ứng dựng tin học trong hệ thống điện

ứng dụng tin học trong hệ thống điện, các ví dụ hướng dẫn sử dụng phần mềm pow Bài giảng giúp sinh viên hệ thống được kiến thức về ứng dụng tin học áp dụng trong hệ thống điện. ứng dụng tin học truyền thống. ứng dụng matlab trong hệ thống điện, ứng dụng trong công tác quản lý mạng lưới điện cao thế, trung thế.

Trang 1

PHẦN MỀM TÍNH TOÁN

HỆ THỐNG ĐIỆN

Ts NGUYỄN Đăng Toản

Khoa HTĐ-ĐHĐL Email: toannd@epu.edu.vn

Tel: 0966691586

Trang 2

 Thi: trên máy tính

 Nội dung

 Giới thiệu chung

 Bài toán trào lưu công suất

 POWERWORLD (tính toán cho lưới truyền tải)

Trang 3

5/21/2016 TS Nguyễn Đăng Toản 3

1.1 Lịch sử phát triển của HTĐ

110VDC

Trang 4

 Đầu những năm 1880 – Edison giới thiệu HTĐ ở phố

Pearl Street - Manhattan cung cấp cho 59 khách hàng

 1896 –Đường dây AC cung cấp điện từ Thủy điện

Niagara Falls đến Buffalo, với khoảng cách 20 dặm

Trang 5

 Tổn thất công suất/ điện năng

Trang 6

 Đầu những năm 1900 – Công ty

tư nhân cung cấp điện trong

các vùng nhỏ (recognized as a

natural monopoly)

 Khoảng 1920 – Các công ty liên

bang lớn kiểm soát phần lớn

htđ

 Khoảng từ1930 – các công ty

điện lực được thành lập dưới

hình thức độc quyền theo chiều

Trang 7

1.1 Lịch sử phát triển của HTĐ

 Đối với hình thức độc quyền theo chiều dọc

 Mỗi vùng chỉ có một công ty điện lực phục vụ

 Các công ty bên cạnh chỉ đóng vai trò người hỗ trợ,

chứ không phải là đối thủ cạnh tranh

 Các công ty liên kết với nhau, và đến những năm 1970 thì hệ thống đường dây liên lạc có điện áp đến 765 kV

 Các HTĐ lớn, MPĐ lớn (thiết bị càng lớn, thì càng

giảm giá đầu tư, tiêu hao nhiên liệu trên một đơn vị)

cùng với sự tăng lên của nhu cầu làm giá trung bình

 Sự giảm giá trung bình làm mọi khách hàng đều cảm

thấy hài lòng

Trang 8

 Từ 1970 , do lạm phát, tăng giá nhiên liệu (1973 oil crisis), lo

ngại ảnh hưởng môi trường đòi hỏi phải phát triển bền vững,

gìn giữ tài nguyên

 Trong bối cảnh đó, Quốc hội US thông qua luật chính sách

điều hành các công ty dịch vụ công (Public Utilities Regulator

Policies Act (PURPA) năm1978, PURPA thể hiện sự cạnh

tranh phần nguồn

cạnh tranh

 Dùng nguồn năng lượng tái tạo, nguồn hiệu suất cao

 HT truyền tải thông minh

 HT phân phối thông minh, tiết kiệm năng lượng

Trang 9

1 2 Sự cần thiết PMTTHTĐ

IPP

Đường dây Liên lạc

Hệ thống khác

MV/LV

Tải công nghiệp Tải công

nghiệp

HV/MV

Tải dân dụng

Trang 10

 Xu hướng phát triển của HTĐ

 Mô hình cũ

Trang 11

Với sự có mặt thiết bị Viễn thông/

tự động/thiết bị thông minh…

-nguồn n/l tái tạo, thông tin/ thiết bị

sử dụng thông minh

Trang 12

HỆ THỐNG CÓ THỂ CHIA TÁCH, TỰ KHÔI PHỤC, …

Trang 13

 Nguồn hiệu suất

cao/ năng lượng

tái tạo/ xanh/

thân thiện môi

trường

 Lưới điện thông

minh/ điều

khiển/giám sát…

 Tải thông minh/

hiệu suất cao

Trang 14

 Nhiều loại nhà máy điện

 Thủy điện, nhiệt điện, tua

bin khí, gió mặt trời

TG 220kV

Liên lạc đến HTĐ khác

TG 110kV TG

110kV Trung

tâm phụ tải

Trung tâm phụ tải

Tải công nghiệp

TG 22kV

~

Lưới điện truyền tải

Lưới điện trung gian/

Khu vực

Lưới phân phối

Trang 15

1.3 Các loại hiện tượng xảy ra trong HTĐ

 Phân loại các hiện tượng theo thời gian

Điều chỉnh tải ngày

10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 0.1 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7

Khoảng thời gian (giây: s)

1s , ở tần số 50Hz Khoảng 1 chu kỳ 1s 1 phút 1 giờ 1 ngày

Quá độ điện từ

Quá độ điện cơ

Bài toán offline

Powerworld PSS/E,

EUROSTAG, DIGISLENT…

EMTP_RV,

PSCAD,….

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

Trang 16

 Ví dụ: khi nghiên cứu ổn định các phần tử trong HTĐ

MBA tự động điều áp dưới tải

Đóng cắt tụ điện Q/tr động của động cơ điện

Điều khiển bộ tua bin-máy phát

Trang 17

1.4 Vấn đề cần quan tâm khi chọn PMTTHTĐ

 Mô hình và phương pháp toán học

G B

Trang 18

 Phân tích động: kiểm tra xem HTĐ có mất ổn định,

thậm chí sụp đổ điện áp khi trải qua các kích động và

để xác định giới hạn vận hành của HTĐ

 Phân tích quá trình quá độ nhanh/chậm, điện từ/ điện

cơ, mô phỏng sự làm việc theo thời gian thực, các mô hình phi tuyến,

Trang 19

dùng các mô phỏng khác nhau

Trang 20

 Các thiết bị trong thư viện

MBA, kích từ, đường dây

xuất ra file số liệu, kết quả

IEEE, IEC,

Trang 21

Trang 23

 Miễn phí:

 Do các trung tâm nghiên cứu phát

triển, số lượng mô hình ít, khó dùng, nhưng miễn phí

 Các bài toán tối ưu…

 Các bài toán offline

 Xem thêm trong các website

Trang 24

 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

 V(V), I(A),  (độ), P (MW), Q (MVAr) trên các nhánh, tổn thất,…

 Là bài toán đại số phi tuyến

 F(x)=0

 Trong đó x là: V, I, P, Q, …

Trang 25

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

 Yêu cầu tính toán các thông số

 P, Q, V, 

 Thường biết 2 trong 4 thông số, phải tính 2 thông số còn lại

 Các loại nút

 Nút cân bằng: cho biết modul V  và  cần tính P,Q ( nút này

thường là nút nhà máy điện)- Slack hay Swing bus Trong HTĐ thường chỉ có một nút cân bằng

 Nút PV: hay còn gọi là nút điều chỉnh điện áp, biết P,  V , cần

tính Q,  Thường là nút nhà máy điện hoặc nút có máy bù, tụ bù

có điều khiển (FACTS)

 Nút PQ: thường là nút phụ tải, biết P, Q tại nút đó, cần tính  V 

và  , số lượng nút PQ là nhiều nhất trong HTĐ

Trang 27

ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

G/2 B/2

X R

G/2 B/2

2.2.1 Đường dây tải điện

Trang 28

 Đ/dtt là thiết bị q/t trong htđ

 Có nhiều loại đ/d khác nhau

 Trên không/cáp ngầm…

 Xoay chiều/ một chiều

 Đường dây cực siêu cao áp,

siêu cao áp, cao áp, trung áp,

hạ áp

 Đường dây có thiết bị bù

 Các thông số cơ bản của đ/d

 Các pha đặt gần nhau hơn

 Được quấn quanh bởi lớp cách điện, tấm chắn kim loại

 Cách điện hiện nay chủ yếu là

d

Trang 29

2.2.1 Đường dây tải điện

 Đường dây ngắn, trung

Z=(R+jX)

Trang 30

 Ví dụ xét đoạn của đ/d dài

Trang 31

Trang 33

Trang 34

 Các mô hình đường dây khác

 Đường dây có tụ bù dọc

 Đường dây có kháng bù ngang

 Đường dây có tụ bù ngang

 Các đường dây có thiết bị bù linh hoạt FACTS và

HVDC…

Tụ bù dọc

Tụ bù ngang

kháng bù ngang

Trang 35

Trang 36

Điện cực

Bộ lọc xoay chiều

Bộ biến đổi

Trang 39

 Đóng vai trò quan trọng trong mọi

 P0, Q0: là công suất tác dụng và phản kháng tại nút tải ở chế độ ban đầu ( định mức)

 p1, p2, p3 và q1, q2, q3: là các thành phần diễn tả điện kháng không đổi, dòng điện không đổi và công suất không đổi với tổng của chúng bằng 1.0.

 kpf f, kqf f là các thành phần phụ thuộc tần số

 P0, Q0 là công suất tác dụng và phản kháng tại giá trị điện áp V=1.0(pu), ( định mức)

Trang 40

Hệ số mũ Pv và Qv được xác định tùy theo loại tải

Trang 43

Trang 45

 Trong tính toán trào lưu

công suất, MBA được

biểu diễn bởi mô hình 

thông thường

 Khi tỷ số biến đổi tương

đối bằng 1 ( đầu phân áp

vận hành ở nấc 0) sơ đồ

tương đương như hình vẽ

 Khi dùng đầu phân áp (nấc điều chỉnh khác 0) Lúc đó MBA được mô tả như sau

1 a

a 1

Trang 46

 Giả thiết MBA không có

j x

IaI

Va

1V

mba

a

y V

mba

mba mba

j

i

V

V a

y a

y

a

y y

I

2

*

Trang 47

1 a

a 1

Trang 48

 Ymba=1/(Zmba)=1/(Rmba+jXmba) (Siemens)

 a: tỉ số biến đổi tương đối= số vòng thực tế của

cuộn dây chia cho số vòng định mức của cuộn

Trang 49

2.2.4 Máy phát điện

Trang 50

 Khi tính trào lưu công suất: MPĐ như là một

nguồn bơm công suất tác dụng và phản kháng

 Cho Pmax, Pmin, Qmax, Qmin

 Không quan tâm đến loại MPĐ

 Khi tính toán ổn định, tối ưu, các bài toán khác

cần có mô hình chi tiết, đặc tính tiêu hao nhiên

liệu, các bộ điều khiển, đồng bộ cực ẩn, cực lồi

 Tương tự như vậy đối với FACTS, HVDC

Trang 51

 Định nghĩa

 Đ/L(pu) =(đ/l thực tế)/(đ/l cơ bản)

 Ví dụ

 Thông thường đối với Scb

ba pha, Vcb điện áp dây

 Đối với HTĐ, gồm có 4 đại lượng S cb , V cb, Zcb ,Icb

2.2.6 Hệ đơn vị tương đối

cb

cb cb

cb

cb cb

I 3

V Z

; V 3

S

Một HTĐ bao gồm nhiều cấp điện áp khác nhau, và nhiều đại lượng có đơn vị khác nhau do đó cần có sự biến đổi các đại lượng về một cấp điện áp => dùng hệ đơn vị tương đối

) ( Z

) ( Z )

Z ( Z

; ) A ( I

) A ( I )

I

(

I

; ) V ( V

) V ( V )

V ( V

; ) MVA (

S

) MVA (

S )

) cb ( kV S

V Z

2

cb

2 cb

Trang 52

 Trong hệ đơn vị tương

đối, giá trị pha và 3 pha là

pu pu

S    * ;    

cb P

* cb P )

3 (

*

2 L L )

3 ( cb

*

2 P P

S

VS

V

3Z

*

cb 2

cb

2 L L cb

P pu

S

SV

VZ

ZZ







Trang 53

5/21/2016 53

 Thay đổi các đại lượng cơ bản

 Thông số của MPĐ, MBA được cho bởi nhà phân phối, thường

cho bởi hệ đvtđ cơ bản định mức của MPĐ và MBA (Scb=SđmMBA,

Vcb=VđmMBA)

 Khi tính toán HTĐ thường chọn một đại lượng cơ bản chung, ví

dụ Scb=100MVA, Do đó cần phải chọn điện áp cơ bản Thông thường chọn Vcb cho mỗi cấp là điện áp định mức của mỗi cấp

cb cu cb

cu cb

cu pu

cu

V

S Z

S V

Z Z

2

cb moi cb cu cb

cu cb moi pu

cu pu

moi

V

VS

SZ

cb moi

cb moi cb

moi cb

moi pu

moi

V

S Z

S V

Z Z

Trang 54

 Lợi ích của hệ đvtđ:

 Hệ đvtđ cung cấp giá trị tương đối của các đại

lượng S, I, V, Z

 Các giá trị trong hệ đvtđ có giá trị nhỏ

 Các giá trị trong đvtđ của MBA, MPĐ đơn giản

không cần quan tâm đến các phía cao áp, hạ

áp, …

 Rất thuận lợi trong tính toán của một HTĐ phức tạp

Trang 55

 Ví dụ 1: cho HTĐ như hình vẽ, Tính các đại lượng trong

Trang 57

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

Trang 58

n

0 j

ij ii

y Y

Y

i j voi y Y

Trang 59

3.2 Phương pháp tính toán: Gauss-Seidel

 Là phương pháp lặp dùng để tính toán nghiệm

của pt đại số phi tuyến: f(x)=0

 Biến đổi dưới dạng: x=g(x)

 Nếu gọi x(k) là nghiệm dự đoán 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  cho phép

  x(k+1) - x(k)  

Trang 60

 Người ta có thể tăng tốc bằng hệ số : x (k+1) =x (k) +  [g(x (k) )- x (k)

Trang 61

 Quá trình lặp diễn ra tương tự với giá trị ban đầu: (x1(0) , x2(0) ,…, xn(0) )

và giá trị bước lặp tiếp theo tính bởi (**) (x1(1) , x2(1) ,…, xn(1) )

 Cũng có thể dùng hệ số tăng tốc : xi (k+1) =xi (k) + [xi_tinh toan (k+1) –xi (k) ]

Trang 62

 Tính toán cho HTĐ

 Phương trình cân bằng theo định luật Kirchoff 1

 Công suất tác dụng và phản kháng (đl Ohm)

 Thay vào ta có

 P/tr trên dùng để tính toán trong Gauss-seidel

.

j ij n

0 j

ij i

I

* i

i i

i

* i i i

i

V

jQ

P I

I V jQ

V V

ij n

0 j

ij i

* i

i i

j

ij i

i i

i

y

V

y V

jQ P

*

Trang 63

 Khi tính toán trào lưu công suất, ta phải giải hệ phương

trình phi tuyến, với mỗi nút có hai biến chưa biết, nếu

dùng Gauss-seidel thì ta giải cho Vi

 Với yij là tổng dẫn nhánh, Pisch, Qisch là c/s tác dụng và

phản kháng tại nút i Nếu là nút máy phát thì Pisch, Qisch

là công suất bơm vào nút i có giá trị dương, còn nút

phụ tải thì Pisch, Qisch là 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 (

voi y

V

y V

jQ P

V

ij

) k ( j n

1 j

ij )

k (

* i

sch i

sch i )

1 k (

Trang 64

 Sau khi tính được Vi thì ta có thể tính được công suất

tại các nút

 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

k

(

i

) k ( j n

1 j

ij n

0 j

ij

) k ( i

) k (

* i

ij

ii y , Y y

Y    

i j voi V

Y Y

V V

R

n

i j 1 j

ij ii

) k ( i

) k (

* i )

1 k ( i

Trang 65

 Các chú ý: Ở điều kiện làm việc bình thường thì điện áp của

các nút xấp xỉ 1(hoặc gần với nút cân bằng), điện áp các nút

tải thường nhỏ hơn điện 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 nút cân bằng

 Đối với nút P-Q, thì Pisch và Qisch là biết trước, Đối với nút P-V thì chỉ Pisch và modul Vi là biết trước, cần phải tính Qi(k+1) và

sau đó tính Vi(k+1) tuy nhiên thì phần Vi biết trước, chỉ phần ảo của Vi giữ lại, còn phần thực cần tính sao cho

 Ví dụ (page211)

 (k 1) 2 i

2 i

) 1 k ( i

2 i

2 ) 1 k ( i

f V

e

V f

Trang 66

 Được dùng rộng rãi để tính toán nghiệm của phương

trình đại số phi tuyến f(x)=c

 Nếu gọi x(0)là nghiệm ban đầu, và x(0) là sai số từ

nghiệm đúng khi đó 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 đó ta có

dx

f d

! 2

1 x

dx

df x

f (0) 2

) 0 ( 2

2 )

0 (

) 0 ( )

0 (

df 



Trang 67

3.3 Phương pháp tính toán: Newton-Raphson

 (Ví dụ page 201)

) 0 (

) 0 ( )

0 ( )

1

(

dx df

c x

x x

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

Trang 68

     

   

1111

1 45

50

dx

df

c x

45 9

6 12 6

.

3 dx

df

50 4

6 9 6

6 6

0 ) x ( f c

c

) 0 (

) 0 ( )

0

(

2 )

0

(

2 3

) 0 ( )

4 111 , 1 6 x

x

x(1)  (0)   (0)   

0095 ,

0

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

) 3 ( )

3 ( )

4 (

) 2 ( )

2 ( )

3 (

) 1 ( )

1 ( )

2 (

Trang 69

 Với một hệ thống n ẩn cũng tương tự

 Mỗi bước lặp phải tính lại ma trận J ( ma trận

Jacobian)

 Tốc độ hội tụ nhanh

 Khả năng hội tụ phụ thuộc vào điểm dự đoán

nghiệm ban đầu

Trang 70

j ij

i

* i i

j ij

j ij i

i i

j i

ij ij

j i

ij ij

j i

Trang 71

 Sử dụng khai triển chuỗi Taylor, bỏ qua các đạo hàm

bậc cao ta có kết quả sau:

) k ( n 2

) k (

n

) k (

2 n

) k (

n

2

) k (

2 2

) k (

n

) k (

2 n

) k (

n

2

) k (

2 2

) k (

n

) k (

2 n

) k (

n

2

) k (

2 2

) k (

n

) k (

2 n

) k (

n

2

) k (

2 2

) k ( n 2

V V

V

Q V

Q

V

Q V

Q

Q Q

V

P V

P

V

P V

P

P P

Q

Q P P

) k (

Trang 72

 ở đây giả sử nút 1 là nút cân bằng

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

giữa (k), |V|(k) với sự thay đổi Pi(k) và Qi(k)

 Viết dưới dạng ngắn gọn ta có:

 Đối 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 đi, và ta có: n-1 ràng buộc về P,

J

J J

Q

P

4 3

2 1

Trang 73

Y V

V P

sin Y

V V P

j i

ij ij

j i

n

1 j

j i

ij ij

j i

i i

Trang 74

V 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

Y V V Q

cos Y

V V Q

j i

ij ij

j i i

n

1 j

j i

ij ij

j i i

Trang 75

V 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

( i

chotruoc i

) k

( i

) k

( i

chotruoc i

) k

( i

Q Q

Q

P P

Trang 76

 Góc và điện áp sẽ được tính

 Quá trình tính toán tiếp tục cho đến khi:

) k

( i

) k

( i

) 1 k

( i

) k

( i

) k

( i

) 1 k

( i

V V

( i

) k

( i

Q P

Trang 77

4 Phần mềm tính toán Powerworld

 PowerWorld Simulator (Simulator) là một gói công cụ được thiết kế

trên nền tảng:

 Với lõi của chương trình là một giải pháp tính toán trào lưu công suất

một cách tin cậy, cho phép giải bài toán đến 250.000 nút, dễ sử dụng,

giao diện thân thiện.

 Powerworld cho phép người dùng quan sát các thiết bị, hay chế độ làm

việc qua các màu khác nhau Việc thay đổi các thông số của HTĐ như

máy phát, MBA, đường dây, tụ điện …một cách rất dễ dàng qua giao

diện đồ họa, bởi một số ít các nhấp con chuột.

 Các bài toán tối ưu, ngắn mạch, ổn định tính điện áp, ổn định quá độ…

 Powerworld chứng tỏ tính ưu việt trong việc phân tích HTĐ và có

tính minh họa, dễ hiểu đặc biệt cho những kỹ sư không phải là

chuyên ngành hệ thống điện Cho nên rất hữu dụng trong việc

giảng dạy và nghiên cứu.

 Student user 12 buses

Định dạng
Số trang	119
Dung lượng	5,04 MB