CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHẾ độ làm VIỆC của lưới PHÂN PHỐI

Hiệu quả kinh tế liên quan đến vốn đầu tư, chi phí vận hành bao gồm chi phí tổn hao thiết bị, chi phí do tổn thất công suất và tổn thất điện năng, chi phí bảo quản, trả lương cán bộ… Các

CHƯƠNG I

LÝ THUYẾT CHUNG VỀ LƯỚI PHÂN PHỐI

1.1 Khái niệm chung về lưới phân phối

1.1.1 Lưới hệ thống

Lưới hệ thống bao gồm các đường dây tải điện và trạm biến áp khu vực, nối liền các nhà máy điện tạo thành hệ thống điện Đặc điểm chủ yếu của lưới hệ thống là thường có điện áp từ 110 kV đến 500 kV, lưới có nhiều mạch vòng, vận hành kín

1.1.2 Lưới truyền tải

Làm nhiệm vụ tải điện từ các trạm khu vực đến các trạm trung gian Cấp điện áp thường là 35, 110, 220kV Lưới này có khoảng cách truyền tải tương đối dài, cấu trúc kín theo kiểu các lộ song song nhưng vận hành hở

là chính

1.1.3 Lưới phân phối

Lưới phân phối làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian (hoặc trạm khu vực hoặc thanh cái nhà máy điện) cho các phụ tải Lưới phân phối gồm hai phần:

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới phân phối

1 Chất lượng điện áp

2 Độ liên tục cung cấp điện

3 Độ an toàn ( an toàn chung và nguy cơ hoả hoạn)

4 ảnh hưởng đến môi trường: cảnh quan, môi sinh

5 Hiệu quả kinh tế liên quan đến vốn đầu tư, chi phí vận hành (bao gồm chi phí tổn hao thiết bị, chi phí do tổn thất công suất

và tổn thất điện năng, chi phí bảo quản, trả lương cán bộ…) Các tiêu chuẩn trên được sử dụng trong quy hoạch và vận hành lưới phân phối

1.3 Cấu trúc của lưới phân phối trung áp

1.3.1Các phần tử lưới phân phối

1 Thiết bị dẫn điện: máy biến áp phân phối, đường dây gồm dây dẫn

và phụ kiện

2 Thiết bị bảo vệ: hệ thống rơle, máy cắt, cầu chì, áptômát, bảo vệ chống quá điện áp

3 Thiết bị điều chỉnh điện áp: thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị đầu phân áp đặt trong máy biến áp trung gian và phân phối, tụ bù ngang, bù dọc thiết bị đối xứng hoá, thiết bị lọc các sóng bậc cao…

4 Thiết bị đo lường: đồng hồ các loại, công tơ và các phụ kiện truyền thông tin

5 Thiết bị giảm tổn thất điện năng: tụ bù

6 Thiết bị nâng cao độ tin cậy: máy cắt và dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đường dây…

7 Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: máy tính điện tử, hệ thống thu và xử lý tin tức, truyền tín hiệu điều khiển, thiết bị thực hiện…

1.3.2 Sơ đồ

Sơ đồ lưới phân phối gồm có:

1 Sơ đồ trạm - là sự ghép nối các phần tử với nhau của các trạm biến áp trong lưới phân phối

2 Sơ đồ lưới - là các đường dây nối các trạm biến áp phân phối với nguồn và từ các trạm phân phối với các hộ tiêu dùng điện

1.3.3 Hệ thống điều khiển tự động

a Bộ phận điều khiển trung tâm:

b Các trạm điều khiển đặt trên lưới phân phối:

c Hệ số truyền tin:

1.4.1 Cấu trúc hở (sơ đồ hình tia)

a Lưới phân phối trên không (hình 1.2a)

b Lưới phân phối cáp

1.4.2 Lưới phân phối kín vận hành hở (LPP K/H)

1.5 VẬN HÀNH VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LƯỚI PHÂN PHỐI

1.5.1 Công tác vận hành

a Công tác chuẩn bị cho một chế độ vận hành sắp thực hiện gồm:

- Lựa chọn cấu chúc vận hành tối ưu.

- Xác định giá trị giới hạn của các đại lượng điện khi vận hành như:

điện áp, dòng điện ở các điểm nhất định

- Tính toán các đại lượng chỉnh định cho rơle và các thiết bị tự động khác như: tự đóng trở lại nguồi điện, tự đóng nguồn dự trữ,

…

- Tính toán chuẩn bị kế hoạch cho dừng điện công trình.

b Công tác điều hành hoạt động của lưới phân phối

- Theo dõi hoạt động của lưới phân phối kịp thời phát hiện các hiện tượng không bình thường (nhờ có các thiết bị đo lường các đại lượng điện và tín hiệu về trạng thái của các thiết bị đóng cắt trên lưới phân phối)

- Thực hiện công tác điều hành:

- Ra các lệnh và thực hiện thao tác khi sự cố hoặc dừng điện công tác

- Truyền các giá trị giới hạn hoặc điều chỉnh tới các thiết bị điều chỉnh tự động hoặc điều chỉnh bằng tay

- Truyền các giá trị điều khiển công tơ

- Ghi chép các đồng hồ đo

c.Công tác phân tích kết quả vận hành

- Tìm hiểu và phân tích nguyên nhân sự cố

- Rút kinh nghiệm hoàn thiện các thao tác khi sự cố dừng điện công tác

- Lập ra đường lối vận hành,bảo quản thiết bị mới thích hợp

1.5.2 Các công việc cụ thể phải làm khi vận hành lưới phân phối và khả năng tự động hóa chúng

1.5.2.1 Nhóm công việc thực hiện trên lưới

1 Điều chỉnh điện áp gồm:

- Điều chỉnh thường xuyên dưới tải đầu phân áp của máy biến áp trung gian

- Điều chỉnh ngoài tải đầu phân áp của máy biến áp phân phối theo thời vụ và khi cần thiết (và các thiết bị điều chỉnh điện áp khác trên lưới nếu có)

2 Vận hành khi sự cố:

- Nhận biết phần tử lưới bị sự cố kéo dài

- Cô lập phần lưới sự cố

- Phục hồi cung cấp điện cho các phần tử lưới tốt

3 Thao tác cắt, đóng điện phục vụ các công trình:

- Sửa chữa thiết bị.

- Đóng phụ tải mới

4 Giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng gồm:

- Điều chỉnh dưới tải tụ bù (phối hợp với điều chỉnh điện áp)

- Điều chỉnh sơ đồ lưới phân phối: chọn và thực hiện sơ đồ lưới phân phối sao cho tổn thất điện năng nhỏ nhất

5 Bảo vệ lưới phân phối

- Bảo vệ chống sự cố: thực hiện bằng các hệ thống rơle-bảo vệ (chống ngắn mạch các loại,chống quá điện áp các loại)

- Bảo vệ quá tải máy biến áp trung gian

- Bảo vệ qua tải trục chính

- Bảo vệ quá tải máy biến áp phân phối

6 Đo lường các đại lượng điện để tính toán các đặc tính của phụ tải phục

vụ quy hoạch và vận hành.

1.5.2.2 Nhóm công việc thực hiện ở phụ tải

7 Sa thải phụ tải theo tần số.

8 Sa thải phụ tải theo quá tải thiết bị lưới phân phối và theo tình trạng sự

cố hệ thống điện (kết quả cuả nhiệm vụ 5b,5c,5d).

9 Truyền tín hiệu điều khiển công tơ,thực hiện đo điện theo bảng giá.

10 Ghi số công tơ, lập hóa đơn tiền điện.

11 Lưu trữ các thông tin về vận hành,phân tích đánh giá các kết quả vận hành trong quá khứ,rút ra các kết luận phục vụ công tác vận hành trong tương lai và cho quy hoạch lưới phân phối

1.6 PHỤ TẢI CỦA LƯỚI PHÂN PHỐI

1.6.1 Định nghĩa và đặc điểm của phụ tải điện

1.6.1.1 Định nghĩa

Phụ tải điện là công suất tác dụng và công suất phản kháng yêu cầu tạo một điểm nào đó của lưới điện áp định mức gọi là điểm đặt hay điểm đấu phụ tải

1.6.1.2 Đặc điểm của phụ tải điện.

- Biến thiên theo quy luật ngày đêm,theo quy luật của sinh hoạt và sản xuất, tạo ra quy luật phụ tải ngày đêm

1.6.2 Phân loại phụ tải

Trong quy hoạch ,thiết kế lưới điện,người ta thường phân biệt: phụ tải đô thị, nông thôn và công nghiệp Chúng có các đặc trưng riêng và lưới điện trung, hạ cấp điện cho các tải phụ này cũng có các đặc trưng riêng, được gọi là: lưới đô thị, lưới nông nghiệp và công nghiệp

1.6.3 Các đặc trưng của phụ tải

1.6.3.1 Đồ thị phụ tải ngày đêm

Đồ thị phụ tải ngày đêm diễn tả công suất trong từng giờ của ngày đêm theo đúng trình tự thời gian

1.6.3.2 Đồ thị phụ tải kéo dài

Đồ thị phụ tải kéo dài dùng để xét sự diễn biến của phụ tải trong khoảng thời gian dài (tuần,tháng, quý,năm)

1.6.3.3 Các đại lượng đặc trưng đơn giản

Trong thực tế,không phải lúc nào cũng cần đến đồ thị phụ tải,mà chỉ cần đến một đặc trưng là đủ

1.6.4 Yêu cầu của phụ tải đối với hệ thống điện

1.6.4.1.Chất lượng điện năng

Chất lượng điện năng gồm có: Chất lượng điện áp và chất lượng tần số

1.6.4.2 Độ tin cậy cung cấp điện

Theo chỉ tiêu độ tin cậy,phụ tải chia làm hai loại:

- Phụ tải có tính chất chính trị xã hội sao cho đảm bảo độ tin cậy đặc biệt rất cao

- Các phụ tải khác được phân loại theo thiệt hại kinh tế mất điện,tính bằng đ/kWh mất điện.Gía tiền mất điện này do hệ thống điện xác định,từ đó các cơ quan thiết kế lựa chọn sơ đồ cung cấp điện

1.6.5 Tính toán phụ tải điện

Phụ tải điện được tính toán để phục vụ quy hoạch và thiết kế lưới điện hoặc để đánh giá kỹ thuật – kinh tế trạng thái của lưới điện đang vận hành

CHƯƠNG 2

CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA

LƯỚI PHÂN PHỐI 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Tính toán chế độ làm việc của lưới phân phối là tính dòng công suất hoặc dòng điện đi qua các nhánh của lưới phân phối (gọi tắt là phân bố dòng),điện áp tại các nút, tổn thất điện áp, tổn thất công suất và tổn thất điện năng khi biết công suất tiêu thụ ở các nút tải do dự báo hoặc do đo đạc

và điện áp ở nút nguồn

Tính toán lưới phân phối là bài toán cơ sở quan trọng nhất của lưới phân phối để phục vụ công tác vận hành cũng như quy hoạch Trong vận hành: tính toán lưới điện phân phối để kiểm tra tình trạng kỹ thuật của lưới phân phối để điều chỉnh hoặc cải tạo kịp thời , để chọn cấu trúc vận hanhg tối ưu.Còn quy hoạch thiết kế để lựa chọn thiết bị, tính kinh tế các phương án để chọn phương án tối ưu

2.2 TÍNH PHÂN BỐ DÒNG TRÊN LPP HỞ

2.2.1.Khái niệm chung

Để tính toán ,LPP được mô tả bởi sơ đồ bao gồm các nhánh và nút

p , Q

1

4

(4)

1 1

p' , Q'1 1 p' , Q'2 2 p' , Q'3 3

p' , Q'4 4

p , Q2 2 p , Q3 3

p , Q4 4 n

NÚT bao gồm các loại:

- Nút nguồn: thanh cái trung áp trạm tăng áp hay trạm trung gian

- Nút tải, có thể có máy biến áp phụ tải hoặc không

- Nút nhánh rẽ

- Nút nối hai loai dây khác nhau

- Nút tụ bù

Nhánh nối giữa hai nút, gồm có

- Nhánh đường dây, gọi là các đoạn lưới

- Nhánh kháng bù dọc hay tụ bù dọc

- Nhánh máy điều chỉnh điện áp

Nút nguồn đánh số 0, các nut khác đánh từ 1-N

Nhánh đánh số theo nút cuối

Nút viết số thường, số nhánh để trong ()

Với lưới phân phối có thể chấp nhận các giản ước sau:

- Không xét thành phần ngang trục của điện áp do đó điện áp luôn là

số thực

- Khi tính tới điện dung đường dây thì công suất phản kháng do dung dẫn sinh ra sẽ được tính vào phụ tải

- Trong tính toán dòng điện từ công suất ,điện áp đươc lấy bằng giá trị định mức

2.2.2 Các phương pháp tính lưới phân phối hở khi biết phụ tải ở cùng thời điểm

1-Phương pháp cộng phụ tải:

Phương pháp cộng phụ tải là phương pháp gần đúng, đơn giản nhất

để tính lưới phân phối với sai số chấp nhận được

*Nội dung phương pháp như sau:

Phụ tải của môt nhánh lưới điện bằng tổng công suất các phụ tải được cấp điện qua nhánh đó, bỏ qua tổn thất công suất trên các nhánh lưới điện nối từ nhánh được xét đến các nút phụ tải

Số liệu được cho là:

- Cấu trúc lưới điện: công suất định mức, loại dây, tiết điện, độ dài, số

lộ song song, máy biến áp phụ tải: công suất phụ tải, số máy song song, các thiết bị khác Từ các số liệu này tính được: thông số đường dây và trạm biến áp;

- Phụ tải của các nut tải: P’i và Q’i hoặc P’I và cosφ’i, i= 1…N;

- Điện áp nút nguồn Uo

Thông số cần tính là:

- Điện áp các nút tải;

- Công suất yêu cầu đầu đường dây;

Các công thức tính toán phụ tải các nhánh k là:

'

k

i C

∈

k

i C

∈

k

i C

∈

Ck là tập các nút tải được cấp điện qua nhánh k Sau khi tính được phụ tải nhánh ta tính tổn thất điện áp nhánh:

dd

( , , , , , ) 1000.

k

U

+

Tổn thất điện áp từ nguồn đến các nút phụ tải:

0

i

i D

∈

Có thể tính tổn thất điện áp %

dd

( ).100

o i

o i

U kV U

U

−

−

∆

Tổn thất điện áp phần trăm lớn nhất của lưới điện là:

ΔU(%)max = max( ΔU0-i(%) ) Điện áp nút i:

Ui = Uo – ΔU0-i

Tiếp theo tính tổn thất công suất trên các đoạn lưới

2 dd

1000

k k

P Q

P R kVAr kW kVAr kV

U

+

2 2

2 dd

1000

k k

P Q

Q X kVAr kW kVAr kV

U

+

Rk, Xk (Ω) là điện trở và điện kháng các đoạn lưới k Tổng tổn thất công suất trên toàn lưới điện:

1

N k k

=

1

N

k k

=

Công suất yêu cầu ở đầu nguồn

0

1

'

N i k

=

0

1

'

N i k

=

Tổn thất công suất %

'

N i i

P P

P

=

∆

∑

2-phương pháp lặp Newton -Raphson (N-R)

pháp Newton –Raphson

*Nội dung phương pháp như sau:

Ta cần xét bài toán:

g(X)=b (2-1)

Để giải bài toán ta đặt hàm F(x) = b-g(X) (2-2) Xét hàm F(X) trên hàm 2-1.Nghiệm của hàm này là X* Nghiệm của F(X) được xác định gần đúng như sau : Xuất phát từ nghiệm băn đầu

X0 bất kỳ, ta thấy sai số của lời giải là:

F(x)

x* x1 x0

x

x0

Hình 2-1

0

∆ = − = = − (2-3) Tại điểm F X( )0 ,X0 

ta kẻ tiếp tuyến T X1( ) với F(X):

Trong đó :

Giải phương trình T X1( ) =0 ta đươc nghiêm X1:

( )

Ta nhận thấy X1 gần X*Nếu tại F X( )1 ,X1 kẻ tiếp tuyến T X2( ) ta sẽ đươc nghiệm X2 gần X*hơn nữa

Tổng quát :

( ) 1 ( ) 1

X =X − = ∆X =g X − − ∆F X −

Hay là :

( )m 1 ,( m 1) m

(2-4)

Nếu giải hệ phương trình thì ta có dạng ma trận như sau:

( )m 1 m1 m

∆ = ∆ (2-5)

( )1 1 ( )m 1

∆ = ∆ (2-6)

J là ma trận các đạo hàm riêng của g(X) theo biến gọi là ma trận Jiacobi.

1

1

G

n

n

G G

J

θ

=

Áp dụng phương pháp Newton-Raphson vào giải tích lưới điện với F

là phương trình cân bằng công suất nút, ta có hệ phương trình sau:

1

DX =J DP−− −

Trong đó:

K thể hiện chỉ số bước lặp

1 2

1 2

,

n

n DX

θ θ θ

∆

∆

∆

=

∆

∆

∆

U U U

1 1

,

pt pt

pt pt

DP

−

−

−

−

−

1

, ,

1 1 1 1

1

,

Gọi Ui là điện áp tại nút I, j i

U =U eθ

Ta có : ∆θi = θik – θik-1 rút ra: θik = ∆θik + θik-1

∆Ui = Uik – Uik-1 rút ra: Uik = ∆Uik + Uik-1

Phương trình cân bằng công suất nút cho nút thứ i là:

ij

i

i

j C

∈

=∑ , Pij là dòng công suất tác dụng đi từ i đến j

ij

i

i

j C

∈

=∑ , Qij là dòng công suất phản kháng đi từ i đến j

Ci là tập các nút có đường dây nối với i

2

ij i ij os ij i j ij os i j ij

P = −U Y c ϕ +U U Y c θ θ ϕ − −

2

ij i ij sin ij i j ij sin i j ij

Q = −U Y ϕ +U U Y θ θ ϕ − −

Yij là tổng dẫn tương hỗ giữa hai nut i, j và là thành phần ngoài

đường chéo của ma trận tổng dẫn Y

Yij = Yij ∠φij

Có thể nói ma trân Jacobian có vai trò quan trọng trong thuật toán giải bằng phương pháp Newton-Raphson Vì phương trình p, q trong phương trình cân bằng công suất nút i là phi tuyến đối với ẩn điện áp do

đó ma trân Jacobian phụ thuộc ẩn điện áp và thay đổi từ bước lập này sang bước lặp khác Lấy đạo hàm trực tiếp các phương trình chế độ xác lập theo các biến ta sẽ thu được các phần tử của ma trận

( )

ij sin ij

i

i

θ

∂ = − −

∂

i

j

P

θ

∂

( )

ij os ij

i

i

Q

θ

∂ = −

∂

i

j

Q

θ

∂

( )

ij os ij /

i

j

∂ = +

∂

os

i

j

P

U c

∂

( )

ij sin ij /

i

i

Q

∂ = −

∂

i

j

∂

2.3.3.Phương pháp tính lưới điện khi biết phụ tải cực đại.

1-Tính theo hệ số tham gia vào đỉnh và hệ số đồng thời

2-Tính theo năng lượng tiêu thụ

3-Tính theo công suất tiêu thụ max của toàn lưới điện

CHƯƠNG III PHÂN TÍCH, SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LƯỚI

ĐIỆN TRÊN VÍ DỤ THỰC TẾ

Lưới điện dung tính toán áp dụng ở đây ta dùng lười điện quận cầu Hoàng mai- Thành phố Hà Nội

3.1.Số liệu lưới điện

3.1.1-đường dây 22 kV

Mạng điện được mô tả trên hình 3a

a.Số liệu đầu vào

3.1.2-đường dây 10 kV

Mạng điện được mô tả trên hình 3b

a Số liệu đầu vào

3.2.Tính và so sánh phương pháp cộng phụ tải và phương pháp N-R

3.2.1.Tính lưới điện 22 kV

a Tính lưới điện 22 kV theo phương cộng phụ tải

Tổn thất điện áp lớn nhất là: 8.50% ở nút : 31

a theo phương pháp Newton –Raphson

Tổn thất điện áp lớn nhất là: 9,07% ở nút : 31

Tổng CS tác dụng của phụ tải –kW: 4204.414

Tổng CS phản kháng của phụ tải-kVAr: 2598.667

Tổng TTCS tác dụng: 223.7024 kW 5.321 % Tổng TTCS phản kháng: 304.1575 kVAr 11.704 %

• So sánh kết qủa tính lưới 22 kV

Qua kết qua tính toán bằng hai phương pháp: Cộng phụ tải và phương pháp Newton-Raphson ta có sự so sanh như sau:

Tổn thất điện áp lớn nhất của trường hợp tính theo phương pháp Newton-Raphson là 9,07% ở nút : 31% , cao hơn tương đối so với trường hợp tính lưới điện theo phương pháp cộng phụ tải là 8.50% ở nút : 31

Sai số phần trăm là :

9,07 8,50

9,07

3.2.2.Tính lưới điện 10 kV

a Tính lưới điện 10 kV theo phương cộng phụ tải

Tổn thất điện áp lớn nhất là : 9.23% ở nút 13

b.Tính theo phương pháp Newton Raphson

Tổn thất điện áp lớn nhất là 10,18% ở nút : 13

Tổng CS tác dụng của phụ tải –kW: 1503.072

Tổng CS phản kháng của phụ tải-kVAr: 935.292

Tổng TTCS tác dụng: 99.4014 kW 6.613 % Tổng TTCS phản kháng: 132.6230 kVAr 14.180 %

c So sánh kết qủa tính lưới 10 kV

Qua kết qua tính toán bằng hai phương pháp: Cộng phụ tải và phương pháp Newton-Raphson ta có sự so sanh như sau:

Tổn thất điện áp lớn nhất của trường hợp tính theo phương pháp Newton-Raphson là 10,18% ở nút : 13, cao hơn tương đối so với trường hợp tính lưới điện theo phương pháp cộng phụ tải là 9.23% ở nút 13

Sai số % của điện áp là:

10,18 9,23

10,18

Kết luận phần so sánh phương pháp N-R và cộng phụ tải: