luận tốt nghiệp sau đại học, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp
đỡ của q thầy cơ, gia đình và bạn bè. Đó là động lực rất lớn để em vượt qua những
khó khăn và hồn thành các chương trình học tập tại trường.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô Khoa Điện
– Điện tử Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh những người đã dùng tri thức
và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt
thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Phúc Khải đã hết lịng hướng dẫn tận tình
và truyền đạt cho em những kiến thức quý báu để em thực hiện đề tài này.
Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô trong khoa Điện – Điển tử nói riêng và

tồn thể Thầy Cơ trường Đại học Bách Khoa TP.HCM nói chung thật dồi dào sức
khỏe, niềm tin để tiếp tục sự nghiệp trồng người và truyền đạt kiến thức cho các thế
hệ mai sau.
Trân trọng,
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021
Học viên thực hiện

Dương Thị Lệ Huyền

Trang ii


HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TĨM TẮT LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU VỊ TRÍ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG PHA
(PMU)
Luận văn trình bày định nghĩa, cấu tạo cơ bản và nguyên lý hoạt động của một bộ
PMU, phương pháp tính tốn tối ưu số lượng PMU. Dựa trên bài tốn quy hoạch
tuyến tính số ngun để tính tốn tối ưu vị trí lắp đặt PMU khi hệ thống sử dụng tổng
hợp các phép đo. Các phép đo bao gồm đo dịng cơng suất (power flow) từ thanh cái
a sang thanh cái b, và phép đo tiêm (zero-injection measurement) tại 1 thanh cái cũng
như các đo lường phasor được cung cấp bởi bộ PMU. Sau đó áp dụng cơng cụ tính
tốn tối ưu của phần mềm MATLAB giúp tính tốn số lượng PMU tối thiểu hệ thống
điện có 7 nút, IEEE 14 nút và hệ thống lưới 500kV Việt Nam. Kết quả cho thấy hệ
thống điện 500kV Việt Nam với ước lượng 37 thanh cái 500kV thì số lượng PMU tối

thiểu là 10 bộ.

ABSTRACT

STUDY ON OPTIMAL PLACEMENT OF PHASOR MEASUREMENT
UNIT
The thesis presents the definition, basic structure and operating principle of a set
of PMUs, the optimal calculation method for the number of PMUs. Based on the
linear programming problem to calculate the optimal installation location of the PMU
when using a mixed measurement set. The measurements will include conventional
power flow injection measurement as well as phasor measurements for voltages and
line currents provided by the PMU unit. . Then apply the optimal calculation tool of
MATLAB software to help calculate the minimum number of PMUs for power
systems with 7 nodes, IEEE 14 nodes and Vietnam's 500kV grid system. The results
show that for a 500kV power system in Vietnam with an estimate of 37 500kV
busbars, the minimum number of PMUs is 10 sets.

Trang iii


HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn thạc sĩ này được thực hiện tại Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí
Minh. Là cơng trình do tơi nghiên cứu, thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS.
Nguyễn Phúc Khải.

Tôi xin cam đoan phần trình bày dưới đây là đúng sự thật về quá trình nghiên cứu
thực hiện luận văn của tơi. Trường hợp có khiếu nại gì liên quan tới luận văn tơi hồn
tồn chịu trách nhiệm.
Người thực hiện

Dương Thị Lệ Huyền

Trang iv


HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ....................................................................3
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN...................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ iv
MỤC LỤC .............................................................................................................v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................ viii
DANH MỤC BẢNG............................................................................................ ix
MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
1.

Đặt vấn đề: .................................................................................................1

2.


Mục tiêu luận văn: ......................................................................................2

3.

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

4.

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

5.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:.......................................................................3

CHƯƠNG 1: SỰ CẦN THIẾT TRANG BỊ HỆ THỐNG PMU ....................4
1.1 Hệ thống điện Việt Nam ............................................................................4
1.2 Sự cần thiết của việc trang bị hệ thống đo lường đồng bộ pha: .................5
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PMU ..........................................7
2.1 Định nghĩa ..................................................................................................7
2.2 Cấu tạo cơ bản của bộ PMU.......................................................................7
2.3 Sơ đồ đấu nối cơ bản của thiết bị PMU .....................................................8
2.4 So sánh giữa SCADA truyền thống khi có trang bị và không được trang bị
PMU

....................................................................................................................9

2.5 Các luật quan sát cơ bản của PMU ..........................................................11
2.6 Các hệ thống ứng dụng PMU trên thế giới và hiện trạng ở Việt Nam: ...12
2.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu: .............................................................12

Trang v


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

2.8 Kết luận ....................................................................................................14
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU SỐ LƯỢNG PMU ..........15
3.1 Xây dựng bài toán tối ưu số lượng PMU .................................................15
3.2 Mơ hình tốn tối ưu vị trí của PMUs: ......................................................15
3.3 Kết luận ....................................................................................................18
CHƯƠNG 4: BÀI TỐN QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH SỐ NGUN....19
4.1 Bài tốn tối ưu: .........................................................................................19
4.2 Bài tốn quy hoạch tuyến tính:.................................................................20
4.3 Bài tốn quy hoạch tuyến tính số ngun: ...............................................21
4.4 Sử dụng cơng cụ MATLAB giải bài tốn tối ưu tuyến tính số ngun: ..22
4.5 Kết luận ....................................................................................................23
CHƯƠNG 5:

ÁP DỤNG TÍNH TỐN TỐI ƯU SỐ LƯỢNG PMUs

TRONG MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỂN HÌNH ...........................................24
5.1 Với hệ thống 7 nút:...................................................................................24
5.2 Với hệ thống IEEE-14 nút:.......................................................................26
5.3 Kết luận ....................................................................................................32
CHƯƠNG 6: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN TỐI ƯU SỐ LƯỢNG PMUs HỆ
THỐNG ĐIỆN 500kV VIỆT NAM .......................................................................33
6.1 Lưới điện 500kV Việt Nam: ....................................................................33

6.2 Xây dựng các ma trận thành phần ............................................................33
6.3 Kết quả: ....................................................................................................38
KẾT LUẬN CHUNG ..........................................................................................40
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................42
PHỤ LỤC.............................................................................................................44
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG................................................................................45

Trang vi


HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ADC

Analog to Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự số

DER

Distributed Energy Resources

Nguồn năng lượng phân tán

EV


Electric Vehicle

Phương tiện điện

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị

IEEE

Institute of Electrical and

Viện Kĩ sư Điện - Điện tử

Electronics Engineers
PMU

Phasor Measurement Unit

Thiết bị đo lường pha

RTU

Remote Terminal Unit

Thiết bị đầu cuối

WAMS


Wide Area Monitoring System

Hệ thống theo dõi diện rộng

Trang vii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Sơ đồ khối cơ bản của Bộ PMU ..................................................................7
Hình 2.2 Sơ đồ đấu nối của bản của thiết bị PMU tại một trạm biến áp ..................8
Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động cơ bản của PMU .......................................................9
Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống 7 nút..................................................................................24
Hình 5.2 Kết quả tính tốn cho hệ thống 7 nút trên Matlab ....................................26
Hình 5.3 Sơ đồ đơn tuyến hệ thống lưới điện IEEE 14 nút......................................27
Hình 5.4 Kết quả tính tốn cho hệ thống 14 nút trường hợp 1 trên Matlab ............29
Hình 5.5 Kết quả tính tốn cho hệ thống 14 nút trường hợp 2 trên Matlab ............31
Hình 6.1 Kết quả tính toán cho hệ thống thanh cái 500kV trên Matlab ..................38

Trang viii


HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 So sánh đặc điểm giữa SCADA và PMU ...................................................10
Bảng 2.2 Tóm tắt các phương pháp có thể áp dụng tính tốn tối ưu........................13
Bảng 5.1 Tóm tắt kết quả tính tốn cho hệ thống điện 7 nút và 14 nút ....................31
Bảng 5.2 So sánh kết quả tính tốn giữa luận văn và một số nghiên cứu đã được công
bố ...............................................................................................................................32
Bảng 6.1 Thống kê thanh cái 500kV trên hệ thống điện Việt Nam ...........................33

Trang ix


HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề:
Hệ thống điện là một hệ thống lớn, hoạt động trong thời gian thực, kéo dài trên
toàn bộ lãnh thổ, đến tận các vùng hải đảo, đóng vai trị cực kỳ quan trọng trong việc
đảm bảo năng lượng cho sản xuất và đời sống của người dân. Hệ thống điện được
trang bị các thiết bị điện, điện tử, đo lường, điều khiển, bảo vệ, thông tin liên lạc hiện
đại nhằm đảo bảo hệ thống vận hành an toàn, tin cậy và kinh tế. Tuy nhiên, do nhiều
yếu tố ngẫu nhiên bất định, mặc dù được quy hoạch và thiết kế tương đối hoàn hảo,
hệ thống điện vẫn xảy ra sự cố gây mất điện diện rộng với các hậu quả cực kỳ nghiêm
trọng.
Gần đây, việc tích hợp các nguồn năng lượng phân tán (DERs) bao gồm các nguồn
năng lượng tái tạo, các phương tiện điện (EV) và các yêu cầu đáp ứng trong các mạng

lưới phân phối tăng lên đáng kể đã gây thay đổi lớn trong kết cấu lưới. Với sự phức
tạp này có thể gây ra sự khơng chắc chắn và có thể là dịng điện/cơng suất hai chiều
trong mạng phân phối, điều này làm cho việc giám sát và vận hành lưới truyền tải
cũng như lưới phân phối trở nên phức tạp hơn.
Hiện tại, hầu hết các hệ thống điện sử dụng hệ thống điều khiển giám sát và thu
thập dữ liệu (SCADA), để giám sát và điều khiển lưới điện phân phối. Hệ thống
SCADA nhận dữ liệu từ các thiết bị đo lường thông thường được cài đặt tại các vị trí
phân tán của hệ thống, từ đó ghi lại các giá trị điện áp khơng đồng bộ, cường độ dịng
điện và dịng cơng suất phản kháng thực với độ phân giải thấp, thời gian đáp ứng lớn.
Do đó đối hệ thống SCADA và RTU (thiết bị đầu cuối) thông thường sẽ không cho
phép các bộ ghi nhận hiển thị pha các tín hiện dịng điện, điện áp thời gian thực của
tất cả các nút trong hệ thống tại vì khối lượng tính tốn lớn và khó khăn do phải phối
hợp đồng bộ dữ liệu với nhau. Nếu thực hiện được điều này sẽ cho phép dự báo sớm
các nút xung yếu dễ mất ổn định và có thể nắm bắt các yếu tố động của mạng điện
hiện tại.
Thiết bị đo lường đồng bộ pha (PMU) là thiết bị đo lường tiên tiến nhất để giám
sát mạng điện. PMU cho phép đo tín hiệu dịng điện, điện áp trong hệ thống điện về

Trang 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

cả độ lớn, góc pha và đồng bộ hóa thời gian lấy mẫu tín hiệu lấy từ vệ tinh, cho phép
đồng bộ hóa thời gian thực trong hệ thống, giúp người vận hành hệ thống đo trạng
thái của hệ thống điện cả về điện áp, dòng điện các pha của máy phát, máy biến áp,
đường dây, tải, do đó quản lý được chất lượng hệ thống, sự thay đổi tần số, công suất

tác dụng, công suất phản kháng, ….
Trong những năm gần đây, thiết bị đo lường đồng bộ pha ngày càng được ứng
dụng rộng rãi, giúp cải thiện khả năng theo dõi, vận hành hệ thống điện. Tại nhiều
quốc gia, thiết bị PMU đã được phát triển và sử dụng rộng rãi, tuy nhiên ở Việt Nam
thì việc nghiên cứu sử dụng thiết bị này vẫn còn hạn chế.
Với sự đa dạng các ứng dụng từ việc lắp đặt hệ thống PMU: giám sát, chẩn đoán,
điều khiển, ..., và các lợi ích là độ tin cậy cao, có khả năng phục hồi, hiệu quả thì việc
tính tốn tối ưu vị trí lắp đặt PMU cũng được cân nhắc để giảm thiểu chi phí lắp đặt
và vận hành trong khi vẫn đảm bảo khả năng quan sát toàn bộ hệ thống.
“Nghiên cứu tối ưu vị trí lắp đặt hệ thống đo lường pha” được tác giả đặt ra nhằm
nghiên cứu thuật toán giải pháp tối thiểu số lượng PMU trong lưới điện 500kV hiện
hữu nói chung và định hướng cho toàn bộ hệ thống điện Quốc gia.
2. Mục tiêu luận văn:
Mục tiêu của luận văn là khảo sát, phân tích, đánh giá ưu và nhược điểm của việc
sử dụng PMU trong hệ thống điện. Tối ưu số lượng PMU lắp đặt trong khi vẫn đảm
bảo khả năng quan sát toàn bộ hệ thống.
3. Phương pháp thực hiện:
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là dựa vào các cơ sở lý thuyết.
-

Tìm hiểu lý thuyết về PMU và các thiết bị bảo vệ, tìm hiểu ứng dụng, phương
pháp tối ưu.

-

Tìm hiểu phân loại các phương pháp có thể tối ưu vị trí lắp đặt PMU trong hệ
thống điện.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là sử dụng phương pháp tối ưu tuyến tính số

ngun vào việc tính tốn tối ưu số lượng PMU.
Trang 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là tối ưu số lượng và vị trí PMU trong mạng điện
điển hình IEEE 7 nút, IEEE 14 nút, và lưới điện 500kV hiện hữu của hệ thống điện
Quốc gia Việt Nam.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Nghiên cứu bài toán tối ưu tuyến tính số ngun, từ đó giải quyết bài toán số lượng
PMU.
Đề xuất giải pháp lắp đặt tối ưu PMU cho hệ thống điện 500kV nói riêng, và cho
hệ thống điện Quốc gia nói chung.

Trang 3


HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1:
SỰ CẦN THIẾT TRANG BỊ HỆ THỐNG PMU
1.1


Hệ thống điện Việt Nam

Cùng với sự phát triển của nguồn điện nhằm đáp ứng tốc độ tăng trưởng phụ tải
cao, hệ thống điện truyền tải xương sống 500kV liên kết các miền đóng vai trị rất
quan trọng trong việc cung cấp, trao đổi điện năng an toàn và kinh tế. Đến nay Việt
Nam đã hình thành hệ thống truyền tải siêu cao áp 500kV Bắc – Trung – Nam với 2
mạch 500kV từ Sơn La tới Pleiku và 4 mạch 500kV (bao gồm 2 mạch đơn và một
mạch kép) từ Pleiku tới Chơn Thành, Tân Định. Mạch 3 đường dây 500kV Bắc –
Trung – Nam đang được xây dựng dự kiến đưa vào vận hành cuối năm 2021.
Với xu hướng truyền tải ngày càng lớn về công suất lẫn sản lượng, việc vận hành
hệ thống điện 500kV trở nên phức tạp. Thực tế quá trình vận hành hệ thống điện ở
Việt Nam cho thấy, mặc dù chế độ vận hành hệ thống được tính tốn và phân tích kỹ
lưỡng trong quá trình lập quy hoạch, lập báo cáo, thiết kế, lên kế hoạch và xây dựng
cho phương thức vận hành hệ thống, các sự cố vẫn xảy ra và gây nên những thiệt hại
lớn. Trong những năm gần đây, các sự cố diện rộng quy mô lớn ở Việt Nam có thể
kể đến [1]:
-

Ngày 26/04/2013 sự cố nhảy 2 mạch đường dây 500kV Hà Tĩnh – Đà nẵng
mất 1000MW, gây mất liên kết hệ thống Bắc – Nam;

-

Ngày 22/05/2013, sự cố đường dây Di Linh – Tân Định đã dẫn mất điện diện
rộng trong tồn bộ các tỉnh phía Nam;

Cho đến nay, cơ chế của các sự cố diện rộng đã được hiểu biết tương đối rõ ràng.
Về cơ bản, sự cố diện rộng được xuất phát từ tình trạng làm việc nặng tải của hệ
thống, kèm theo sự cố mất đi một hoặc một số phần từ quan trọng dẫn đến mất ổn
định các thông số vận hành. Kéo theo đó, các rơ le bảo vệ tác động hàng loạt, dẫn đến

mất điện trên diện rộng hoặc rã lưới. Mặc dù cơ chế của các sự cố đã được hiểu rõ,
việc ngăn ngừa chúng đang trở thành bài toán rất phức tạp. Hiện nay một số giải pháp
để phòng và tránh sự cố mất điện diện rộng đã được thiết kế và vận hành trong lưới
điện Quốc gia như sau [1]:
Trang 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

-

Hệ thống sa thải theo tần số thấp (F81);

-

Hệ thống sa thải phụ tải đặc biệt bổ sung;

-

Các mạch sa thải nguồn, hiệu chỉnh sa thải tổ máy miền Bắc;

-

Các mạch sa thải đặc biệt khi sự cố 1 phần tử đường dây/máy biến áp quan
trọng;

-


Các mạch sa thải phụ tải theo điện tại Phú Lâm, Tân Định và một số trạm
220kV miền Nam.

Các mạch sa thải trên đóng vai trị quan trọng trong cơng tác vận hành hệ thống
điện, phòng chống mất điện diện rộng.
1.2

Sự cần thiết của việc trang bị hệ thống đo lường đồng bộ pha:

Thực tế cho thấy, để có thể kịp thời đưa ra các phương án phù hợp nhằm ngăn chặn
các sự cố mất điện diện rộng, nhân viên vận hành cần được trang bị các cơng cụ đủ
mạnh để phân tích, đưa ra được các cảnh báo nhanh chóng, chính xác về tình trạng
vận hành của hệ thống điện trong thời gian thực. Hơn nữa, hệ thống cần được trang
bị các cấp bảo vệ để có thể thực hiện một loạt các hành động tự động trước khi hệ
thống bị tan rã.
Như đã trình bày ở trên, các sự cố diện rộng có thể xảy ra khi hệ thống vận hành ở
chế độ biên, xuất phát từ một hoặc một vài phần tử bị tách ra khỏi vận hành và gây
phản ứng dây chuyền dẫn đến việc hàng loạt các phần tử bị tách ra khỏi vận hành.
Trong khi đó, nhược điểm lớn của các hệ thống điều khiển và giám sát truyền thống
là không cung cấp được các thông số mang tính động của hệ thống. Hơn nữa sự cố
gây nên mất điện diện rộng có thể xuất hiện và diễn biến trong thời gian ngắn, mà
nhân viên vận hành không thể kịp đưa ra các phân tích hay tính tốn nhằm đưa ra
được các quyết định hợp lý. Các mạch sa thải và liên động hiện hữu lúc này sẽ tác
động đúng nằm phòng tránh cho sự cố lan rộng. Tuy nhiên, các mạch này thiết kế cho
những trường hợp cụ thể và có thể sẽ khơng đạt hiệu quả mong muốn khi cấu hình
của hệ thống thay đổi.
Hiện trạng và thực tế nêu trên đã dẫn đến nhu cầu cấp thiết cần tăng cường khả
năng quan sát và đánh giá nhanh trạng thái làm việc của hệ thống điện trong thời gian
Trang 5



LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

thực, từ đó đưa ra các cảnh báo, hoặc các quyết định điều khiển phù hợp nhằm giải
trừ nguy cơ xảy ra các sự cố diện rộng. Để thực hiện được yêu cầu trên, cần có hệ
thống đo lường giám sát hệ thống điện diện rộng, kết hợp các cơng cụ tính tốn phù
hợp để đánh giá trạng thái làm việc của hệ thống điện trong thời gian thực. Một trong
những giải pháp đưa ra để giải quyết được những hạn chế trên đó là cơng nghệ đo
lường đồng bộ góc pha đang rất phát triển, đem lại những bước tiến mới trong việc
giám sát và đánh giá trạng thái của hệ thống.
Hơn nữa, việc trang bị thiết bị PMU trong hệ thống điện là phù hợp với định hướng
phát triển Lưới điện Thông minh tại Việt Nam theo Quyết định 1670/QĐ-TTg ngày
08/11/2012 của Thủ tướng Chính phủ về việc đề án phát triển Lưới điện thông minh
tại Việt Nam [2].

Trang 6


HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2:
TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PMU
2.1


Định nghĩa

Theo định nghĩa của IEEE thì thiết đo góc pha – Phasor Measurement Unit (PMU)
là thiết bị có khả năng đồng bộ góc pha, tần số và tốc độ thay đổi của tần số thơng
qua việc đo các tín hiệu điện áp và/hoặc dịng điện và tín hiệu đồng bộ thời gian.
Thiết bị PMU có thể thực hiện các chức năng khác và được đặt tên theo các chức
năng này.
2.2

Cấu tạo cơ bản của bộ PMU

Một thiết bị PMU đảm bảo chức năng chính là đo lường, đồng bộ và truyền dữ liệu.
Theo đó mỗi thiết bị PMU sẽ gồm 3 chính như sau [3]:
-

Module thu tín hiệu GPS:

-

Module thu thập dữ liệu

-

Module truyền thơng

Hình 2.1 Sơ đồ khối cơ bản của Bộ PMU
Module thu tín hiệu GPS cho phép đồng bộ tín hiệu với vệ tinh GPS. Tín hiệu này
được dùng để hiệu chỉnh với thiết bị đồng bộ tạo xung tại hiện trường, đảm bảo tính


Trang 7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

chính xác cho thiết bị thời gian thực. Module cung cấp tính hiệu định thời cho module
thu thập dữ liệu, qua đó đảm bảo việc lấy mẫu tín hiệu cường độ dịng điện và điện
áp chính xác theo thời gian thực.
Module thu thập dữ liệu có chức năng lấy mẫu các thơng số dịng điện, xử lý, tính
tốn, đưa ra các giá trị tần số, cường độ, điện áp, cơng suất, dịng điện, ...., đồng bộ
thời gian cho các dữ liệu đó.
Module thu thập dữ liệu đóng vai trị quan trọng đối với thiết bị PMU, cấu tạo chung
bao gồm: các mạch hạ áp và mạch lọc chống nhiễu, bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự
- số và bộ xử lý tính tốn số học chun dụng.
Module truyền thơng đảm nhiệm giao tiếp người và máy, tiếp nhận các dữ liệu thu
được, lưu lại các sự kiện xảy ra trên hệ thống, truyền đi các số liệu đã được gán giá
trị định thời tới các hệ thống thu thập dữ liệu và điểu khiển giám sát, đồng thời nhận
các lệnh điều khiển từ trung tâm để tương tác với hệ thống điện.
2.3

Sơ đồ đấu nối cơ bản của thiết bị PMU

Hình 2.2 Sơ đồ đấu nối của bản của thiết bị PMU tại một trạm biến áp [4]
Tín hiệu đo lường cấp cho PMU là dòng điện, điện áp tại các điểm nút quan trọng
trong hệ thống (các nhà máy điện, các trạm biến áp quan trọng). Sơ đồ đấu nối cơ bản
Trang 8



LUẬN VĂN THẠC SĨ

HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

của thiết bị PMU được thể hiện theo như hình trên. Đầu vào là các tính hiệu gửi đến
từ các biến dòng điện và biến điện áp đặt tại các ngăn lộ trạm.

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động cơ bản của PMU [5]
Thiết bị PMU sử dụng thời gian chuẩn dựa trên đồng hồ vệ tinh, qua đó cho phép
các tín hiệu tại các vị trí khác nhau trong hệ thống được đo trong cùng một mốc thời
gian. Với độ chính xác cao, qua đó cho phép so sánh được góc pha giữa các điểm
khác nhau trong hệ thống điện (hình minh họa trên). Việc xác định được góc pha
tương đối giữa các nút trong hệ thống mang lại rất nhiều ứng dụng mới cho phân tích
hệ thống trong thời gian thực. Độ chênh lệch góc pha giữa các nút đặc trưng cho trào
lưu công suất truyền tải giữa chúng và là một thông tin quan trọng cho phép đánh giá
mức độ ổn định của hệ thống điện.
2.4

So sánh giữa SCADA truyền thống khi có trang bị và khơng được trang

bị PMU
Thiết bị PMU rất phù hợp để theo dõi các trạng thái của hệ thống điện trong thời
gian thực. PMU có sự tiến bộ đáng kể so với hệ thống SCADA/EMS, trong khi hệ
Trang 9


HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải


LUẬN VĂN THẠC SĨ

thống SCADA/EMS là hệ thống có tốc độ cập nhật từ vài giây đến vài phút, chỉ đo
các giá trị RMS chứ khơng đo các giá trị góc pha thì PMU thường có tốc độ cập nhật
cao, mỗi giá trị đo được dán nhãn thời gian và được đồng bộ hóa với độ chính xác
cao thơng qua hệ thống GPS và có thể đo được các giá trị pha (biên độ và góc pha)
của dịng điện và điện áp. Bằng cách sử dụng phép đồng bộ hóa về thời gian từ vệ
tinh GPS và mạng lưới truyền thông tốc độ cao, PMU cho phép phối hợp dòng dữ
liệu thu được từ các điểm trên lưới qua hệ thống thu thập dữ liệu tại trung tâm điều
khiển. Các thông tin này có thể được hiển thị cho đơn vị vận hành và có nhiều ứng
dụng trên diện rộng. Trong lĩnh vực theo dõi, vận hành hệ thống điện, có thể kể đến
các ứng dụng [6]:
 Các ứng dụng giám sát diện rộng:
-

Tăng cường khả năng quan sát và độ tin cậy của hệ thống giám sát lưới điện;

-

Phát hiện và đánh giá các dao động công suất trong hệ thống điện;

-

Đánh giá ổn định tần số của hệ thống;

-

Đánh giá ổn định điện áp và cảnh báo sớm nguy cơ sụp đổ điện áp;


 Các ứng dụng off-line:
-

Xây dựng và cập nhật mơ hình các thiết bị trong hệ thống;

-

Xây dựng đáp ứng tần số của hệ thống;

-

Xây dựng trình tự các sự kiện và xác định điểm sự cố;

 Các ứng dụng điều khiển và bảo vệ diện rộng:
-

Trợ giúp q trình khởi động đen và khơi phục hệ thống điện;

-

Bảo vệ chống mất đồng bộ diện rộng;

-

Điều khiển ổn định các dao động công suất;
Bảng 2.1 So sánh đặc điểm giữa SCADA và PMU

STT

Đặc điểm


1

Độ phân giải

2
3

Khả năng quan sát
Đo góc pha

SCADA khơng
SCADA khi có
trang bị PMU
trang bị PMU
1 mẫu mỗi (2-4) giây (10-120) mẫu mỗi
giây
Trạng thái ổn định
Trạng thái động
Khơng
Có

Trang 10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

4

HVTH: Dương Thị Lệ Huyền

GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

Đồng bộ hóa thời gian

Các phép đo được
Các phép đo khơng
đồng bộ hóa theo thời
được đồng bộ hóa
gian
5
Giám sát và điều khiển
Cục bộ
Diện rộng và cục bộ
Nhờ vào công nghệ đo của PMU, người vận hành có thể thu thập được số liệu điện
áp với tốc độ nhanh hơn nhiều so với hệ thống SCADA và do đó có thể đưa ra các
quyết định kịp thời.
2.5

Các luật quan sát cơ bản của PMU

2.5.1 Khái niệm cơ bản
-

Nút quan sát trực tiếp là nút mà tại đó được lắp đặt PMU, cả độ lớn và góc pha
điện áp, tại nút được đo trực tiếp.

-

Nút quan sát được là nút mà điện áp phức của nó được xác định từ các thông
số đo của các PMU khác trên lưới.


-

Nút không quan sát được là nút là mà điện áp của nút đó khơng được xác định.

-

Nút lân cận của một nút là nút có nối với nút đó qua một nhánh.

-

Hệ thống là quan sát đầy đủ nếu tất cả các nút trong lưới điện đều được quan
sát.

Dựa trên cơ sở các Định luật Ohms và Định luật Kirchhoff, các luật quan sát cơ
bản của PMU như sau:

-

Trong đó:
: Vị trí được lắp đặt thiết bị PMU;
: Vị trí khơng được lắp đặt thiết bị PMU.

-

Luật quan sát 01: Tại vị trí nút lắp đặt PMU, giá trị điện áp của nút và dịng
điện các nhánh sẽ được biết thơng qua PMU. (Hình a)

Trang 11



LUẬN VĂN THẠC SĨ

-

HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

Luật quan sát 02: Dựa vào giá trị dòng điện nhánh có được từ Luật quan sát 1,
và Định luật Ohms giá trị điện áp của các nút lân cận với nút lắp đặt PMU
được tính tốn.

-

Luật quan sát 03: Dựa vào giá trị điện áp nút lân cận với nút lắp đặt PMU (suy
ra từ Luật quan sát 02), giá trị dòng điện nhánh tạo bởi 02 nút lân cận với nút
lắp đặt PMU cũng có thể xác định dựa vào Định luật Ohms. (Hình b)

-

Luật quan sát 04: Theo hình c, giá trị điện áp nút x được suy ra nhờ Luật quan
sát 01, dòng điện nhánh xz cũng được suy ra nhờ vào Định luật Krichhoff về
dòng; Dựa vào giá trị dòng điện nhánh xz và điện áp nút x, từ đó xác định được
giá trị điện áp của nút z.

Theo đó, nhờ vào khả năng quan sát trực tiếp và gián tiếp các nút lận cận với nút
được lắp đặt thiết bị PMU, ta có thể giảm số lượng PMU trên hệ thống mà vẫn đảm
bảo khả năng quan sát toàn diện.
2.6


Các hệ thống ứng dụng PMU trên thế giới và hiện trạng ở Việt Nam:

Nhìn chung PMU là giải pháp bảo vệ diện rộng được tồn thế giới cơng nhận. Số
lượng PMU được tích hợp trong hệ thống điện các nước tăng không ngừng. Trong
quá trình hoạt động của nhiều đơn vị vận hành hệ thống truyền tải điện, vai trò của
hệ thống WAMS nói chung và thiết bị PMU nói riêng ngày càng được thể hiện.
Hệ thống điện Châu Âu, Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Châu Á được tích hợp nhiều bộ
PMU. Riêng hệ thống Ấn Độ đã lắp đặt hơn 1700 bộ năm 2015. Trung Quốc có hệ
thống điện lớn nhất thế giới năm 2007 đã lắp hơn 400 PMU cho các đường dây 500kV
và các máy phát từ 300MW trở lên theo tiêu chuẩn riêng.
Hiện nay, vấn đề tích hợp các bộ đo lường góc pha PMU vào hệ thống điều khiển,
bảo vệ, góp phần tăng cường bảo vệ hệ thống điện trên diện rộng là xu thế trên thế
giới nhưng chưa được áp dụng tại Việt Nam. Hầu hết các trạm 500kV, 220kV và
110kV đều sử dụng thiết bị rơ le bảo vệ của các hãng SEL, SIEMENS, ABB,
AREVA,... Trong số đó, rất nhiều trạm có thiết bị bảo vệ đã tích hợp sẵn tính năng
của PMU [4].
2.7

Tổng quan tình hình nghiên cứu:
Trang 12


HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải

LUẬN VĂN THẠC SĨ

PMU được đặt tại một số thanh cái để quan sát giá trị điện áp, giá trị góc pha tại
thanh cái đó cũng như giá trị dịng điện, giá trị góc pha dịng điện thơng qua một số
hoặc tất cả các dòng sự cố. Dữ liệu thời gian thực được cung cấp bởi PMU, được

truyền qua các liên kết truyền thông và được thu thập đến các thiết bị cấp cao hơn đó
là Phasor Data Concentrators (PDC). Tuy nhiên, không thể lắp đặt PMU ở tất cả thanh
cái của hệ thống điện vì chi phí PMU khá cao và hạ tầng hệ thống thông tin liên lạc
chưa đáp ứng được ở một số trạm biến áp. Hơn nữa, việc áp dụng định luật Ohms,
định luật Kirchhoff khi PMU được đặt tại một thanh cái, các thanh cái liền kề cũng
được quan sát. Điều này cho thấy rằng, một hệ thống có thể được quan sát với số
lượng PMU nhỏ hơn số lượng thanh cái hiện có của hệ thống. Mục tiêu của vấn đề
tối tưu vị trí lắp đặt PMU là xác định số lượng PMU tối thiểu và vị trí tương ứng của
chúng để đạt được khả năng quan sát mạng đầy đủ.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu quan trọng về vấn đề tối ưu vị
trí lắp đặt PMU (OPP – Optimal PMU placement). Các phương pháp cho bài toán lắp
đặt PMU tối ưu có thể được phân loại thành hai loại: thuật tốn tốn học và thuật tốn
ngẫu nhiên.
Bảng 2.2 Tóm tắt các phương pháp có thể áp dụng tính tốn tối ưu
Thuật toán toán học (mathematical

Thuật toán ngẫu nhiên (Heuristic

methods)

methods)

1. Bài toán Quy hoạch số nguyên (Integer
Programming (IP)):
- Integer linear programming (ILP)

1. Thuật toán di truyền (Genetic

-


Integer nonlinear programming(INLP)

-

Integer quadratic programming (IQP)
algorithms

2. Phương pháp tìm kiếm tồn diện.
(Exhaustive Search)

Algorithm (GA))
2. Phương pháp Tabu Search (TS)
3. PP Simulated Annealing (SA)
4. PP Differential Evolution (DE)
5. PP Particle Swarm Optimization
(PSO)

Phương pháp Quy hạch tuyến tính số nguyên (ILP – Integer linear progam) là kỹ
thuật tối ưu hóa chiếm ưu thế được sử dụng để giải quyết vấn đề OPP và nhiều nghiên
cứu liên quan đến vấn đề này đã được công bố.
Trang 13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.8

HVTH: Dương Thị Lệ Huyền
GVHD: TS Nguyễn Phúc Khải


Kết luận

Như vậy, với thiết bị PMU (thiết bị đo góc pha) là thiết bị có khả năng đồng bộ
góc pha, tần số và tốc độ thay đổi của tần số thơng qua việc đo các tín hiệu điện áp,
dịng điện; Các tín hiện này được đồng bộ thời gian thơng qua module GPS, một trong
03 module chính của thiết bị PMU, bao gồm module thu tín hiệu GPS, module thu
thập dữ liệu và module truyền thông.
Nhờ vào ưu điểm vượt trội khi lắp đặt PMU trên hệ thống hơn là khi chỉ sử dụng
SCAD truyền thống, PMU đem đến nhiều ứng dụng cho việc quan sát diện rộng như
tăng cường khả năng quan sát, đánh giá ổn định hệ thống, ...; bảo vệ chống mất đồng
bộ diện rộng, .... ; bên cạnh các ứng dụng online, PMU cũng hỗ trợ việc xây dựng và
cập nhật mơ hình các thiết bị trong hệ thống điện, xây dựng trình tự các sự kiện và
xác định điểm sự cố.
Nhờ vào khả năng quan sát trực tiếp và gián tiếp các nút lận cận với nút được lắp
đặt thiết bị PMU dựa trên việc áp dụng định luật Ohms, định luật Kirchhoff . Khi đó
ta có thể giảm số lượng PMU trên hệ thống mà vẫn đảm bảo khả năng quan sát tồn
diện. Từ đó đặt ra bài tốn cần giải quyết ở dây là của tối ưu số lượng PMU trên hệ
thống sao cho vẫn đảm bảo khả năng quan sát mạng đầy đủ.

Trang 14