PHÂN MỀM TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN

Trang 1

Giới thiệu chung

Bài toán trào lưu công suất

PSS/E (tính toán cho lưới truyền tải)

PSS/ADEPT (tính toán cho lưới phân phối)

DOCWIN (Tính toán lưới hạ áp)

Trang 2

TS Nguyễn ðăng Toản 3

3/9/2011

1.1 Lịch sử phát triển của HTð

lập nhà máy ñiện ở Mỹ, với tải là 400 bóng ñèn,

công suất 83 W/1bóng

phân phối ñiện năng ñến phụ tải cho mục ñích sử

dụng chung (chiếu sáng các con ñường, quảng

trường)

Deptford bên bờ sông Thames ñể cung cấp ñiện cho thủ ñô London:

Sử dụng dòng ñiện xoay chiều, Dùng hệ thống cáp ngầm

ðiện áp 10kV

http://www.wikipedia.com/

Bóng ñèn của Edison

1.1 Lịch sử phát triển của HTð (tiếp)

của HTð hiện nay là:

Sự phát minh MBA (chỉ làm việc với dòng

ñiện xoay chiều)

Sự phát minh của Từ trường quay: =>ñộng cơ

và máy phát ñiện nhiều pha

ñã chiến thắng “Cuộc chiến các hệ thống

ñiện”

1 Giới thiệu chung

Phát minh của Tesla (US390721): máy phát ñiện Dynamo

Ngày nay, HTð chủ yếu dùng hệ

thống dòng ñiện 3 pha xoay chiều

http://www.wikipedia.com/

Trang 3

3/9/2011

1 2 Sự phát triển của HTð và sự cần thiết PMTTHTð

IPP

ðường dây Liên lạc

Hệ thống khác

MV/LV

Tải công nghiệp Tải công

nghiệp

HV/MV

Tải dân dụng

1.3 Các loại hiện tượng xảy ra trong HTð

Phân loại các hiện tượng theo thời gian

ði ềềềều chỉỉỉỉnh ñ/d liên lạạạạc

ði ềềềều chỉỉỉỉnh tảảảải ngày

Khoảng thời gian (giây: s)

1µµµs , ởởởở tầầầần sốốốố 50Hz Kho ảảảảng 1 chu kỳỳỳỳ 1s 1 phút 1 giờờờờ 1 ngày

Quá ñộ ñiện từ

Quá ñộ ñiện cơ

Bài toán offline

PSS/E, EUROSTAG, DIGISLENT…

EMTP_RV,

PSCAD,….

Cần chọn ñúng công cụ, tương ứng với các hiện tượng cần nghiên cứu

Trang 4

TS Nguyễn đăng Toản 7

3/9/2011

1.3 Các loại hiện tượng xảy ra trong HTđ

Vắ dụ: khi nghiên cứu ổn ựịnh các phần tử trong HTđ

MBA tự ựộng ựiều áp dưới tải

Giới hạn kắch từ

Chế ựộ ựộng do vận hành điều chỉnh dòng công suất trên ự/d liên lạc

Kho ảảảảng thờờờời gian (giây: s)

Ổn ựịnh ngắn hạn Ổn ựịnh trung hạn Ổn ựịnh dài hạn

SVC Quán tắnh ựộng của MPđ Q/tr ựộng của MPđ/kắch từ

đóng cắt tụ ựiện

Q/tr ựộng của ựộng cơ ựiện

điều khiển bộ tua bin-máy phát

1.4 Vấn ựề cần quan tâm khi chọn PMTTHTđ

Các dạng mô phỏng

Tùy theo mục ựắch nghiên cứu mà người ta sẽ dùng các mô phỏng khác nhau

Môi trường mô phỏng

Môi trường phụ thuộc thời gian

Môi trường phụ thuộc tần sô

Các thiết bị trong thư viện

Sự sẵn có của các mô hình thiết bị ựiện như MPđ, MBA, kắch từ, ựường dây

Sự thân thiện người-máy

Sử dụng dễ dàng, các tắnh năng phụ trợ như in ấn, xuất ra file số liệu, kết quá

Sự tuân theo các tiêu chuẩn

Các tiêu chuẩn kỹ thuật và công nghiệp, vắ dụ như IEEE, IEC,

Mô hình và phương pháp toán học

Tuyến tắnh và phi tuyến

Phân tắch chế ựộ xác lập: xác ựịnh trào lưu

công suất, ựiện áp, tổn thấtẦ

Phương pháp giả xác lập: tắnh toán ngắn

mạch, và sóng hài.

Phân tắch ựộng: kiểm tra xem HTđ có mất

ổn ựịnh, thậm chắ sụp ựổ ựiện áp khi trải

qua các kắch ựộng và ựể xác ựịnh giới hạn

vận hành của HTđ

Phân tắch quá trình quá ựộ: mô phỏng sự

làm việc theo thời gian thực, bao gồm các

mô hình phi tuyến, sự mất cân bằng ựiện

kháng, thông số phụ thuộc tần sốẦ

Trang 5

Trang 6

Do các trung tâm nghiên cứu phát

triển, số lượng mô hình ít, khó

Các bài toán tối ưu…

Các bài toán offline

Xem thêm trong báo cáo

2.1 Các vấn ñề chung của bài toán trào lưu công suất

Cần thiết cho mọi các bài toán khác

Qui hoạch

Thiết kế

Vận hành

Các bài toán nghiên cứu khác

Cho biết các thông tin

U (V), I(A), δ, P (MW), Q (MVAr) trên các nhánh, tổn thất,…

Trang 7

3/9/2011

2.1 Các vấn ñề chung của bài toán trào lưu công suất

Yêu cầu tính toán các thông số

MBA thông thường

Có bộ phận ñiều áp dưới tải

2 Các mô hình thiết bị trong nghiên cứu bái toán trào lưu công suất

Trang 8

3/9/2011

ðƯỜNG DÂY TẢI ðIỆN

G B

X R

G B

2.2.1 ðường dây tải ñiện

2

) (

) / ( ln

10

2

3 / 1 7

m F r

D

k

C

m d d

d

D

m H D

D x

L

eq

ca bc

ab

eq

s eq

r: bán kính dây dẫn

ðường dây cáp ngầm

Cũng có các thông số cơ bản

Có một số tính chất khác:

Các pha ñặt gần nhau hơn

ðược quấn quanh bởi lớp cách ñiện, tấm chắn kim loại

Cách ñiện hiện nay chủ yếu là loại XLPE

Trang 9

Trong ñó:

A=(1+ZY/2), B=Z, C=Y(1+YZ/4), D=(1+ZY/2)

Trang 10

(natural load or surge impedance load -SlL)

BC= 8 32x 10 -4 250=0.208pu

Trang 11

Trang 12

3/9/2011

Các mô hình ñường dây khác

ðường dây có tụ bù dọc

ðường dây có tụ bù ngang

Trang 13

Trang 14

P0, Q0: là công suất tác dụng và phản kháng tại nút tải ở chế ñộ ban ñầu

p1, p2, p3và q1, q2, q3: là các thành phần diễn tả ñiện kháng không ñổi, dòng ñiện không ñổi

và công suất không ñổi với tổng của chúng bằng 1.0.

kpf∆f, kqf∆flà các thành phần phụ thuộc tần số

P0, Q0là công suất tác dụng và phản kháng tại giá trị ñiện áp V=1.0(pu),

Trang 15

Trang 16

3/9/2011

2.3 Máy biến áp

Trong tính toán trào lưu

công suất, MBA ñược biểu

diễn bởi mô hình pi thông

Trang 17

t i

2

t

* t

t t

j

i

VVa

ya

yy

II

3/9/2011

2.2.4 Máy phát ñiện

Trang 18

3/9/2011

Khi tính trào lưu công suất: MPð như là một nguồn

bơm công suất tác dụng và phản kháng

Khi tính toán ổn ñịnh, tối ưu, các bài toán khác cần có

mô hình chi tiết, ñặc tính tiêu hao nhiên liệu, các bộ

ñiều khiển,

Tương tự như vậy ñối với FACTS, HVDC

2.2.4 Máy phát ñiện và HVDC, FACTS

cb cb

I 3

V Z

; V 3

S

Một HTð bao gồm nhiều cấp ñiện áp khác nhau, do ñó cần

có sự biến ñổi các ñại lượng về một cấp ñiện áp => dùng

hệ ñơn vị tương ñối

cb pu

ñvtñ cb

pu

ñvtñ

cb pu

ñvtñ

Z

Z ) Z ( Z

; I

V ) V ( V

; S

S )

) cb ( kV S

V Z

2

cb

2 cb

Trang 19

3/9/2011

2.2.6 Hệ ñơn vị tương ñối

Trong hệ ñơn vị tương ñối, giá trị

pha và 3 pha là giống nhau, vẫn

dùng các công thức:

Nếu công suất tải ba pha có thể

ñược tính theo công thức

Dòng ñiện tải pha:

Thay vào ta có:

Tổng trở tải:

cb cb cb cb

* cb P )

Z

V

I =

) 3 ( cb

*

2 L L ) 3 ( cb

*

2 P P

S

VS

V3Z

Φ

− Φ

=

) 3 ( cb

*

cb 2 cb

2 L L cb

P pu

S

SV

VZ

ZZ

Thay ñổi các ñại lượng cơ bản

Các thông số của MPð, MBA

ñược cho bởi các nhà phân phối,

thông thường cho bởi hệ ñvtñ cơ

bản ñịnh mức của MPð và MBA.

Khi tính toán HTð thì thường

chọn một ñại lượng cơ bản chung,

ví dụ Scb=100MVA, Do ñó cần

phải chọn ñiện áp cơ bản Thông

thường chọn Vcb cho mỗi cấp là

ñiện áp danh ñịnh của mỗi cấp

(V )

S Z Z

Z

cb cu cb cu cb

cu pu cu

cb moi pu

moi

V

SZZ

Z

2

cb moi cb cu

cb cu cb moi cb cu pu moi

V

VS

SZ

Trang 20

3/9/2011

Lợi ích của hệ ñvtñ:

Hệ ñvtñ cung cấp giá trị tương

ñối của các ñại lượng S, I, V, Z

Các giá trị trong hệ ñvtñ có giá

trị nhỏ

Các giá trị trong ñvtñ của MBA,

MPð ñơn giản không cần quan

tâm ñến các phía cao áp, hạ áp,

es_cb: ñiện áp pha cơ bản V

is_cb:dòng ñiện pha cơ bản A

Trang 21

3/9/2011

ñm G ñmG 2 ñm G ñm G cb G

d d

S

V Z

, ) Z ( Z

ðiện áp NM của MBA

MBA hai cuộn dây

ñm K

ñm K ñm K ñm

K

K K

I.

3

V X

, 100 x X

X

%

100 x V

V

% V

ñm

kV _ N

N =

cb 2 cb B ñm ñm 2

% _ N 1

S S

V 100

V

X =

3/9/2011

Ví dụ 1: cho HTð như hình vẽ, Tính các ñại lượng trong hệ

Trang 22

ñ/d1: Zcb1= 220000 2 /100000000=484Ω

X=(48,4/484)=0,1pu

ñ/d2: Zcb2=110000 2 /100000000=121 Ω

X=65,43/121=0,54pu

ðối với tải, hệ số công suất bằng 0,6 chậm sau

Trang 23

3/9/2011

Giả sử ñộng cơ vận hành ñầy tải ở hệ số công suất 0,8 vượt trước,ở ñiện áp 10,45kV

Hãy tính ñiện áp ở phía máy phát (nút 1)

Xác ñịnh ñiện áp của ñộng cơ

y Y

Y

i j voi y

Trang 24

3/9/2011

3.2 Phương pháp tính tốn: Gauss-Seidel

Là phương pháp lặp dùng để tính tốn nghiệm của pt đại số phi tuyến: f(x)=0

Biến đổi dưới dạng: x=g(x)

Nếu gọi x(k)là nghiệm dự đốn ban đầu, thì nghiệm tại bước lặp tiếp theo là:

x(k+1)=g(x(k))

Nghiệm cuối cùng nhận được khi mà sai số giữa hai

bước lặp nhỏ hơn sai số ε cho phép

Trang 25

3/9/2011

3.2 Phương pháp tính toán: Gauss-Seidel

Nếu có n phương trình và n biến

0

j

ij i

i

* i i i

V V

Trang 26

3/9/2011

Khi tính toán trào lưu công suất, ta phải giải hệ phương trìnhphi tuyến, với mỗi nút có hai biến chưa biết, nếu dùng Gauss-seidel thì ta giải cho Vi

Với yijlà tổng dẫn nhánh, Pisch, Qischlà c/s tác dụng và phản

kháng tại nút i Nếu là nút máy phát thì Pisch, Qischlà công

suất bơm vào nút i có giá trị dương, còn nút phụ tải thì Pisch,

Qischlà công suất lấy từ nút i , có giá trị âm

i j voi y

V y V

jQ P V

ij

) k ( j n 1 j ij )

k (

* i

sch i sch i ) 1 k (

i j voi y

V y V

jQ P V

ij

) k ( j n 1 j ij )

k (

* i

sch i sch i ) 1 k (

Sau khi tính ñược Vithì ta có thể tính ñược công suất tại cácnút

Lưu ý là: nên phương trình trên trở thành

i j voi V

y y

V V

Im Q

i j voi V

y y

V V

R P

) k ( j n

1 j ij n

0 j ij ) k ( i ) k (

* i )

1

j ijn

0

j ij

) k ( i ) k (

* i )

=

= +

ij ij ij

ii y , Y y

Y =∑ = −

j voi V Y Y V V Im Q

i j voi V Y Y V V R P

) k ( j n ij ii ) k ( i ) k (

* i ) 1 k ( i

) k ( j n

i 1 j ij ii ) k ( i ) k (

* i ) 1 k ( i

3 Bài toán trào lưu công suất

Trang 27

3/9/2011

Các chú ý: Ở ñiều kiện làm việc bình thường thì ñiện áp của các nútxấp xỉ 1(hoặc gần với nút cân bằng), ñiện áp các nút tải thường nhỏhơn ñiện áp nút cân bằng một chút tùy thuộc vào công suất phản

kháng của tải, các góc pha của nút tải cũng nhỏ hơn góc pha của nútcân bằng

ðối với nút P-Q, thì Pischvà Qischlà biết trước, ðối với nút P-V thìchỉ Pischvà modul |Vi| là biết trước, cần phải tính Qi(k+1) và sau ñó

tính Vi(k+1)tuy nhiên thì phần |Vi| biết trước, chỉ phần ảo của Vigiữlại, còn phần thực cần tính sao cho

( (k 1))2 i

2 i )

1 k ( i

2 i

2 ) 1 k ( i

fVe

Vf

e

+ +

−

=

=+

3/9/2011

3.3 Phương pháp tính toán: Newton-Raphson

ðược dùng rộng rãi ñể tính toán nghiệm của phương trình ñại

số phi tuyến f(x)=c

Nếu gọi x(0)là nghiệm ban ñầu, và ∆x(0)là sai số từ nghiệm

ñúng khi ñó ta có

f(x(0)+ ∆x(0))=c

Khai triển theo chuỗi Taylor ta có

Nếu coi ∆x(0)là rất nhỏ thì các thành phần bậc cao có thể bỏ

qua lúc ñó ta có

dx f d

! 2

1 x dx

df x

) 0 ( 2

2 ) 0 ( ) 0 ( )

0

(

= +

( )( 0 ) )

0 ( )

0 ( ) 0 ( )

Trang 28

3/9/2011

Từ ñây ta có

Thuật toán

Newton-Raphson ñược tổng kết như

(Ví dụ page 201)

) 0 ( ) 0 ( ) 0 ( ) 0 ( )

c x x x

=

∆ +

=

( )

) k ( ) k ( )

1

k

(

) k (

) k ( )

k

(

) k ( )

k

(

x x

x

dx df

c x

x f c c

∆ +

k (

) k ( ) k ( ) k (

dx

df j

x j c

( ) ( ) ( )

( ) ( )

1111 1 45 50 dx

df

c

x

45 9 6 12

=

000 , 4 0126 , 9

0095 , 0 0011 , 4 x x x

0011 , 4 2914 , 9 3748 , 0 0405 , 4 x x x

0405 , 4 5797 , 12

9981 , 2 2789 , 4 x x x

2789 , 4 037 , 22 4431 , 13 8889 , 4 x x x

) 4 ( ) 4 ( ) 5 (

) 3 ( ) 3 ( ) 4 (

) 2 ( ) 2 ( ) 3 (

) 1 ( ) 1 ( ) 2 (

=

−

=

∆ +

=

Trang 29

j ij

i Y V

i

* i i

j ij j ij i i i

j i ij ij j i

i V V Y sin

Trang 30

3/9/2011

Sử dụng khai triển chuỗi Taylor, bỏ qua các ñạo hàm bậc cao

) k ( n 2

) k ( n n )

k ( 2 n

) k ( n 2 )

k ( 2 2

) k ( n n )

k ( 2 n

) k ( n 2 )

k ( 2 2

) k ( n n )

k ( 2 n

) k ( n 2 )

k ( 2 2

) k ( n n )

k ( 2 n

) k ( n 2 )

k ( 2 2

V

Q V

Q

V

Q V

Q

Q Q

V

P V

P

V

P V

P

P P

) (

δ δ

L

M O M

L

M O M

L

M O M

L

M O M L

M

ở ñây giả sử nút 1 là nút cân bằng

Ma trận jacobian cung cấp một mối liên hệ tuyến tính giữa

∆δ(k), ∆|V|(k)với sự thay ñổi ∆Pi(k)và ∆Qi(k)

Viết dưới dạng ngắn gọn ta có:

ðối với nút P-V, thì giả sử có m nút PV, m ptrình bao gồm

∆Q, ∆V tương ứng với các cột của ma trận Jacobian sẽ bị bỏ

ñi, và ta có: n-1 ràng buộc về P, n-1-m ràng buộc về Q

J

J J Q

P

4 3

2 1

Trang 31

sin Y V V P

j i ij ij

j i j i

n

1 j

j i ij ij

j i i

i

≠+

δδθδ

V

P

cos Y V cos

Y V V

2

V

P

j i ij ij i

j

i

j i ij i

j ij j ij

ij j i i

i

≠ +

δ δ θ θ

( )voi i j cos

Y V V

Q

cos Y V V

Q

j i ij ij j i

i

≠ +

δ δ θ δ

Trang 32

V

Q

sin Y V sin

Y V V

2

V

Q

j i ij ij i j

i

j i ij i

j ij j ij

ij j i i

i

≠ +

δ δ θ θ

) k ( i

chotruoc i

) k ( i

chotruoc i

) k ( i

Q Q

Q

P P

k ( i ) 1 k ( i

) k ( i ) k ( i ) 1 k ( i

V V

δ

∆ δ

) k ( i

Q P

Trang 33

Powerworld cho phép người dùng quan sát các thiết bị, hay chế ñộ làm việc qua các màu khác nhau Việc thay ñổi các thông số của HTð như máy phát, MBA, ñường dây, tụ ñiện …một cách rất dễ dàng qua giao diện ñồ họa, bởi một số ít các nhấp con chuột.

Các bài toán tối ưu, ngắn mạch, ổn ñịnh tính ñiện áp …

Powerworld chứng tỏ tính ưu việt trong việc phân tích HTð và

có tính minh họa, dễ hiểu ñặc biệt cho những kỹ sư không phải

là chuyên ngành hệ thống ñiện Cho nên rất hữu dụng trong

việc giảng dạy và nghiên cứu

Trang 34

3/9/2011

4.1 Thông tin về tệp

Thông tin chính về tệp Thanh công cụ truy cập nhanh

4.2 Thông tin HTð :Case infomation

Khi chạy chương trình:

Với các thông tin online về

HTð như dòng công suất,

dòng công suất trên các nhánh,

MPð, giá trị ñiện áp, giá trị về

giá chi phí nhiên liệu …

4 Phần mềm Power World

Trang 35

3/9/2011

Khi chỉnh sửa số liệu

Với các thông tin tĩnh, ban

ñầu, và người dùng có thể nhấp

chuột vào các biểu tượng ñể

thay ñổi các thông tin về hệ

thống ñiện

3/9/2011

Các thông tin về case

Trang 36

3/9/2011

Các thông tin về trao ñổi công suất giữa các khu vực

Chức năng giám sát lượng giới hạn công suất trên các nhánh

Trang 37

3/9/2011

So sánh các thông tin về trào lưu công suất giữa các trường hợp nghiên cứu khác nhau

Các lựa chọn về giải thuật tính trào lưu công suất ñối với HTð AC và DC, các lựa chọn khi tính toán online các chế ñộ, ñặt màu hiển thị cho các chế ñộ online, …

3/9/2011

Xem các thông tin của từng nút cụ thể như ñiện áp,

nối các nhánh …