đồ án thiết kế điện đề tài phân tích an toàn vận hành hệ thống điện bằng phần mềm matpower

Lý do ch ọn đề tài

Ngày nay vai trò của hệ thống điện rất quan trọng, nó ảnh hưởng rất lớn đến đời sống xã hội, nếu không có điện mọi sinh hoạt, sản xuất không thể hoạt động Nhu cầu sử dụng điện ngày một tăng cao nhưng hệ thống điện do nhiều khó khăn không thể đáp ứng kịp các như cầu đó Vì vậy các công tác đầu tư xây dựng hạ tầng điện ngày một được phát triển mạnh mẽ để đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội của mỗi quốc gia Nhiều công trình và hệ thống điện quy mô lớn được xây dựng để đảm bảo nhu cầu sử dụng điện, còn phải đảm bảo tính tin cậy, chất lượng của điện năng và kinh tế Việc giữ cho hệ thống điện an toàn và bảo mật là công việc rất cần thiết, giúp cho hệ thống vận hành một cách trơn tru khi gặp sự cố mất điện hay những sự cố không thểlường trước Nghiên cứu an toàn hệ thống điện còn là nhiều thách thức đối với các kỹ sư để duy trì hoạt động của hệ thống An toàn hệ thống điện không những giúp ngăn chặn mất điện mà còn là cơ sở để quyết định, đưa ra các giải pháp để khắc phục Vì vậy cần phải phân tích và tính toán các trường hợp có thể xảy ra của hệ thống điện khi đang vận hành

M ụ c tiêu nghiên c ứ u

Phân tích các trường hợp của hệ thống điện khi đang vận hành bình thường, và khi có sự cố, đánh giá điện áp và các kỹ thuật để xác định mức an toàn của hệ thống, khắc phục sự cố

Tổ ng quan

T ổ ng quan v ề h ệ th ống điệ n

Hệ thống điện là hệ thống các trang thiết bị điện, lưới điện và các thiết bị phụ trợ được liên kết với nhau

Hệ thống điện là một mạng lưới gồm hàng triệu bộ phận điện hoạt động đồng bộ Các thông số chính của nó bao gồm dòng điện, điện áp, công suất và tần số Trong điều kiện bình thường, tất cả các thông số này vẫn ở giá trị định mức Trong điều kiện bất thường hoặc tình trạng bị lỗi, các thông số này vượt qua giới hạn của giá trị danh định Nhiệm vụ của một hệ thống điện được chia làm 3 phần là: sản xuất điện, truyền tải điện, phân phối điện

Sản xuất điện: Điện năng hoặc năng lượng điện tạo ra trong các nhà máy điện Các nhà máy điện chuyển đổi bất kỳ dạng năng lượng nào khác thành năng lượng điện Các nguồn năng lượng khác có thể là năng lượng hóa học, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng hạt nhân Tùy thuộc vào sự sẵn có của các nguồn, các loại nhà máy điện khác nhau sử dụng trong mạng Các nhà máy điện chia thành hai phần và sử dụng các nguồn năng lượng như

Nhà máy điện tái tạo: mặt trời, gió, thủy điện, sinh khối, địa nhiệt…

Nhà máy điện không tái tạo: Than, Dầu nhiên liệu, khí tự nhiên, nguyên tử ,dầu đá phiến, than bùn…

Truyền tải điện: Các nhà máy điện đặt ở xa khu vực thành phố hay nơi tiêu thụ Hệ thống truyền tải được coi là liên kết giữa hệ thống phát điện và hệ thống phân phối Có nhiều khảnăng xảy ra lỗi hơn trong đường truyền Công suất lớn của đường truyền mạng tải lớn Nếu đường truyền này bị sự cố, một lượng rất lớn phụ tải sẽ ngắt khỏi hệ thống Vì vậy, việc bảo vệđường truyền là quan trọng nhất

Ba loại đường truyền có sẵn theo chiều dài của đường dây: Đường dây truyền tải chiều dài ngắn: dưới 60km, Đường dây truyền tải chiều dài trung bình: 60km đến 250 km Đường dây truyền tải dài: trên 250km

Các đường dây tải điện đa phần là đường dây tải điện cao thế để giảm tổn thất đồng và kích thước dây dẫn, cấp điện áp đường dây tải điện xoay chiều ở Việt Nam là 110kV trở lên

Các đường dây tải điện cao thế sử dụng để giảm tổn thất đồng và kích thước của dây dẫn Thông thường, cấp điện áp của đường dây tải điện xoay chiều là 230 kV, 500 kV, 765 kV và đối với đường dây tải điện một chiều từ 100 kV đến 1500 kV

Phân phối điện: Cấp điện áp của lưới điện phân phối nhỏ hơn 132 kV Đường dây

11 kV, 33 kV, 66 kV và 132 kV Các đường dây này mang ít điện năng hơn so với đường dây của mạng truyền tải Mạng lưới hệ thống điện cung cấp năng lượng điện cho phụ tải dân dụng, thương mại và công nghiệp Nó cung cấp điện 3 pha cho tải công nghiệp và cấp điện áp là 440 V Nó cung cấp điện một pha cho tải thương mại và dân dụng và cấp điện áp là 230 V

- Hệ thống điện bao gồm 6 thành phần chính: Nhà máy điện, máy biến áp, đường dây tải điện, trạm biến áp, đường dây phân phối và máy biến áp phân phối

Nhà máy điện: Sử dụng các năng lượng khác nhau để sản xuất ra điện năng

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện (Nguyễn SỹHuy Cường–Phạm Đình Anh Khôi(2019),

“Cấu trúc hình học và đặc tính vật liệu máy biến áp lực”)

Các loại nhà máy điện bao gồm:

Nhà máy điện nguyên tử

Nhà máy điện năng lượng mặt trời…

Trạm biến áp: Nơi đặt máy biến áp và các thiết bị phân phối điện khác nhằm tạo nên một hệ thống truyền tải điện năng hoàn chỉnh làm nhiệm vụ cung cấp điện

Trạm biến áp gồm những bộ phận sau:

Hệ thống thanh cái, dao cách ly

Hệ thống chống sét, nối đất

Hệ thống điện khu vực điều hành

Các loại trạm biến áp

Trạm biến áp trung gian: trạm biến áp có nhiệm vụ nhận điện ở cấp điện áp 110kV -

220kV rồi chuyển thành cấp điện áp 22kV - 35kV Các trạm biến áp này thường đặt ngoài trời do công suất của trạm rất lớn, máy biến áp và các thiết bị đóng cắt bảo vệ cũng có kích thước không nhỏ

Trạm biến áp phân phối: trạm biến áp phân phối nhận điện từ trạm biến áp trung gian rồi tiếp tục thực hiện nhiệm vụ biến đổi điện năng từ 22kV – 35kV ra 0,4kV – 0,22kV Đây là trạm biến áp phổ biến dùng trong mạng hạ áp dân dụng tòa nhà hoặc nhà máy phân xưởng mà thường thấy nhất là trạm 22/0,4kV

1.1.4 Đường dây tải điện Đường dây tải điện trên không chuyển năng lượng đi xa với công suất lớn và điện áp cao (transmission line), nối liền các trung tâm năng lượng lớn với các trạm biến áp trung gian quan trọng

Các cấp điện áp thường là: 110kV, 220kV, 330kV, 500kV, 750kV, 1024kV

Máy biến áp truyền tải: được sử dụng chủ yếu cho mục đích truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến địa điểm phân phối Phần lớn các nhà máy điện đều nằm cách xa khu dân cư/hộ tiêu thụ nên trong quá trình truyền vào mạng truyền tải quốc gia., máy biến áp truyền tải thường có công suất trên 200 MVA và dùng để tăng hoặc giảm điện áp trong mức từ 33 kV đến 400 kV

Máy biến áp phân phối có vai trò trung gian, nối lưới điện quốc gia với người tiêu thụ cuối cùng Chúng thường có công suất nhỏ hơn 200 MVA, hoạt động với mục đích tăng hoặc giảm điện áp trong phạm vi từ 230V đến 11 kV.

Cấu trúc của hệ thống điện

Cấu trúc của hệ thống điện điều hành được đặt trên cơ sở của sự phân chia theo hàng dọc và hàng ngang

Theo chiều dọc hệ thống điện được chia làm bốn cấp

Cấp truyền tải (cùng với cấp truyền tải phụ và cấp phân phối có liên kết với nó và tạo ra một hệ thống điện);

Cấp phân phối (liên kết nhiều hệ thống điện với nhau vào trong một hệ thống điện liên hợp)

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống điện (HồVăn Hiến (2005), “Hệ thống điện -

Truyền tải và Phân phối”)

Theo chiều ngang, mỗi cấp lại được chia thành một số các hệ thống (số hệ thống truyền tải phụ trong mỗi hệ thống truyền tải hay số hệ thống phân phối trong mỗi hệ thống truyền tải phụ thực tế có thể có nhiều hơn con số trên hình vẽ) Các hệ thống con này cách ly với nhau về mặt điện và cũng thường là về mặt địa lý với các hệ thống lân cận trong cùng một cấp nhưng chỉđược kết nối vềđiện với nhau qua các hệ thống ở cấp cao hơn.Điện áp và lượng công suất duy trì trong mỗi hệ thống riêng lẻ tăng dần từ cấp này đến cấp cao hơn và một phụ tải tiêu thụ có thể được cung cấp từ bất cứ cấp nào của hệ thống tùy theo qui mô tính chất của phụ tải Các mũi tên trên Hình 1.1 chỉ chiều công suất và vì tất cả các nhà máy đều được gắn vào ở hệ thống truyền tải nên mọi hệ thống ở cấp thấp hơn đều phụ thuộc vào cấp cao hơn và cuối cùng là phụ thuộc vào cấp truyền tải để cung cấp điện năng cho chúng Theo đó, chiều cung cấp công suất giữa cấp truyền tải và cấp phân phối là đi từ cấp trên xuống cấp dưới

Mục đích của việc liên kết nhiều hệ thống điện với nhau bằng các đường dây nối là để tập trung khả năng sẵn có của các hệ thống nhằm hỗ trợ cho nhau và hệ quả là công suất trên đường dây nối có tính hai chiều Có khuynh hướng là tập trung dòng điện năng đi vào bất kỳ hệ thống nào chỉ ở một điểm nhất như đã thấy ở cấp truyền tải và phân phối nghĩa là ở một trạm chung chuyển hay trạm phân phối, nhưng để cho việc cung cấp tin cậy hơn thường những trạm đó có thể được cung cấp từ hai nguồn đi đến Sự phân cấp theo hàng dọc và hàng ngang của một hệ thống điện làm cho việc vận hành và điều chỉnh trong hệ thống là có được sự hiệu quả.

Các yêu c ầ u c ủ a h ệ th ống điệ n

Hệ thống điện đóng vai trò tối quan trọng, đảm bảo hoạt động bình thường và đáp ứng các yêu cầu về chất lượng, độ tin cậy và hiệu quả kinh tế Mỗi bộ phận của hệ thống điện đều có mối liên hệ chặt chẽ, cùng nhau vận hành để đảm bảo chất lượng nguồn điện ổn định, tin cậy và tiết kiệm chi phí.

- Cùng với sự ra đời của các thiết bị công nghệ mới, những yêu cầu về vận hành hệ thống điện ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn.Cũng như đối với tất cả thiết bị, vấn đề vận hành hệ thống điện trước hết cần phải thực hiện theo đúng quy trình Các quy trình sử dụng thiết bị do các nhà sản xuất cung cấp và hướng dẫn

- Đểđảm bảo được những yêu cầu thì hệ thống điện phải luôn được giám sát và vận hành một cách hợp lý nhất

- Yêu cầu vềđộ tin cậy và sự liên tục cung cấp điện được đảm bảo trước hết bởi sự dự phòng công suất, sự phân phối hợp lý giữa các nhà máy điện, để có thể sử dụng kịp thời một cách nhanh nhất khi có yêu cầu Các biện pháp bảo dưỡng, sửa chữa tiên tiến cũng cần được áp dụng triệt để Việc lựa chọn sơ đồ hợp lý các thao tác chuyển đổi sơ đồ là những biện pháp hữu hiệu để nâng cao độ tin cậy của hệ thống

- Yêu cầu về chất lượng điện năng phải được đảm bảo trước hết hết bởi sự cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống Đó là điều kiện cần thiết để điều chỉnh tần số và điện áp luôn nằm trong giới hạn cho phép Để điều chỉnh điện áp hợp lý và điều độ hệ thống cần phải có những biện pháp phân bố và sử dụng tối ưu các nguồn công suất phản kháng để đảm bảo sao cho dòng công suất phản kháng trên các đoạn dây có giá trị thấp nhất đến mức có thể

- Yêu cầu về tính kinh tế của hệ thống điện phải được đảm bảo bởi sự phân bố tối ưu công suất giữa các nhà máy điện với điều kiện thỏa mãn đầy đủ như cầu phụ tải của hệ thống Một trong những giải pháp quan trọng nhất để nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống điện là áp dụng biện pháp giảm tổn thất trong các phần tử hệ thống điện và phải tận dụng tối đa các nguồn năng lượng rẻ có hiệu quả cao.

Các v ấn đề c ầ n ph ả i gi ả i quy ết để đả m b ả o an toàn h ệ th ống điệ n

Đểđảm bảo an toàn hệ thống điện thì chúng ta phân tích và điều khiển được hệ thống điện hoạt động, làm việc trong chế độ xác lập bình thường theo chương trình đã chuẩn bị trước; xử lý được các tình huống sự cố như ngắn mạch, thiết bị phân phối điện bị hư hỏng; phải đảm bảo sữa chữa, bảo dưỡng đường dây trạm biến áp,…; thực hiện các công tác cải tạo, nâng cấp hệ thống điện.

T ổng quan lưới điệ n mô ph ỏ ng

Hình 1.3 Sơ đồlưới điện mô phỏng

Cơ sở lý thuyết

Lý thuyết về phân tích an toàn hệ thống điện

Nói một cách đơn giản, an toàn hệ thống điện là hệ thống điện vận hành an toàn, không xảy ra sự cố Mặc dù có sự thay đổi ở máy phát hay đường dây tải điện, hệ thống vẫn đảm bảo an toàn khi gặp sự cố mất điện hoặc bất kỳ hư hỏng nào bên trong hoặc bên ngoài hệ thống.

Việc đánh giá mức độ an toàn của hệ thống điện là một vấn đề quan trọng trong quy hoạch và trong hoạt động hàng ngày Tuy nhiên, do cấu trúc liên kết dạng lưới của hệ thống điện và sự đa dạng của nhiều thiết bị khác hay tầm quan trọng của việc giảm chi phí điện và nâng cao độ tin cậy của việc cung cấp điện, hay sự cạnh tranh thị trường điện làm cho sự phức tạp trong hoạt động hệ thống điện càng tăng thêm Người ta chú trọng đến việc điều chỉnh đường truyền sự cố mạng và sự tối ưu hóa nó cho nên việc đầu tiên cần phải làm là phân loại trạng thái hoạt động khác nhau khi vận hành hệ thống, thứ hai là phân tích các kỹ thuật để xác định mức độ an toàn của hệ thống điện

Tiêu chí để nâng cao độ tin cậy cũng như cho phép giám sát, vận hành đó là tiêu chí bảo mật N-1 (Một lần ngừng hoạt động của bất kỳ phần tử hệ thống nào: máy phát điện, đường dây tải điện, máy biến áp hoặc lò phản ứng), để xem xét đánh giá các khả năng duy trì trạng thái mong muốn chống lại các khả năng đã dự đoán từ trước, và không thểđoán trước Để phân tích an toàn khi vận hành của hệ thống điện thì ta cần phải phân tích, so sánh các giá trị điện áp và sự phân bố công suất của hệ thống điện ở các chếđộ vận hành khác nhau Trong quá trình khảo sát, phân tích ta có thể sử dụng nhiều phần mềm khác nhau để mô phỏng và tính toán để quá trình phân tích được dễ hơn

2.1.1Hệ thống điện vận hành ở chếđộbình thường:

Trong quá trình vận hành bình thường của hệ thống điện, cần tiến hành khảo sát các thông số điện quan trọng như điện áp tại các điểm có tải, dòng công suất của máy phát đến tải và dòng điện của máy phát để đánh giá tình trạng hoạt động của hệ thống và phát hiện các bất thường nếu có Việc giám sát và ghi chép các thông số này giúp đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, phát hiện và xử lý nhanh chóng các sự cố, duy trì độ tin cậy và an toàn trong quá trình cung cấp điện cho người sử dụng.

Khi thay đổi hệ số công suất tải: khi hệ thống đang vận hành bình thường ta tiến thay thay đổi các giá trị P, Q lần lượt tại các phụ tải Sau đó tiến hành khảo sát và phân tích các giá trị điện áp đã thay đổi tại các nút, các giá trị dòng điện đã thay đổi trên các máy phát so với giá trị trước khi ta thay đổi hệ số công suất

Tương tự khi điều chỉnh công suất tải, việc thay đổi hệ số công suất của máy phát cũng kéo theo sự thay đổi công suất hữu công và vô công P, Q của máy phát Sau đó, chúng ta tiếp tục quan sát sự thay đổi của điện áp, công suất tải trên đường dây so với các giá trị trước khi điều chỉnh hệ số công suất.

2.1.2Khi cắt phần tử bất kì đang vận hành trong hệ thống điện:

Khi mô phỏng hệ thống đang vận hành bình thường ta tiến hành cắt một phần tử N-1 đang vận hành ra khỏi hệ thống điện Các phần tử đó có thể là một đường dây, phụ tải hay là máy phát…Khi cắt phần tử đó ra thì ta tiến hành khảo sát sự thay đổi của điện áp, dòng điện, phân bố công suất trên các đường dây hay các tải để có thể tiến hành đánh giá an toàn vận hành hệ thống điện.

Các ph ầ n m ề m c ầ n s ử d ụ ng phân tích an toàn h ệ th ống điệ n

Một số phần mềm có thể ta dụng để phân tích an toàn hệ thống điện như:

MATPOWER (Matlab): Một phần mềm Matlab M-files, sử dụng miễn phí, dùng để phân tích, tính toán các bài toán chế độ xác lập, tối ưu công suất trong hệ thống điện và

(phần mềm này cũng là dụng cụđể ta tính toán, phân tích an toàn cho hệ thống điện trong đồ án thiết kế điện này)

Phần mềm Power World là công cụ phân tích hệ thống điện mạnh mẽ và trực quan, cho phép người dùng dễ dàng quan sát và sử dụng Được thiết kế trên nền tảng giao tiếp đồ họa, Power World hỗ trợ phân tích đa dạng các chế độ vận hành hệ thống điện, bao gồm phân tích dòng tải tối ưu, tính toán ngắn mạch, quản lý tần số và điện áp, cũng như các bài toán tối ưu hóa giảm tổn thất công suất.

PSS/E: Phần mềm thiết kế, phân tích lưới điện truyền tải và phân phối Phần mềm cho phép người dùng thiết kế, chỉnh sửa và phân tích lưới điện trực tiếp và không hạn chế số nút và nhiều tính năng vượt trội PSS/E dùng để tính toán ngắn mạch, tính toán trào lưu công suất, phân tích độ tin cậy trên lưới điện…

Các phần mềm này đa năng, giúp thực hiện nhiều phép tính điện phức tạp: xác lập chế độ; tính toán ngắn mạch; phân tích độ ổn định tĩnh, động của hệ thống; tối ưu phân bổ công suất; đánh giá độ tin cậy của hệ thống điện.

Gi ớ i thi ệ u v ề ph ầ n m ề m MATPOWER (MATLAB)

Như đã đề cập ở phần trên MATPOWER là một gói phần mềm sử dụng trong phần mềm MATLAB M-FILES để giúp người dùng giải quyết các bài toán chế độ xác lập và tối ưu hóa các vấn đề của hệ thống điện chẳng hạn như:

• Tính toán dòng điện (Power flow)

• Tính toán phân bố tối ưu công suất (Optimal Powerflow)

• Tính toán phân tích chất lượng điện năng

• Tính toán điện áp tại các nút

• Tính toán dòng điện trên các nhánh…

MATPOWER là phần mềm miễn phí, mã nguồn mở được thiết kế dễ hiểu và mang lại hiệu suất tốt nhất cho người dùng Được phát triển bởi Ray D Zimmerman, Carlos E

Murillo-Sánchez và Deqiang Gan tại Đại học Cornell (Mỹ) nhằm phục vụ cho công tác nghiên cứu và giảng dạy

Nếu bạn có một chiếc máy tính sử dụng phần mềm MATLAB thì việc cài đặt MAPOWER là một việc hết sức đơn giản

Việc sử dụng MATPOWER đòi hỏi sự quen thuộc với các thao tác cơ bản của MATLAB hoặc Octave Quá trình cài đặt và sử dụng trở nên dễ dàng hơn với lệnh cài đặt phiên bản MATPOWER 7.1 mới nhất, chỉ bao gồm 3 bước đơn giản.

Bước 1: Đăng nhập vào https://MATPOWER.org/ và tải xuống

Sau đó giải nén tệp ZIP MATPOWER và đặt thư mục vào vị trí mà bạn đã chọn

Bước 2: Mở chương trình MATLAB và cài đặt

Sau đó bấm run để chạy cài đặt

Sau khi cài đặt xong để kiểm tra hoạt động của phần mềm, chúng ta chạy thử chương trình mà trong chương trình đã có sẵn

2.3.3Sử dụng Phần mềm MATPOWER (MATLAB) phân tích an toàn hệ thống điện

Giả sử ta sử dụng một test case có sẵn trong phần mềm matpower sau đó ta nhập lệnh

‘’runpf(case4gs)’’để xuất kết quả trên thanh Command

Sau khi ta nhập lệnh kết quả cho ta thấy các thông tin như số các nút, các máy phát, các nhánh tải… Điện áp nhỏ nhất là ở nút 3 có điện áp 0,969 p.u Điện áp lớn nhất là ở nút 4 có điện áp 1,020 p.u

Cống suất lớn nhất ởđường dây 3-4 với 1,84 MW

Công suất phản kháng lớn nhất ở đường dây 3-4 với 9,18 MVAr

Chương 3 Các ch ế độ v ậ n hành c ủ a h ệ th ống điệ n

Cơ sở tính toán

Từ những lý thuyết an toàn hệ thống điện, dựa vào phần mềm MATPOWER phân tích lưới điện IEEE-9 bus gồm 9 nút và 9 nhánh Ta phân tích những trường hợp để đánh giá và nhận xét mức độ an toàn của hệ thống khi đang vận hành như:

• Trường hợp cắt 1 phần tử ra khỏi lưới (N-1) khi phụ tải trung bình

1 Cắt máy phát ra khỏi lưới điện khi phụ tải trung bình

2 Cắt một đường dây bất kì ra khỏi lưới điện khi phụ tải trung bình

• Trường hợp cắt 1 phần tử ra khỏi lưới (N-1) khi phụ tải cực tiểu

1 Cắt máy phát ra khỏi lưới điện khi phụ tải cực tiểu

2 Cắt một đường dây bất kì ra khỏi lưới điện khi phụ tải cực tiểu

• Trường hợp cắt 1 phần tử ra khỏi lưới (N-1) khi phụ tải cực đại

1 Cắt máy phát ra khỏi lưới điện khi phụ tải cực đại

2 Cắt một đường dây bất kì ra khỏi lưới điện khi phụ tải cực tiểu

3.1.1Tính toán dựa trên hệ thống điện IEEE-9 BUS và các thông số có sẵn :

Hình 3.1 Sơ đồđường dây của hệ thống điện IEEE-9 BUS

Số nút Tên nút Voltage Generation Load

Bảng 3 1 Dữ liệu các nút của hệ thống điện IEEE-9 BUS

Bảng 3 2 Dữ liệu đường dây và các nhánh của hệ thống điện IEEE-9 BUS

3.1.2 Ứng dựng thuật toán lặp Gauss-Seidel:

Là phương pháp lặp đơn giản giải hệphương trình phi tuyến giải tích hệ thống điện

Thuật toán này sẽ quét lần lượt từng nút (phương trình mô tả nút) và cập nhật lần lượt điện áp phức của từng nút, dựa vào điện áp của các nút có liện quan hay có nhánh nối tới nút đang xét. Ưu điểm của phương pháp này là chỉ xét lần lượt từng nút một, không phải xét toàn bộ hệphương trình có kích thước n×n

Giải tìm nghiệm x để thỏa mãn hệ phương trình phi tuyến f(x) = 0

Phương pháp lặp lần lượt theo thứ tự:

𝑥 𝑗 𝑘+1 = 𝐹 𝑖 (𝑥 1 𝑘+1 , … , 𝑥 𝑗−1 𝑘+1 , 𝑥 𝑗 𝑘 , … , 𝑥 𝑛 𝑘 ); 𝑖 = 1,2, … , 𝑛 Thuật toán Gauss-Seidel áp dụng cho hệphương trình giải tích được viết như sau:

Quá trình lặp lại sẽ kết thúc khi kết quả lặp hội tụ, khi đạt tiêu chuẩn hội tụ sau:

3.1.3 Ứng dụng phương pháp lặp Newton-Raphson

Thuật toán lặp Newton-Raphson liên tục lặp để cải thiện bộ nghiệm thỏa mãn xấp xỉ bậc nhất của hệ phương trình phi tuyến giải tích hệ thống điện

Giải tìm nghiệm x sao cho thỏa mãn hệ phương trình phi tuyến f(x) = 0 được xấp xỉ về hàm tuyến tính

Khai triển Taylor của hàm f(x) = 0 xung quanh 𝑥 (𝑘)

Trong đó F = 𝜕𝑓 𝜕𝑥 là ma trận Jacobi của f(x)

Với xấp xỉ đầu được cho trước hoặc chọn trước 𝑥 0 , sai số tại bước k, ∆𝑥 𝑘 , tính toán được bằng cách giải hệ phương trình tuyến tính

−𝐹(𝑥 𝑘 )∆𝑥 𝑘 = 𝑓(𝑥 𝑘 ) Giá trị 𝑥 𝑘+1 tính toán được như sau

𝑥 𝑘+1 = 𝑥 𝑘 + ∆𝑥 𝑘 Quá trình lặp sẽ dừng khi điều kiện được thỏa mãn

𝑚𝑎𝑥𝑖|𝑓𝑖(𝑥 𝑘 )| ≤ 𝜖Phương pháp Newton-Raphson yêu cầu chọn trị số xấp xỉ đầu 𝑥 0 gần với nghiệm

Phương pháp Newton-Raphson thường hội tụ sau 3-5 bước lặp

3.1.4 Tính toán, phân tích an toàn hệ thống điện bằng phần mềm MATPOWER

Khi muốn sử dụng phần mềm Matpower để phân tích an toàn toàn hệ thống điện thì đâu tiên ta phải khởi chạy phần mềm Matlab sau đó chọn đường dẫn “MATPOWER/data” rồi tiếp tục chọn M-file mà ta muốn sử dụng

Cách thực hiện tính toán chế độ xác lập (loadflow, powerflow): Sử dụng lệnh runpf(‘casefilename”); để chạy phân tích dòng tải của một case mà ta muốn phân tích Theo mặc định phần mềm sẽ thực hiện phân tích loadflow bằng phương pháp Newton- Raphson

Nếu muốn thay đổi thành phương pháp Gauss-Seidel để thực hiện phân tích loadflow thì ta sử dụng lệnh mpopt = mpoption(‘pf.alg’,’GS’); và lệnh results = runpf(‘casefilename’, mpopt);

Trong đó: mpopt = MATPOWER option (lựa chọn phương pháp cho MATPOWER)

Pf.alg = power flow analysis algorithm (thuật toán phân tích dòng công suất)

GS = Gauss-Seidel (tên của phương pháp phân tích loadflow)

Bus data fomat (dữ liệu nút)

Bus type (kiểu nút): + PQ Bus (nút tải) = 1

• PV Bus (nút phát công suất) = 2

• reference Bus (nút cân bằng công suất) = 3

• isolated Bus (nút độc lập) = 4

Pd: công suất tải (MW)

Qd: công suất phản kháng (MVAr)

Area number (khu vực của lưới điện)

Vm: biên độ điện áp (p.u.)

Va: góc pha điện áp

BaseKV: điện áp cơ sở (kV)

Zone: vùng của lưới điện

Vmax: điện áp tối đa (p.u.)

Vmin: điện áp tối thiểu (p.u.)

Generator Data Fomat (dữ liệu máy phát)

Pg: công suất phát (MW)

Qg: công suất phản kháng (MVAr)

Qmax: công suất phản kháng tối đa (MVAr)

Qmin: công suất phản kháng tối thiểu (MVAr)

Vg: chỉ số điện áp (p.u.)

Status: trạng thái của máy phát (status = 1 thì máy phát đang hoạt động, status = 0 thì máy phát đã bị ngắt)

Pmax: công suất phát cực đại của máy phát (MW)

Pmin: công suất phát cực tiểu của máy phát (MW)

Branch Data Format (dữ liệu của các nhánh) fbus: from bus tbus: to bus r: điện trởđơn vị (p.u.) x: điện kháng đơn vị (p.u.) b: dung dẫn đơn vị (p.u.) rateA: khả năng tải của đường dây ở chế độ bình thường rateB, rateC: khảnăng tải của đường dây khi có sự cố angmin, angmax: giới hạn góc max và min

3.2 Các chếđộ vận hành của hệ thống điện:

Các chế độ vận hành của hệ thống

• Hệ thống điện vận hành ở chế độ bình thường

• Hệ thống điện vận hành ở chế độ cảnh báo

• Hệ thống điện vận hành ở chế độ khẩn cấp

• Hệ thống điện vận hành ở chế độ cực kì khẩn cấp

• Hệ thống điện vận hành ở chế độ khôi phục

3.2.1Hệ thống điện vận hành ở chếđộbình thường

Khi hệ thống điện đang vận hành ở chế độ bình thường thì sẽ đáp ứng được những điều kiện sau:

• Công suất phát và phụ tải đang ở trạng thái cân bằng

• Các nhà máy điện và thiết bị điện khác vận hành trong dải thông số cho phép

• Tần số hệ thống điện trong phạm vi cho phép đối với chế độ vận hành bình thường

• Không thực hiện sa thải phụ tải điện

• Mức mang tải của đường dây và máy biến áp trong lưới điện truyền tải đều dưới 90 % giá trị định mức

• Điện áp tại các nút của hệ thống điện ở trong phạm vi cho phép theo quy định tại Điều 6 Thông tư này (https://luatminhkhue.vn/thong-tu-25-2016-tt-bct-he- thong-dien-truyen-tai.aspx) đối với chếđộ vận hành bình thường

• Các nguồn dự phòng của hệ thống điện quốc gia ở trạng thái sẵn sàng đảm bảo duy trì tần sốvà điện áp của hệ thống điện quốc gia trong dải tần sốvà điện áp ở chế độ vận hành bình thường; các thiết bị tự động làm việc trong phạm vi cho phép để khi xảy ra sự cố bất thường sẽ không phải sa thải phụ tải điện

3.2.2Hệ thống điện vận hành ở chếđộ cảnh báo

Hệ thống điện đang ở chếđộ vận hành cảnh báo nếu có xuất hiện các trường hợp sau:

• Mức dựphòng điều tần, dự phòng quay, dự phòng khởi động nhanh thấp hơn mức yêu cầu ở chế độ vận hành bình thường

• Mức mang tải của các đường dây và máy biến áp trong hệ thống điện ở mức từ

90 % trở lên nhưng không vượt quá giá trị định mức

Điện áp tại các nút trong hệ thống điện có thể nằm ngoài vùng cho phép trong điều kiện vận hành bình thường, nhưng vẫn nằm trong dải điện áp cho phép khi có sự cố đơn lẻ xảy ra trong hệ thống điện theo quy định.

• Có khả năng xảy ra các vấn đề về an ninh, quốc phòng đe dọa an ninh hệ thống điện

• Có khả năng xảy ra thiên tai hoặc các điều kiện thời tiết bất thường có thể gây ảnh hưởng tới an ninh cung cấp điện

3.2.3Hệ thống điện vận hành ở chếđộ khẩn cấp

Hệ thống điện đang vận hành ở chế độ khẩn cấp khi xuất hiện hay tồn tại một trong những điều kiện sau:

• Tần số hệ thống điện vượt ra ngoài phạm vi cho phép của chếđộ vận hành bình thường, nhưng trong dải tần số cho phép đối với trường hợp xảy ra sự cố đơn lẻ trong hệ thống điện

• Điện áp tại một nút bất kỳ trên hệ thống điện nằm ngoài dải điện áp cho phép đối với trường hợp xảy ra sự cố đơn lẻ quy định tại Điều 6 Thông tư này (https://luatminhkhue.vn/thong-tu-25-2016-tt-bct-he-thong-dien-truyen- tai.aspx)

• Mức mang tải của bất kỳ thiết bị điện nào trong hệ thống điện hoặc thiết bị điện đấu nối vào lưới điện truyền tải vượt quá giá trịđịnh mức nhưng dưới 110 % giá trị định mức mà thiết bị này khi bị sự cố do quá tải có thể dẫn đến chế độ vận hành cực kỳ khẩn cấp

3.2.4Hệ thống điện vận hành ở chếđộ cực kì khẩn cấp

Hệ thống điện vận hành ở chếđộ cực kì khẩn cấp khi xuất hiện hay tồn tại một trong những điều kiện sau:

• Tần số hệ thống điện nằm ngoài dải tần số cho phép đối với trường hợp xảy ra sự cố đơn lẻ trong hệ thống điện

• Mức mang tải của bất kỳ thiết bị nào trong hệ thống điện hoặc thiết bị đấu nối với lưới điện truyền tải từ 110 % giá trịđịnh mức trở lên mà thiết bị này khi bị sự cố do quá tải có thể dẫn đến tan rã từng phần hệ thống điện

• Khi hệ thống điện truyền tải đang ở chế độ vận hành khẩn cấp, các biện pháp được thực hiện để đưa hệ thống điện về trạng thái vận hành ổn định không thực hiện được dẫn tới hiện tượng tan rã từng phần hệ thống điện, tách đảo hoặc sụp đổ điện áp hệ thống điện

3.2.5Hệ thống điện vận hành ở chếđộ khôi phục

Phân tích an toàn cho hệ th ống điệ n b ằ ng ph ầ n m ề m MATPOWER

D ữ li ệu lưới điệ n

Trước khi ta khảo sát, phân tích lưới điện IEEE-9bus, việc đầu tiên ta cần phải khai báo và nhập dữ liệu vào biến mpc còn (được viết tắc là MATPOWER case), công suất cơ sở là 100MVA

Sau khi nhập thông tin vào các ô, nút, máy phát, nhánh được thể hiện dưới dạng ma trận, lưu trữ dữ liệu theo dạng hàng và cột đã định sẵn.

Hình 4.1 Dữ liệu các nút

Hình 4.3 Dữ liệu máy phát

Tính toán ch ế độ xác l ập, trào lưu công suấ t

Chế độ xác lập: trong đó các thông số của chế độ thực tế không thay đổi theo thời gian Đối với chế độ xác lập bình thường là chế độ làm việc thường xuyên của hệ thống điện nên yêu cầu phải đảm bảo độ tin cậy, chất lượng điện năng và các chỉ tiêu kinh tế Đối với các chế độ xác lập sau sự cố các yêu cầu trên đây được giảm đi, song chế độ này không được kéo dài mà phải nhanh chóng chuyển về chế độ bình thường

Sau khi nhập các thông số của hệ thống thì ta bấm run (phía trên màn hình) để chạy chương trình, sử dụng câu lệnh runpf (IEEE9BUS); để có được kết quả hiển thị

Khi ra sử dụng lệnh runpf(IEE9BUS) hệ thống sẽ cho ta biết kết quả ở chế độ xác lập:

Phần mềm MATPOWER sử dụng phương pháp Newton-Rapshon để tính, hội tụsau 4 bước lặp và sau 0,26 giây

Hình 4.4 Dữ liệu các đường dây

Tổng kết được các phần tử của lưới và cho thấy được công suất phản kháng và công suất tác dụng được thể hiện ở trên

Sau khi cho chạy hệ thống điện như trên cho ta thấy được kết quả: Điện áp nhỏ nhất là ởnút 5 có điện áp 0,99 p.u Điện áp lớn nhất là ở nút 1 có điện áp 1,040 p.u

Cống suất lớn nhất ở dường dây 5-7 với 2,35MW

Công suất phản kháng lớn nhất ở đường dây 7-2 với 15,96 MVAr

Công suất phát của lưới là 319,78MW và công suất tiêu thụ là 315MW nên có tổn hao công suất của lưới điện là 4,78MW

Phân bố công suất trên các đường dây của hệ thống điện:

Công suất tổn hao của hệ thống là 4,778MW, công suất phản kháng là 49,80MVAr Đường dây 1-4 có công suất 71,78MW, công suất phản kháng 35,23MVAr Đường dây 4-5 có công suất 40,52MW, công suất phản kháng 23,84MVAr Đường dây 4-6 có công suất 31,26MW, công suất phản kháng 7,98MVAr Đường dây 6-9 có công suất -58,94MW, công suất phản kháng -9,94 MVAr Đường dây 5-7 có công suất -84,78MW, công suất phản kháng -10,58 MVAr Đường dây 9-3 có công suất -85MW, công suất phản kháng -21,42MVAr Đường dây 7-2 có công suất -163MW, công suất phản kháng -0,16MVAr Đường dây 9-8 có công suất 24,66MW, công suất phản kháng -5,34MVAr Đường dây 7-8 có công suất 75,91MW, công suất phản kháng 8,68MVAr.

Dựa vào các thông số tải trên ta có thể thấy không có đường dây nào quá tải.

Trường hợp cắt 1 phần từ ra khỏi lưới điện (N-1) khi phụ tải trung bình

Trường hợp cắt một phần tử ra khỏi hệ thống điện (N-1) là một sự cố của hệ thống điện, bị hư hỏng hay bị mất một đường dây, một máy phát nào đó không còn hoạt động động trong hệ thống điện

Khi muốn sử dụng phần mềm MATPOWER để mô phỏng trường hơp N-1 thì ta chỉ cần thay đổi cột status từ mức 1 (trạng thái hoạt động) thành mức 0 (trạng thái ngừng hoạt động)

Hình 4.5 Trạng thái hoạt động của máy phát

Hình 4.6 Trạng thái hoạt động của đường dây

4.3.1 Trường hợp cắt một máy phát khỏi hệ thống điện

• Cắt máy phát ở nút 1 : điều chỉnh cột status ở nút 1 về 0 (trạng thái không hoạt động) Khi ta cắt máy phát ở nút 1 ra khỏi hệ thống thì :

Phần mềm MATPOWER sử dụng phương pháp Newton-Rapshon để tính, hệ thống điện hội tụsau 5 bước lặp và sau 0 giây

Hình 4.7 Ngắt trạng thái hoạt động của máy phát 1

Lưới điện phát sinh công suất tổn thất là 11,338MW và hao hụt công suất phản kháng là 103,2MVAr Khi hoạt động với chỉ hai máy phát ở nút 1 và nút 2, máy phát ở nút 2 phát công suất lớn hơn 241,34MW so với khi cả 3 máy phát đồng thời hoạt động.

Máy phát ở nút 3 hoạt động với công suất không có thay đổi nhiều so với công suất ban đầu Đường dây 1-4 bị mất điện Đường dây 7-2 có công suất lớn nhất, hoạt động với công suất 241,34MW và tương đối đầy tải với khả năng tải cho phép của dây là 250MW

• Cắt máy phát ở nút 2: điều chỉnh status ở nút 2 về 0 (trạng thái không hoạt động)

Khi ta cắt mắt phát ở nút 2 ra khỏi hệ thống thì:

Hình 4.8 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi cắt máy phát ở nút 1 ởtrường hợp tải trung bình

Phần mềm MATPOWER sử dụng phương pháp Newton-Rapshon để tính, hệ thống điện hội tụ sau 4 bước lặp và sau 0 giây

Lưới điện có tổn thất công suất là 4,515MW và tổn hao công suất phản kháng 69,83MVAr Máy phát ở nút 1 hoạt động với công suất lớn hơn là 234,51MW so với ban đầu khi đủ cả

Hình 4.10 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi cắt máy phát ở nút 2 ởtrường hợp tải trung bình

Máy phát ở nút 3 hoạt đông với công suất không có thay đổi nhiều so với công suất ban đầu Đường dây 7-2 bị mất điện Đường dây 1-4 có công suất lớn nhất, hoạt động với công suất 234,51MW và tương đối đầy tải với khả năng tải cho phép của dây là 250MW

• Cắt máy phát ở nút 3: điều chỉnh status ở nút 3 về 0 (trạng thái không hoạt động)

Hình 4.11 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi cắt máy phát ở nút 3 ở trường hợp tải trung bình Hình 4.12 Ngắt trạng thái hoạt động của máy phát thứ 3

Khi ta cắt mắt phát ở nút 3 ra khỏi hệ thống thì: Phần mềm MATPOWER sử dụng phương pháp Newton-Rapshon để tính, hệ thống điện hội tụ sau 4 bước lặp và sau 0 giây Lưới điện có tổn thất công suất là 4,045MW và tổn hao công suất phản kháng 57,91 MVAr Máy phát ở nút 1 hoạt động với công suất lớn hơn là 156,05MW so với ban đầu khi đủ cả

Máy phát ở nút 2 hoạt động với công suất lớn hơn là 163MW so với ban đầu khi đủ cả 3 máy phát hoạt động Đường dây 9-3 bị mất điện Đường dây 1-4 và đường dây 7-2 là 2 đường dây có công suất lớn nhất nhưng vẫn không bị quá tải hay đầy tải mà vẫn hoạt động tốt

Nhận xét: Trong ba trường hợp cắt một máy phát ra khỏi hệ thống điện thì ta thấy trường hợp mất máy phát ở nút 1 thì hệ thống điện hội tụ sau 5 bước lặp, lâu hơn so với 2 trường hợp còn lại khi chỉ hội tụ ở 4 bước lặp Trường hợp cắt máy phát ở nút thứ 3 thì hệ thống vẫn hoạt động ổn định nhất và không có dấu hiệu bị quá tải

Ta cần chú ý ở trường hợp mất máy phát ở nút 1 thì đường dây 7-2 hoạt động gần đầy công suất tải, còn ở trường hợp mất máy phát ở nút thứ 2 thì đường dây 1-4 hoạt động gần đầy công suất tải Để đảm bảo an toàn để tránh bị quá tải thì ta nên tăng tiết diện của dây dẫn cho hệ thống điện vận hành an toàn hơn, đây là giải pháp cần được quan tâm khắc phục

4.3.2 Trường hợp cắt 1 đường dây ra khỏi hệ thống điện

• Trường hợp mất đường dây 4-5 khi hệ thống điện đang vận hành

Khi ta muốn cắt đường dây 4-5 trong phầm mềm MATPOWER thì ta chỉ cần điều chỉnh status của đường dây 4-5 ở branch data về 0 (trạng thái không hoạt động)

Khi ta cắt đường dây 4-5 thì các nhánh của hệ thống vận hành với kết quả:

Hình 4.13 Ngắt trạng thái hoạt động của đường dây 4-5

Hình 4.14 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi cắt đường dây 4-5 ởtrường hợp tải trung bình

Các máy phát vẫn hoạt động bình thường, máy phát ở nút 1 có tăng nhẹ công suất và công suất phản kháng của các máy phát cũng tăng lên

Lưới điện vẫn hoạt động ổn định và không có đường dây nào bị quá tải

Lưới điện có tổn thất công suất là 9,797MW và tổn hao công suất phản kháng 79,91 MVAr Đường dây 5-7 và đường dây 7-2 là 2 đường dây có công suất tải lớn nhất là 125MW và 163MW

• Trường hợp mất đường dây 4-6 khi hệ thống điện đang vận hành:

Phần mềm MATPOWER sử dụng phương pháp Newton-Rapshon để tính, hệ thống điện hội tụsau 4 bước lặp và sau 0,26 giây

Các máy phát vẫn hoạt động bình thường và công suất phản kháng của các máy phát tăng lên

Lưới điện có tổn thất công suất là 6,454MW và tổn hao công suất phản kháng 61,02 MVAr Đường dây 7-2 là đường dây có công suất tải lớn nhất là 163MW

Các máy phát vẫn hoạt động bình thường và công suất phản kháng của máy phát tăng lên Lưới điện vẫn hoạt động ổn định và không có đường dây nào bị quá tải

Hệ thống lưới điện ghi nhận tổn thất công suất ở mức 9,635 MW và tổn hao công suất phản kháng là 80,42 MVAr Trong số các đường dây tải điện, đường dây 7-2 và 5-7 được đánh giá là có công suất tải lớn nhất, lần lượt đạt 147,07 MW và 163 MW.

Các máy phát vẫn hoạt động bình thường và công suất phản kháng của máy phát tăng lên Lưới điện vẫn hoạt động ổn định và không có đường dây nào bị quá tải

Trườ ng h ợ p c ắ t m ộ t ph ầ n t ử ra kh ỏi lưới điệ n (N-1) khi ph ụ t ả i c ự c ti ể u

Trường hợp cắt một phần tử ra khỏi hệ thống điện (N-1) khi phụ tải cực tiểu là một sự cố của hệ thống điện, bịhư hỏng hay bị mất một đường dây, một máy phát nào đó không còn hoạt động trong hệ thống điện trong lúc hệ thống điện đang có tải cực tiểu Khi muốn sử dụng phần mềm MATPOWER để mô phỏng trường hợp N-1 thì ta chỉ cần thay đổi cột status từ mức 1(trạng thái hoạt động) thành mức 0(trạng thái ngừng hoạt động)

4.5.1 Trường hợp cắt 1 phát phát khi phụ tải cực tiểu

• Trường hợp cắt máy phát ở nút 1: điều chỉnh cột status ở nút 1 về 0 (trạng thái không hoạt động)

Phần mềm MATPOWER sử dụng phương pháp Newton-Rapshon để tính, hệ thống điện hội tụ sau 4 bước lặp và sau 0,02 giây

Lưới điện có tổn thất công suất là 2,340MW và tổn hao công suất phản kháng 19,65MVAr

Máy phát ở nút 2 hoạt động với công suất 72,34MW nhỏhơn rất nhiều so với ban đầu Đường dây 1-4 bị mất điện

Hình 4.28 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi cắt máy phát ở nút 1 trong trường hợp tải cực tiểu

Tải của các đường dây đều rất nhỏ so với khả năng tải của dây

- Phần mềm MATPOWER sử dụng phương pháp Newton-Rapshon để tính, hệ thống điện hội tụ sau 4 bước lặp và sau 0,01 giây

Lưới điện có tổn thất công suất là 1,130MW và tổn hao công suất phản kháng 15,21MVAr Máy phát ở nút 1 hoạt động với công suất 71,13MW Đường dây 7-2 bị mất điện

Tải của các đường dây đều rất nhỏ so với khả năng tải của dây

Hình 4.31 Ngắt trạng thái hoạt động máy phát 3

Máy phát ở nút 2 hoạt động với công suất 163MW Đường dây 9-3 bị mất điện

Tải các đường dây đều rất nhỏ so với khảnăng tải của dây, đường dây 7-2 có tải lớn nhất là 163MW

4.5.2 Trường hợp cắt 1 đường dây khi phụ tải cực tiểu

• Trường hợp mất đường dây 4-5 khi hệ thống điện đang vận hành có phụ tải cực đại: Khi ta muốn cắt đường dây 4-5 trong phầm mềm matpower thì ta chỉ cần điều chỉnh status của đường dây 4-5 ở branch data về 0 (trạng thái không hoạt động)

Các máy phát vẫn hoạt động bình thường và công suất phản kháng của các máy phát tăng lên

Lưới điện có tổn thất công suất là 11,717MW và tổn hao công suất phản kháng 85,80 MVAr

Hình 4.34 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi cắt đường dây 4-5 ởtrường hợp tải cực tiểu

Khi mất đường dây 4-6 khi hệ thống điện đang vận hành có phụ tải cực đại, chỉ cần điều chỉnh trạng thái của đường dây 4-6 trong số liệu nhánh về 0 (trạng thái không hoạt động) trong phần mềm MATPOWER để ẩn đường dây 4-6 khỏi hệ thống mô phỏng.

• Trường hợp mất đường dây 6-9 khi hệ thống điện đang vận hành có phụ tải cực: Khi ta muốn cắt đường dây 6-9 trong phầm mềm MATPOWER thì ta chỉ cần điều chỉnh status của đường dây 6-9 ở branch data về 0 (trạng thái không hoạt động)

Khi ta cắt đường dây 6-9 thì các nhánh của hệ thống vận hành với kết quả :

Lưới điện có tổn thất công suất là 16,384MW và tổn hao công suất phản kháng 124,29 MVAr Đường dây 5-7 có công suất lớn nhất là 184,27MW

• Trường hợp mất đường dây 5-7 khi hệ thống điện đang vận hành có phụ tải cực đại: Khi ta muốn cắt đường dây 5-7 trong phầm mềm MATPOWER thì ta chỉ cần điều chỉnh status của đường dây 5-7 ở branch data về 0 (trạng thái không hoạt động)

Lưới điện có tổn thất công suất là 23,810MW và tổn hao công suất phản kháng 159,90MVAr Đường dây 6-9 có công suất lớn nhất là 178,89MW

Trong trường hợp hệ thống điện mất đường dây 9-8 đang vận hành với phụ tải cực đại, để thực hiện cắt đường dây này trong phần mềm MATPOWER, người dùng chỉ cần điều chỉnh trạng thái (status) của đường dây thành 0 trong dữ liệu nhánh (branch data) Thao tác này sẽ chuyển đường dây 9-8 sang trạng thái không hoạt động, tương ứng với việc cắt đường dây trong hệ thống điện thực tế.

Phần mềm MATPPOWER sử dụng phương pháp Newton-Rapshon để tính, hệ thống điện hội tụsau 4 bước lặp và sau 0 giây

Trường hợp mất đường dây 7-8 khi hệ thống điện đang vận hành với tải cực đại: Khi cần ngắt đường dây 7-8 trong phần mềm MATPOWER, chỉ cần điều chỉnh trạng thái (status) của đường dây 7-8 trong dữ liệu nhánh (branch data) về 0 (trạng thái không hoạt động).

Hình 4.42 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi cắt đường dây 9-8 ở trường hợp tải cực tiểu

Phần mềm MATPOWER sử dụng phương pháp Newton-Rapshon để tính, hệ thống điện hội tụsau 4 bước lặp và sau 0.00 giây

Hình 4.44 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi cắt đường dây 7-8 ở trường hợp tải cực tiểu

Nhận xét: Trường hợp hệ thống điện có phụ tải cực tiểu, các sự cố mất 1 phần tử trong hệ thống điện (N-1) thì hệ thống điện vẫn hoạt động rất tốt mà không có sự cố sụp đổ hệ thống điện hay quá tải nào xảy ra

Bảng 4.5.1: Tổng hợp kết quả khi cắt 1 phần tử ra khỏi hệ thống điện ởtrường hợp tải cực tiểu Trường hợp cắt 1 phần tử (N-1)

Tải của các đường dây (MW)

4.6 Phân tích chế độ vận hành hệ thống điện bằng phần mềm MATPOWER ở trường hợp phụ tải cực đại

- Ởtrường hợp phụ tải cực đại thì ta sẽtăng công suất của các phụ tải lên 50% và mô phỏng trong phần mêm MATPOWER để kiểm tra kết quả hệ thống điện vận hành như thế nào

Khi ta tăng các phụ tải thêm 50% thì hệ thống điện sẽ có kết quả:

Phần mềm MATPOWER sử dụng phương pháp Newton-Rapshon để tính, hệ thống điện hội tụ sau 4 bước bước lặp và sau 0,01 giây

Hình 4.45 Công suất tải cực đại

Công suất phát của lưới là 481,46MW Trong đó, máy phát 1 hoạt động với công suất lớn nhất, đạt 233,46MW Máy phát 2 có công suất phát là 163MW, còn máy phát 3 có công suất phát là 85MW.

- Đường dây 1-4 có công suất là 233,46MW

- Đường dây 4-5 cố công suất là 131,06MW

Hình 4.46 Kết quả vận hành của lưới điện khi phụ tải cực đại

- Đường dây 9-3 có công suất là 85MW

- Đường dây 7-2 có công suất là 163MW

Qua các kết quả trên thì ta thấy hệ thống điện vận hành ởtrường hợp phụ tải cực đại thì vẫn hoạt động ổn định không có sự cố nào xảy ra, các đường dây không bị quá tải nhưng đường dây 1-4 thi có dấu hiệu gần bị đầy tải và hệ thống điện có tổn hảo công suất là 6,459MW

4.7 Trường hợp cắt một phần tử ra khỏi hệ thống điện (N-1) khi phụ tải cực đại

Trường hợp cắt một phần tử ra khỏi hệ thống điện (N-1) khi phụ tải cực đại là một sự cố của hệ thống điện, bị hư hỏng hay bị mất một đường dây, một máy phát nào đó không còn hoạt động động trong hệ thống điện trong lúc hệ thống điện đang có tải cực đại Khi muốn sử dụng phần mềm MATPOWER để mô phỏng trường hơp N-1 thì ta chỉ cần thay đổi cột status từ mức 1(trạng thái hoạt động) thành mức 0(trạng thái ngừng hoạt động)

4.7.1 Trường hợp cắt 1 máy phát khi phụ tải cực đại

Khi cực đại thì hệ thống điện lúc này sẽ không hội tụ được và có thể sẽ bị sụp đổ hệ thống điện Đây là một trường hợp mà chúng ta cần phải lưu ý và phải có những biện pháp để khắc phục sự ta ngắt máy phát ở nút 1 ra hệ thống đang vận hành trong trường hợp phụ tải cố

• Trường hợp cắt máy phát ởnút 2: điều chỉnh cột status ở nút 2 về 0 (trạng thái không hoạt động)

Hình 4.48 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi ngắt trạng thái hoạt động cảu máy phát 1 ởtrường hợp tải cực đại

Máy phát ở nút 1 thì máy phát ở nút hoạt động với công suất 404,63MW lớn hơn rất nhiều so với ban đầu

Hình 4.50 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi ngắt trạng thái hoạt động của máy phát 2 trong trường hợp tải cực đại

Máy phát ở nút 3 hoạt động với công suất không có thay đổi nhiều so với công suất ban đầu Đường dây 7-2 bị mất điện Đường dây 1-4 bị quá tải với công suất 404,63MW so với khảnăng tải của đường dây là 250MW Đường dây 4-5 hoạt động với công suất 238,15MW và gần đầy tải

Trườ ng h ợ p c ắ t m ộ t ph ầ n t ử ra kh ỏ i h ệ th ống điệ n (N-1) khi ph ụ t ả i c ực đạ i

Trường hợp cắt một phần tử ra khỏi hệ thống điện (N-1) khi phụ tải cực đại là một sự cố của hệ thống điện, bị hư hỏng hay bị mất một đường dây, một máy phát nào đó không còn hoạt động động trong hệ thống điện trong lúc hệ thống điện đang có tải cực đại Khi muốn sử dụng phần mềm MATPOWER để mô phỏng trường hơp N-1 thì ta chỉ cần thay đổi cột status từ mức 1(trạng thái hoạt động) thành mức 0(trạng thái ngừng hoạt động)

4.7.1 Trường hợp cắt 1 máy phát khi phụ tải cực đại

Khi cực đại thì hệ thống điện lúc này sẽ không hội tụ được và có thể sẽ bị sụp đổ hệ thống điện Đây là một trường hợp mà chúng ta cần phải lưu ý và phải có những biện pháp để khắc phục sự ta ngắt máy phát ở nút 1 ra hệ thống đang vận hành trong trường hợp phụ tải cố

• Trường hợp cắt máy phát ởnút 2: điều chỉnh cột status ở nút 2 về 0 (trạng thái không hoạt động)

Hình 4.48 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi ngắt trạng thái hoạt động cảu máy phát 1 ởtrường hợp tải cực đại

Hình 4.50 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi ngắt trạng thái hoạt động của máy phát 2 trong trường hợp tải cực đại

Đường dây 7-2 bị mất điện, trong khi đường dây 1-4 bị quá tải với công suất vượt quá khả năng tải của đường dây là 404,63MW (gần gấp đôi công suất tải cho phép là 250MW) Máy phát ở nút 3 vẫn hoạt động bình thường và cung cấp công suất gần như không đổi so với công suất ban đầu Đường dây 4-5 hoạt động gần hết công suất với mức tải là 238,15MW.

Máy phát ở nút 2 hoạt động với công suất không có thay đổi nhiều so với công suất ban đầu Đường dây 9-3 bị mất điện Đường dây 1-4 bị quá tải với công suất 321,94MW so với khả năng tải của đường dây là 250MW

Nhận xét: Trong ba trường hợp cắt một máy phát ra khỏi hệ thống điện khi phụ tải đang cực đại thì ta thấy trường hợp mất máy phát ở nút 1 thì hệ thống điện sẽ không hội tụ Trường hợp cắt máy phát ở nút thứ 2 và nút thứ 3 thì hệ thống vẫn hoạt động được nhưng máy phát ở nút 1 bị hoạt động quá công suất và các đường dây nối từ máy phát đến lưới điện cũng bị quá tải Ở các trường hợp mất máy phát khi tải đang cực đại thì đều rất nguy hiểm nên cần luôn luôn phải có người giám sát để khắc phục sớm nhất, khi sự cố xảy ra phải giảm công suất và công suất phản kháng xuống Các đường dây nối với máy phát như

Hình 4.52 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi ngắt trạng thái hoạt động của máy phát 3 trong trường hợp tải cực đại đường dây 1-4, 2-7, 3-9 thì nên sử dụng đường dây có công suất tải lớn hơn hoặc mắc thêm đường dây ở khu vực này để tránh bị quá tải

4.7.2 Trường hợp cắt 1 đường dây khi phụ tải cực đại

Khi ta ngắt đường dây 4-5 ra hệ thống đang vận hành trong trường hợp phụ tải cực đại thì hệ thống điện lúc này sẽ không hội tụ được và có thể sẽ bị sụp đổ hệ thống điện

Hình 4.53 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi ngắt trạng thái hoạt động của đường dây 4-5 trong trường hợp tải cực đại

Trong trường hợp mất đường dây 4-6 khi hệ thống điện đang vận hành với phụ tải cực đại, người dùng có thể cắt đường dây này trong phần mềm MATPOWER bằng cách điều chỉnh trạng thái (status) của đường dây 4-6 trong dữ liệu nhánh (branch data) về giá trị 0, tương ứng với trạng thái không hoạt động.

Hai đường dây có công suất tải lớn nhất là đường dây 1-4 và đường dây 4-5 bị đầy tải

Hình 4.58 Kết quả vận hành của hệ thống điện khi ngắt trạng thái hoạt động của đường dây 6-9 trong trường hợp tải cực đại Hình 4.57 Ngắt trạng thái hoạt động của đường dây 6-9

Lưới điện có tổn thất công suất là 9MW và tổn hao công suất phản kháng 111,15 MVAr Đường dây 1-4 có công suất tải lớn nhất là 236MW

Lưới điện có tổn thất công suất là 10,898MW và tổn hao công suất phản kháng 136 MVAr Đường dây 1-4 có công suất tải lớn nhất là 237,90MW

Trong trường hợp muốn cắt bỏ đường dây 9-8 khi hệ thống điện đang vận hành tại trạng thái phụ tải cực đại, người dùng có thể thực hiện trong phần mềm MATPOWER bằng cách điều chỉnh giá trị trạng thái (status) của đường dây 9-8 trong dữ liệu nhánh xuống 0, biểu thị trạng thái không hoạt động.

Các máy phát điện vẫn hoạt động ổn định, đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng, đồng thời công suất phản kháng của chúng tăng lên, giúp kiểm soát độ ổn định điện áp trong hệ thống Hệ thống lưới điện tiếp tục vận hành bình thường, không có sự cố quá tải trên bất kỳ đường dây truyền tải nào.

Lưới điện có tổn thất công suất là 9,140MW và tổn hao công suất phản kháng 119,12 MVAr Đường dây 1-4 có công suất tải lớn nhất là 236,10 MW

• Trường hợp mất đường dây 7-8 khi hệ thống điện đang vận hành có phụ tải cực đại: Khi ta muốn cắt đường dây 7-8 trong phầm mềm MATPOWER thì ta chỉ cần điều chỉnh status của đường dây 7-8 ở branch data về 0 (trạng thái không hoạt động

Khi ta cắt đường dây 7-8 thì các nhánh của hệ thống vận hành với kết quả :

Lưới điện có tổn thất công suất là 22,724MW và tổn hao công suất phản kháng 195,95 MVAr Đường dây 1-4 bị đầy tải với 249,72MW

Kế t lu ậ n và ki ế n ngh ị

K Ế T LU Ậ N

Ở đây đồ án tập trung vào việc phân tích an toàn hệ thống điện IEEE-9BUS Hệ thống điện không chỉ đơn thuần là truyền tải điện năng từ nơi sản xuất điện đến nơi tiêu thụ điện mà nó còn làm chức năng liên kết giữa các nhà máy phát điện với nhau để đảm bảo việc cung cấp điện an toàn, liên tục và đảm bảo chất lượng điện năng Việc phân tích, đánh giá và đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao khả năng vận hành một hệ thống điện được an toàn liên tục là một vấn đề hết sức quan trọng

Ngày nay, hệ thống điện ngày càng phát triển, lưới điện ngày càng phức tạp, qui mô ngày càng rộng lớn hơn thì việc ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật, sử dụng những phần mềm mang tính chuyên nghiệp, tiện ích, hiệu quả để đánh giá phân tích kỹ thuật một hệ thống điện là điều cần thiết Vì vậy, đồ án này chú trọng xây dựng hướng nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng để đánh giá độ an toàn khi vận hành hệ thống điện

Dùng phần mềm MATPOWER để mô phỏng, phân tích một hệ thống điện với các trường hợp, các tình huống đặt ra Tất cả các tình huống vận hành được đặt ra để phân tích bao gồm việc thay đổi các công suất phụ tải ở chế độ xác lập, phụ tải cực đại và cực tiểu, các tình huống phân tích cắt một phần tử (N-1) ra khỏi hệ thống điện được phần mềm tính toán và đưa ra những kết quả cụ thể trong từng trường hợp phân tích

Với kết quả mô phỏng, phân tích đồ án đã đóng góp được các vấn đề như có thể mô phỏng, phân tích an toàn cho bất kỳ một hệ thống điện nào với số lượng nút lớn một cách chính xác và cụ thể nhất Sử dụng thành thạo phần mềm phân tích an toàn là một trong những ứng dụng rất quan trọng không chỉ dành cho công tác quản lý vận hành mà còn rất cần thiết cho những người làm công tác thiết kế hay nghiên cứu phát triển hệ thống điện.

Hạn chế của đề tài

Trong đồ án này nhóm chúng em đã cố gắng giải quyết những vấn đề đặt ra, tuy nhiên do hạn chế về mặt thời gian nên đề tài có một số hạn chế nhất định nên trong đồ án chỉ nghiên cứu trên đối tượng chính là hệ thống điện IEEE-9BUS

Hiểu được lý thuyết về phần mềm MATPOWER nhưng do không đủ thời gian cũng như chuyên môn để phân tích những trường hợp lớn hơn như cắt nhiều phần tử ra khỏi hệ hệ thống điện khi đang vận hành (N-2)

Ki ế n ngh ị

Đối với hệ thống điện IEEE-9BUS thì việc phân tích các tình huống vận hành trong mọi trường hợp có thể xảy ra và tìm được các giải pháp khắc phục, trong đó giải pháp cải thiện khả năng tải của đường dây và kết hợp với bù công suất phản kháng là giải pháp rất hiệu quả và nâng cao độ tin cậy vận hành của lưới điện trong mọi tình huống xảy ra sự cố

Thực hiện nghiên cứu trường hợp (N-2) cho hệ thống điện IEEE-9BUS và nghiên cứu các hệ thống điện khác có số nút lớn hơn.

Tiêu đề	Phân tích an toàn vận hành hệ thống điện bằng phần mềm MATPOWER
Tác giả	Nguyễn Trung Kiệt, Nguyễn Đắc Nhật
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Đoàn Quyết
Trường học	Trường Đại học Nha Trang
Chuyên ngành	Điện – Điện Tử
Thể loại	Đồ án thiết kế điện
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Khánh Hòa

Định dạng
Số trang	93
Dung lượng	2,35 MB