Ứng dụng công nghệ lưới điện thông minh bằng phần mềm ETAP

LỜI MỞ ĐẦU Trong thời buổi được xem là thời kỳ Cách mạng công nghiệp lần hiện nay, vai trò của những ứng dụng tự động, phần mềm hỗ trợ người việc tính toán, thiết kế kỹ thuật càng trở nên cần thiết Điểm ưu việt dễ nhận thấy cả là máy tính sẽ tính nhanh người và độ chính xác rất cao Có những phần mềm hỗ trợ những bài toán đơn giản, có những phần mềm lại có rất nhiều ứng dụng chuyên sâu và quy mô rộng rãi nhiều dạng bài toán phức tạp đặt Đối với các ngành kỹ thuật nói chung, cả quá trình học tập hay làm việc thì việc tính toán hầu là xuyên suốt Đối với những bài toán đơn giản thì sẽ dễ dàng kiểm định lại tính chính xác, độ tin cậy của thông số tính toán được Còn đối với những bài toán nhiều số liệu liên kết với và quy mô phức tạp thì việc “sai một ly, một dặm” là điều không hiếm, và việc kiểm tra tính chính xác cũng mất nhiều thời gian Trong bộ môn Điện Công nghiệp có rất nhiều bài toán thế Chính vì lý đó mà có nhiều phần mềm đời hỗ trợ tính toán thiết kế điện Matlab, Ecodial, PowerSim, Etap,… và ETAP là phần mềm mà chúng thực hiện nghiên cứu, tìm hiểu các tiện ích đó ETAP là một những phần mềm ưu việt tính toán thiết kế hệ thống điện và nhiều ứng dụng khác được thiết kế bởi tập đoàn Operation Technology Inc ở thành phố Irvine, California, Mỹ Phần mềm này có thể hỗ trợ truy xuất kết quả tính toán để người thiết kế có thể cứ áp dụng hoặc đối chiếu với kết quả tính toán bằng phương thức tự tính toán TS Nguyễn Nhân Bổn phụ trách chương 1, 2, 3, 6, TS Lê Văn Đại phụ trách chương 4, Quá trình tìm hiểu phần mềm này cuốn sách chúng chỉ tập trung vào một số ứng dụng rất nhiều ứng dụng được tích hợp đó cùng với những kiến thức đã học được môn học cung cấp điện và hệ thống điện, sau đó là kết luận những gì rút được quá trình nghiên cứu đó Chính vì vậy sẽ không thể tránh khỏi sai sót Rất mong nhận được đóng góp của quý thầy, cô để chúng có thể hoàn thiện kiến thức và khai thác hiệu quả các ứng dụng này tương lai Mọi ý kiến đóng góp xin gởi về: TS Nguyễn Nhân Bổn; TS Lê Văn Đại Email: bonnn@hcmute.edu.vn; lvd160178@gmail.com MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ETAP Tổng quát về phần mềm ETAP .9 Các thành phần và giao diện của ETAP Quản lý dữ liệu ETAP 11 CHƯƠNG 2: CHỌN CÁP HẠ ÁP VÀ TRUNG ÁP Cơ sở lý thuyết 13 1.1 Khái nhiệm chung .13 1.2 Cáp mạng phân phối 13 1.3 Phương pháp lựa chọn dây/cáp mạng phân phối cao áp 14 Chủng loại cáp (CADIVI) 15 2.1 Cáp vặn xoắn hạ áp LV-ABC 15 2.2 Dây cáp điện lực CV 15 2.3 Dây cáp điện lực 2, 3, ruột CVV 15 2.4 Dây đơn sợi (nhiều sợi) VC .15 Phương pháp lựa chọn 15 3.1 Lựa chọn dây dẫn theo điều kiện phát nóng .16 3.1.1 Xác định tiết diện cáp không chôn ở dưới đất 16 3.1.2 Xác định tiết diện cáp chôn ngầm đất 16 3.2 Chọn dây dẫn kết hợp với chọn thiết bị bảo vệ 17 3.2.1 Chọn dây dẫn kết hợp với chọn CB 17 3.3 Kiểm tra theo điều kiện tổn thất điện áp và ổn định nhiệt 17 3.3.1 Kiểm tra theo tổn thất điện áp .17 3.3.2 Kiểm tra theo điều kiện ngắn mạch 19 Ứng dụng phần mềm ETAP .20 4.1 Giới thiệu thư viện cáp ETAP 21 4.2 Tiêu chuẩn áp dụng .21 4.3 Trang thông tin 22 4.4 Mô phỏng ví dụ ETAP 22 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN DÂY DẪN CHO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI TRÊN KHÔNG Các tính toán cần thiết .28 Ứng dụng phần mềm ETAP tính toán lựa chọn dây dẫn cho đường dây truyền tải không .28 CHƯƠNG 4: MÁY PHÁT TUABIN GIĨ Tởng quan về lượng gió .37 1.1 Thực trạng lượng và môi trường 37 1.2 Ưu điểm lượng gió .39 1.3 Nhược điểm lượng gió .39 1.4 Sự liên quan giữa công suất và độ cao 40 Mô phỏng máy phát tuabin gió ETAP .41 2.1 Phân tích ổn định động .41 2.2 Thanh công cụ phân tích ổn định động .42 2.3 Mô phỏng ví dụ ETAP .44 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN LỰA CHỌN MÁY BIẾN ÁP Cơ sở lý thuyết 54 1.1 Tính toán công suất phụ tải 54 1.2 Tính toán dung lượng máy biến áp theo sơ đồ phân bố phụ tải mạng điện 54 1.3 Tính toán dung lượng máy biến áp theo đồ thị phụ tải .55 Lựa chọn máy biến áp 58 Ứng dụng ETAP chọn máy biến áp 58 3.1 Thẻ Rating (thông số bản của biến áp) 58 3.2 Thẻ thông số trở kháng máy biến áp (Impedance) 62 3.3 Thẻ nối đất (Grounding) .63 3.4 Thẻ định kích thước biến áp (Sizing) 65 CHƯƠNG 6: TỐI ƯU LẮP ĐẶT TỤ BÙ Cơ sở lý thuyết 69 1.1 Lợi ích của việc bù công suất phản kháng 69 1.2 Lý thuyết bù kinh tế 70 Tổng quan chức tính toán lắp đặt tụ bù của ETAP .72 2.1 Tổng quan về chế độ tính toán tối ưu tụ bù của ETAP .73 2.2 Chỉnh sửa Study Case của chế độ OCP 73 2.2.1 Thẻ Info .74 2.2.2 Thẻ Voltage Constraint 75 2.2.3 Thẻ Capacitor 76 2.3 Phương thức tính toán 77 Ví dụ - áp dụng mô phỏng ETAP 78 CHƯƠNG 7: PHỐI HỢP VÀ BẢO VỆ QUÁ DỊNG MẠNG ĐIỆN Phới hợp bảo vệ các relay quá dòng 82 1.1 Bảo vệ quá dòng điện cắt nhanh (chức 50 hay 50N) 82 1.2 Bảo vệ quá dòng điện cực đại (chức 51 hay 51N) .84 1.2.1 Phối hợp thời gian các đặc tính độc lập 85 1.2.2 Phối hợp thời gian các đặc tính phụ thuộc 86 1.3 Ứng dụng ETAP vào tính toán bảo vệ mạng điện .87 1.3.1 Tổng quát chức tính toán phối hợp bảo vệ 87 1.3.2 Thanh công cụ .87 1.3.3 Chỉnh sửa Study Case 89 Ví dụ - áp dụng mô phỏng ETAP 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 Chương GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ETAP TỔNG QUÁT VỀ PHẦN MỀM ETAP ETAP là sản phẩm của công ty Operation Technology, Inc (OTI) ETAP được đời từ những buổi đầu tiên máy tính điện toán bắt đầu được sử dụng để hỗ trợ công việc Ban đầu, ETAP là một phần mềm chuyên về thiết kế lưới điện, tính toán các thông số của một lưới điện tĩnh (Off-line) Năm 1992, ETAP cũng giới thiệu mảng thứ hai, toàn diện và thiết thực hơn, đó là quản lý lưới điện thời gian thực (Real-time) với khả điều khiển, kiểm soát và dự báo lưới điện kho vận hành thực tế Kể từ đó, ETAP phát triển rất nhanh với việc độc quyền nền tảng thời gian thực, ETAP thu hút được số lượng người dùng đông đảo và ngày càng được tin dùng Phần mềm ETAP được chia thành hai mảng chính là ETAP Off-line và ETAP Real-time ETAP Off-line cung cấp cái nhìn đầu tiên, mô phỏng hệ thống điện cần quy hoạch mô hình và kiểm tra trước thi công dự án ETAP Real-time hướng đến một hệ thống điện tự hành, bao gồm thu nhận dữ liệu, giám sát và dự báo trước những biến cố có thể xảy ra, quy hoạch động cũng thao tác tập trung hệ thống vận hành Bên cạnh đó, các chức của ETAP can thiệp được tất cả giai đoạn của quá trình tính toán, giúp cho quá trình chuyển giao giai đoạn, ghép nối các khâu hay bảo trì, vận hành dễ dàng sử dụng nền tảng, ngôn ngữ chung CÁC THÀNH PHẦN VÀ GIAO DIỆN CỦA ETAP ETAP là một giải pháp toàn diện cho việc thiết kế, mô phỏng, phân tích hệ thống điện quá trình phát điện, truyền tải, phân phối và điện công nghiệp ETAP tổ chức công việc một nền tảng dự án Mỗi dự án được tạo ra, ETAP cung cấp tất cả những dụng cụ cần thiết và hỗ trợ cho việc mô hình hóa và phân tích một hệ thống điện Với giao diện và các thành phần trực quan, dễ sử dụng, ETAP phù hợp cho tất cả các đối tượng học tập, nghiên cứu và vận hành Hình 1.1 Giao diện phần mềm ETAP Khi mợt dự án được khởi tạo, ETAP sẽ cung cấp dự liệu của dự án file có phần mở rộng là *.OTI Cơ sở dữ liệu được lưu một tập tin sở dữ liệu ODBC (Open Data Connectivity – kết nối sở dữ liệu mở) Microsoft Access (*.MDB) Các file của dự án được lưu một thư mục có tên là tên của dự án ETAP cũng lưu trữ các báo cáo thư mục này ETAP được thiết kế và phát triển bởi đội ngũ kỹ sư để giải quyết các vấn đề của hệ thống điện sử dụng gói phần mềm được tích hợp sẵn với nhiều giao diện như: mạng điện AC và DC, mương cáp, cáp ngầm, lưới nối đất, hệ thống thông tin địa lý (GIS), phối hợp thiết bị bảo vệ, sơ đồ hệ thống điều khiển AC và DC,… 10 Hình 1.2 Các cơng cụ ETAP cung cấp ETAP cung cấp tất cả các hệ thống và các giao diện để giúp người sử dụng có thể mô hình hóa và phân tích tất cả các vấn đề của hệ thống điện, từ các hệ thống điều khiển đến các bảng điều khiển, cũng các lưới điện truyền tải và phân phối lớn Các giao diện được hiển thị đồ họa hoàn chỉnh và các đặc tính kỹ thuật của mỗi thành phần mạng điện có thể được điều chỉnh trực tiếp Các kết quả tính toán của ETAP được hiển thị trực quan và thuận tiện cho người sử dụng Tất cả hệ thống ETAP tận dụng lợi thế của việc sử dụng chung một sở dữ liệu ETAP cũng chưa một thư viện tích hợp sẵn và có thể truy cập từ các tập tin dự án Người dùng có thể tạo thư viện mới hoặc hiệu chỉnh lại thư viện hiện tại để thêm dữ liệu của nhà sản xuất Giao diện và hệ thống ETAP có thể được kết nối bằng cách sử dụng công cụ hệ thống QUẢN LÝ DỮ LIỆU TRONG ETAP ETAP thiết lập một hệ thống điện một dự án riêng Trong dự án này, ETAP tạo ba thành phần chính của hệ thớng 11 Hình 1.3 Giao diện hệ thống quản lý liệu - Hiển thị (Presentation): thiết lập số lượng không bị giới hạn, hiển thị đồ học độc lập của sơ đồ đơn tuyến mà nó mô tả dữ liệu thiết kế hoặc bất kỳ mục đích nào khác (ví dụ: sơ đồ trở kháng, các kết quả nghiên cứu hoặc đồ thị) - Cấu hình (Configuration): Thiết lập với số lượng không bị giới hạn, hệ thống cấu hình độc lập có thể nhận dạng tình trạng của các khóa điện (mở hoặc đóng), động và tải (liên tục, gián đoạn và dự trữ), các chế độ vận hành của máy phát ( cân bằng, điều khiển điện áp, điều khiển công suất phản kháng, điều khiển hệ số công suất) và MOVs (Mở, đóng, điều tiết và dự trữ) - Dữ liệu hiệu chỉnh (Revision Data): Dữ liệu sở được thiết lập với số lượng không bị giới hạn với các dữ liệu hiệu chỉnh để theo dõi các thay đổi và điều chỉnh các đặc tính kỹ thuật Ba thành phần hệ thống này được tổ chức ở dạng trực giao để cung cấp khả và độ linh hoạt cao cho việc xây dựng và thao tác dự án ETAP Sử dụng khái niệm Hiển thị, Trạng thái cấu hình và Dữ liệu hiệu chỉnh, người sử dụng có thể tạo vô số sự kết hợp các lưới điện từ các cấu hình đa dạng và các tính chất kỹ thuật khác nhau, cho phép khảo sát và nghiên cứu đầy đủ các tính chất của lưới điện dựa một dữ liệu ban đầu Điều này có nghĩa là người dùng không cần chép dữ liệu cho các cấu hình hệ thống khác ETAP dựa khái niệm sở dữ liệu ba chiều để thực hiện tất cả Hiển thị, Cấu hình, Dữ liệu sở và hiệu chỉnh Việc sử dụng khái niệm dữ liệu nhiều chiều cho phép người dùng lựa chọn tùy ý Hiển thị, Cấu hình, Dữ liệu sở và hiệu chỉnh cụ thể với cùng một dữ liệu dự án 12 Chương PHỚI HỢP VÀ BẢO VỆ Q DỊNG MẠNG ĐIỆN PHỐI HỢP BẢO VỆ CÁC RƠ LE QUÁ DÒNG Trên đường dây, có các thiết bị bảo vệ mà vùng bảo vệ riêng biệt thì không cần xét đến phối hợp bảo vệ Còn nếu có các vùng bảo vệ chồng lấn lên thì cần xem xét phối hợp bảo vệ để đảm bảo tác động có chọn lọc 1.1 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh (chức 50 hay 50N) Hình 7.1 Vùng bảo vệ bảo vệ cắt nhanh Rơ le R1, R2 với Kat=1.2 Để đảm bảo tính chọn lọc, bảo vệ cắt nhanh của rơ le R1 và R2, hay vùng bảo vệ của chúng không trùng lắp hệ số an toàn là 1.2 Vùng bảo vệ cắt nhanh của rơ le R1 là đoạn 1P Còn vùng bảo vệ cắt nhanh của rơ le R2 là đoạn 2Q Hai vùng bảo vệ này không giao nên phối hợp bảo vệ giữa rơ le R1 và R2 là không cần thiết Nhờ đó mà thời gian chỉnh định cho rơ le R1 và R2 có thể rất bé và độc lập Tuy nhiên chúng có vùng chết tồn tại: Vùng chết của rơ le R1 là đoạn P2, còn vùng chết của rơ le R2 là đoạn Q3 Phân tích các trường hợp sự cố khác nhau: Khi sự cố xảy tại Fx đoạn 1P hay tại Fy đoạn 2Q thì bảo vệ cắt nhanh của rơ le R1, R2 sẽ cắt nhanh tương ứng với thời gian tR1 và tR2 để cô lập sự cố 82 a) Thời gian cắt nhanh rơ le R1 b) Thời gian cắt nhanh rơ le R2 Hình 7.2 Thời gian cắt nhanh rơ le R1&R2 Khi sự cố xảy tại Fm đoạn P2 hay tại Fn đoạn Q3 thì bảo vệ cắt nhanh của R1, R2 không thể tác động vì nằm ở vùng chết của chúng a) Rơ le R1 không tác động b) Rơ le R2 không tác động Hình 7.2 Rơ le R1&R2 khơng tác động Nếu rơ le R1 và R2 có hệ số an toàn nhỏ hoặc bằng thì vùng bảo vệ của chúng sẽ trùng lắp Cho nên, phối hợp thời gian giữa chúng phải được thực hiện Điều này làm mất tính tác động nhanh của bảo vệ cắt nhanh Phân tích trường hợp sự cố xảy tại Fx đoạn 2P Nếu cả hai bảo vệ cắt nhanh của R1 và R2 đều chỉnh tác động tức thời thì chúng cùng cắt Điều này làm mất điện cả đường dây 12 và 23 83 Hình 7.3 Vùng bảo vệ chức bảo vệ cắt nhanh với Kat