phương pháp điều chỉnh điện áp trong mạng phân phối nhiều nút

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRONG MẠNG PHÂN PHỐI NHIỀU NÚT S K C 0 9 MÃ SỐ: T63 - 2008 S KC 0 2 Tp Hồ Chí Minh, 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM ***** ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP TRONG MẠNG PHÂN PHỐI NHIỀU NÚT MÃ SỐ: T63 - 2008 Chủ nhiệm đề tài: ThS Lê Thị Hồng Nhung Thành viên NC: KS Nguyễn Hoàng Minh THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 08/ 2009 MỤC LỤC A GIỚI THIỆU I Tính cấp thiết đề tài II Đối tƣợng nghiên cứu III Tình hình nghiên cứu nƣớc IV Những vấn đề tồn Mục lục B NỘI DUNG I Mục đích nghiên cứu II Phƣơng pháp nghiên cứu III Nội dung nghiên cứu Chương 1: Các Phương Pháp Điều Khiển Điện Áp Trong Hệ Thống Điện 1.1 Tổng quan điều khiển điện áp hệ thống điện thiết bị điều chỉnh 1.2 Một số phƣơng pháp điều khiển điện áp hệ thống điện 10 Chương 2: Ứng Dụng Hệ Mờ Điều Khiển Điện Áp Trong Hệ Thống Điện 16 2.1 Thuật toán phƣơng pháp điều khiển 17 2.2 Xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp hệ thống điện 20 Chương 3: Mô Phỏng Hệ Mờ Điều Khiển Điện Áp Bằng MATLAB 30 3.1 Giới thiệu MATLAB 31 3.2 Mô tả hệ thống điện thử nghiệm 32 3.3 Xây dựng mô hình 39 3.4 Mô MATLAB 44 3.5 Mô Simulink 50 3.6 Kết mô 53 C KẾT LUẬN I Tóm tắt công trình 56 II Tự nhận xét 56 III Hƣớng phát triển đề tài 56 IV Kết luận 57 Tài liệu tham khảo Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T63 - 2008 A GIỚI THIỆU ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T63 - 2008 I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong trình vận hành hệ thống điện, việc ổn định điện áp nhƣ áp, sụt áp … gây ảnh hƣởng không nhỏ đến chất lƣợng cung cấp điện, an toàn tính kinh tế điều kiện vận hành khác mạng phân phối Nếu điện áp cao giới hạn cho phép làm thiết bị hỏng già hóa nhanh Nếu điện áp thấp gây tải đƣờng dây máy biến áp, ảnh hƣởng đến ổn định nhà máy điện phụ tải Trong năm gần đây, việc điều chỉnh điện áp ngày trở nên quan trọng việc vận hành an toàn kinh tế hệ thống điện lƣới điện ngày vận hành gần đến giới hạn việc tăng tải liên tục điều kiện vận hành ngày không chắn Hiện có nhiều phƣơng pháp để điều chỉnh điện áp, việc lựa chọn phƣơng pháp điều chỉnh điện áp thích hợp tối ƣu cần thiết II ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Đối tƣợng nghiên cứu đề tài điện áp hệ thống điện điều khiển điện áp mạng phân phối nhiều nút III TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC Hiện nay, Việt Nam việc sử dụng logic mờ điều khiển điện áp chƣa phổ biến Trong giới hạn đề tài, nhóm nghiên cứu trình bày bƣớc xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp hệ thống điện thử nghiệm môi trƣờng MATLAB nhằm góp phần xây dựng nhìn ứng dụng logic mờ điều khiển điện áp mạng phân phối nhiều nút IV NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI Với cố gắng nỗ lực, nhóm nghiên cứu nêu đƣợc sở lý thuyết ứng dụng hệ mờ điều khiển điện áp hệ thống điện Qua nhóm nghiên cứu xây dựng mô hình hệ mờ điều khiển điện áp hệ thống điện thử nghiệm môi trƣờng MATLAB Kết đề tài làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngƣời quan tâm đến lĩnh vực điều khiển mờ nhƣ lĩnh vực điều khiển điện áp hệ thống điện ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T63 - 2008 Tuy nhiên, thời gian có hạn nên nhóm nghiên cứu thực đƣợc mô hệ thống điều khiển mờ điều khiển điện áp xét đến vi phạm điện áp Nếu có thêm điều kiện, phát triển hệ điều khiển mờ xét thêm vi phạm dòng đƣờng dây tổn thất công suất ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T63 - 2008 B NỘI DUNG ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T63 - 2008 I MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU  Xây dựng hệ thống điều khiển mờ điều chỉnh điện áp mạng phân phối nhiều nút sử dụng MATLAB II PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU  Tham khảo tài liệu  Tính toán, thiết kế  Mô phỏng, kiểm tra, đánh giá kết thử nghiệm III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển điện áp hệ thống bƣớc xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp hệ thống điện  Xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp hệ thống điện thử nghiệm môi trƣờng MATLAB ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T63 - 2008 Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Tổng quan điều khiển điện áp hệ thống điện thiết bị điều chỉnh 1.2 Một số phương pháp điều khiển điện áp hệ thống điện ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T63 - 2008 1.1 Tổng quan điều khiển điện áp hệ thống điện thiết bị điều chỉnh Trong trình vận hành ngày, hệ thống điện gặp vi phạm áp thấp áp, vi phạm khắc phục việc điều khiển điện áp/công suất phản kháng Trong suốt trình điều khiển sản xuất tiêu thụ, việc điều khiển điện áp/công suất phản kháng trì điện áp tất nút nằm giới hạn cho phép giảm tổn thất truyền tải Trong khoảng 20 năm trở lại đây, vấn đề điều khiển điện áp/công suất phản kháng thu hút đƣợc nhiều nhà nghiên cứu kinh doanh việc chế tạo thiết bị đƣa thuật toán nhằm nghiên cứu lĩnh vực Một số quốc gia áp dụng thành tựu vào hệ thống điện thực tế thu đƣợc kết khả quan Việc giữ điện áp nằm giá trị định mức đảm bảo hiệu làm việc hộ tiêu thụ cách toàn diện, việc so sánh độ lệch điện áp với giá trị điện áp định mức từ đƣa điện áp hệ thống giới hạn cho phép để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định điều hoàn toàn hợp lý Trên sở kinh nghiệm vận hành qua nhiều công trình nghiên cứu, điều kiện thông thƣờng chọn độ lệch điện áp cho phép so với giá trị định mức phụ tải thắp sáng 5% phụ tải động lực (động không đồng bộ) –5% đến +10% Để điều chỉnh điện áp hệ thống điện cần phải quy định giới hạn đồ thị điện áp hàng ngày điểm nút mạng Đối với điểm nút phải xác định đƣợc hai đồ thị: đồ thị điện áp cho phép lớn đồ thị điện áp cho phép nhỏ Việc xác định đồ thị giới hạn có hiệu điều chỉnh điện áp hệ thống Điều chỉnh điện áp mạng phức tạp nhiều nhánh với nhiều điểm nút thực tế thực cách chọn số điểm kiểm tra có điện áp nhân viên trực nhật điều chỉnh tay tự động số điểm kiểm tra phải Trên thực tế, không cần phải điều chỉnh điện áp điểm nút Đối với nhóm điểm nút chọn điểm kiểm tra quy định đồ thị điện áp giới hạn với điểm Đồ thị điện áp giới hạn hàng ngày điểm kiểm tra chính, đƣợc xây dựng sở tính toán phân bố công suất vùng gần cho bảo đảm trì điện áp điểm gần vào nằm vùng giới hạn nằm vùng tốt Chiều rộng vùng điện áp kiểm tra cho phép điểm kiểm tra thƣờng nằm giới hạn (12)% phải dự trữ hai phía trƣờng hợp điện áp điểm kiểm tra bị lệch nguyên nhân bất ngờ Nhiệm vụ điều chỉnh điện áp liên quan chặt chẽ với việc phân bố kinh tế công suất phản kháng Trong trƣờng hợp cần phải đảm bảo thỏa mãn trƣớc đồ thị điện áp giới hạn điểm kiểm tra, sau tổn thất tối thiểu mạng, tổn thất phụ thuộc vào việc phân bố công suất phản kháng Vì đồ thị điện áp điểm kiểm tra nên có thêm đồ thị điện áp tối ƣu Việc xác định điện áp tối ƣu đƣợc tiến hành cách tính toán phân bố kinh tế công suất phản kháng, sau xác định điện áp điểm kiểm tra, nhƣ đồ thị điện áp thỏa mãn đƣợc điện áp có đƣợc xem điện áp tối ƣu Nếu nhƣ số điểm kiểm tra có điện áp cao thấp phải tính lại phân bố kinh tế công suất ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T63 - 2008  Để kiểm tra lại hoạt động điều khiển mờ, ta vào menu View, chọn Rules  Tại ô Input, ta nhập giá trị biến ngõ vào để quan sát giá trị biến ngõ  Để xem luật điều khiển không gian, chọn Surface menu View Tại Listbox Z(output) chọn biến ngõ để quan sát ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh 49 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 3.5 T63 - 2008 Mô Simulink  Tại dấu nhắc MATLAB, gõ “simulink” để kích hoạt hình làm việc Simulink Vào File → New → Model để mở cửa sổ  Dựa vào mô hình toán học, vào thƣ viện lấy khối điều khiển mờ, khối nhập xuất liệu, scope để hiển thị kết  Trong thƣ viện Simulink mở thƣ viện Fuzzy Logic Toolbox Chọn khối điều khiển mờ Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer  Trở lại thƣ viện Simulink, lần lƣợt mở thƣ viện Sources, Sinks Commonly Used Blocks để lấy thành phần nhƣ: From File, To File, Constant, Gain, Matrix Sum, Scope, Sum, … Thƣ viện Commonly Used Blocks Thƣ viện Sinks ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh Thƣ viện Sources 50 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường  T63 - 2008 Sơ đồ hệ thống điều khiển: ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh 51 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường  T63 - 2008 Thiết kế khối severity of voltage violation: Khối severity of voltage violation (độ lệch vi phạm điện áp) gồm biến ngõ vào điện áp sau phân bố công suất biến ngõ độ lệch vi phạm điện áp Ngõ vào điện áp sau phân bố công suất đƣợc so sánh với giá trị Vmin Vmax qua hàm f(u) Hàm f(u) đƣợc xác định theo công thức: (u(1)-u(2))*(u(1)>u(2)) u(3))*(u(1) u(2) ngõ u(1) – u(2)  Khi u(1) < u(3) ngõ u(1) – u(3)  Khi u(1) ≤ u(2) u(1) ≥ u(3) ngõ ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh 52 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 3.6 T63 - 2008 Kết mô  Trường hợp 1: Đối với liệu tải chuẩn (trƣờng hợp BS)  Trường hợp 2: Tải cao (HL) với 125% tải BS ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh 53 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T63 - 2008  Trường hợp 3: Tải thấp (LL) với 80% tải BS  Trường hợp 4: Ngắt tải 21 ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh 54 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T63 - 2008 C KẾT LUẬN ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh 55 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T63 - 2008 I TÓM TẮT CÔNG TRÌNH Qua thời gian thực đề tài, nhóm nghiên cứu thực đƣợc công việc sau:  Nghiên cứu tổng quan phƣơng pháp điều khiển điện áp hệ thống điện  Xây dựng đƣợc hệ điều khiển mờ để điều khiển điện áp hệ thống điện cụ thể  Mô hệ mờ điều khiển điện áp hệ thống điện thử nghiệm môi trƣờng MATLAB II TỰ NHẬN XÉT Do giới hạn thời gian điều kiện thực đề tài, nên chắn kết đề tài không tránh khỏi hạn chế định Song với mà nhóm nghiên cứu tập trung thực đƣợc đề tài phần đem lại giá trị đóng góp sau: Giá trị lý luận  Kết nghiên cứu đề tài đem lại kiến thức sở phƣơng pháp sử dụng hệ mờ điều khiển điện áp mạng phân phối nhiều nút  Xây dựng đƣợc mô hình hệ mờ điều khiển điện áp hệ thống điện cụ thể Giá trị thực tiễn  Nội dung đề tài tài liệu hữu ích cho em sinh viên nghiên cứu vấn đề liên quan đến điều khiển điện áp hệ thống điện ứng dụng logic mờ  Mô hình hệ mờ điều khiển điện áp sử dụng nhƣ phần mềm tham khảo trợ giúp thêm cho điều độ viên trình vận hành lƣới III HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Trong tƣơng lai, đề tài đƣợc phát triển theo hƣớng sau: ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh 56 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T63 - 2008  Xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp xét đến vi phạm dòng đƣờng dây tổn thất công suất  Xây dựng hệ thống điều khiển điện áp kết hợp hệ mờ mạng neural IV KẾT LUẬN Đề tài sử dụng làm tài liệu tham khảo cho ngƣời quan tâm đến lĩnh vực điều khiển mờ nhƣ lĩnh vực điều khiển điện áp hệ thống điện ThS Lê Thị Hồng Nhung - KS Nguyễn Hoàng Minh 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] HỒ VĂN HIẾN, Hệ thống điện truyền tải phân phối, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2003 [2] LÃ VĂN ÚT, Phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện, NXB Khoa học kỹ thuật, 2001 [3] NGUYỄN ĐỨC THÀNH, MATLAB ứng dụng điều khiển, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2004 [4] NGUYỄN HOÀNG VIỆT, PHAN THỊ THANH BÌNH, Ngắn mạch ổn định hệ thống điện, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2003 [5] PHAN XUÂN MINH, NGUYỄN DOÃN PHƢỚC, Lý thuyết điều khiển mờ, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 [6] QUYỀN HUY ÁNH, TRƢƠNG VIỆT ANH, NGUYỄN NHÂN BỔN, Hệ chuyên gia điều khiển điện áp công suất kháng hệ thống điện, Tạp chí Khoa học công nghệ, số 30 + 31, Hà Nội 2001 [7] P.YA EKEL, L.D.B TERRA, M.F.D JUNGES, F.J.A DE OLIVEIRA, R KOWALTSCHUK, T.YU TAGUTI, Fuzzy Logic In Voltage And Reactive Power Control In Power Systems, IEEE Transaction on power system, 1999 [8] P YA EKEL, L D B TERRA, M F D JUNGES, F J A DE OLIVEIRA, A MELEK, T Y TAGUTI, Fuzzy Logic In Voltage And Reactive Power Control In Regulated And Deregulated Environments, IEEE Transaction on power system, 2001 [9] P.YA EKEL, L.D.B TERRA, M.F.D JUNGES, F.J.A DE OLIVEIRA, R KOWALTSCHUK, L MIKAMI, J.R.P DA SILVA, T.YU TAGUTI, An Approach To Constructing Sensitivity Indices And Fuzzy Control Of System Voltage And Reactive Power, IEEE Transaction on power system, 1999 [10] VLADIMIRO MIRANDA, PATRICIA CALISTO, A Fuzzy Inference System To Voltage/VAR Control In DMS, Distribution Management System, June 2002 [11] VLADIMIRO MIRANDA, ANDRÉ MOREIRA, AND JORGE PEREIRA, An Improved Fuzzy Inference System For Voltage/VAR Control, IEEE Transaction on power system, Vol.22, No.4, November 2007 PHỤ LỤC  Cấu trúc file fis (Fuzzy Inference System) Cấu trúc file fis tạo FIS Editor bao gồm phần sau: 1.[System] Name= : khai báo tên, đặt dấu nháy Type= : khai báo loại, đặt dấu nháy NumInputs= : số lượng ngõ vào, số nguyên NumOutputs= : số lượng ngõ ra, số nguyên NumRules= : số lượng luật điều khiển, số nguyên AndMethod= : tên phương pháp AND Các phương pháp sử dụng là: ‘min‟ ‘prod‟ OrMethod= : tên phương pháp OR Các phương pháp sử dụng là: ‘max‟ ‘probor‟ ImpMethod= : tên phương pháp kéo theo Các phương pháp sử dụng là: ‘min‟ ‘prod‟ AggMethod= : tên phương pháp tập hợp Các phương pháp sử dụng là: ‘max‟, „sum‟ ‘probor‟ DefuzzMethod= : tên phương pháp giải mờ Các phương pháp sử dụng là: „centroid‟, „bisector‟, „mom‟, „lom‟ „som‟ 2.[Input1] Name= : tên ngõ vào, đặt dấu nháy Range= : giới hạn biến vào đặt ngoặc vuông NumMFs= : số lượng hàm liên thuộc, số nguyên MF1= : khai báo liệu hàm liên thuộc, khai báo tên hàm đặt dấu nháy, theo sau dấu hai chấm tên loại hàm liên thuộc, dấu phẩy thông số hàm đặt ngoặc vuông Cứ MFn, với n số lượng hàm liên thuộc Có ngõ vào khai báo liệu cho ngõ vào [Inputi], với i số thứ tự ngõ vào 3.[Output1] Name= : tên ngõ ra, đặt dấu nháy Range= : giới hạn biến đặt ngoặc vuông NumMFs= : số lượng hàm liên thuộc, số nguyên MF1= : khai báo liệu hàm liên thuộc, khai báo tên hàm đặt dấu nháy, theo sau dấu hai chấm tên loại hàm liên thuộc, dấu phẩy thông số hàm đặt ngoặc vuông Cứ MFn, với n số lượng hàm liên thuộc Có ngõ khai báo liệu cho ngõ [Outputi], với i số thứ tự ngõ PHỤ LỤC  Các loại hàm liên thuộc chọn là:  „trimf‟: hàm tam giác, có thông số  „trapmf‟: hàm hình thang, có thông số  „gbellmf‟: hàm dạng chuông, có thông số  „gaussmf‟: hàm gauss, có thông số  „gauss2mf‟: hàm gauss hai bên, có thông số  „sigmf‟: hàm dạng signoid, có thông số  „dsigmf‟: hiệu hai hàm signoid, có thông số  „psigmf‟: tích hai hàm signoid, có thông số  „pimf‟: hàm dạng chữ , có thông số  „smf‟: hàm dạng chữ S, có thông số  „zmf‟: hàm dạng chữ Z, có thông số 4.[Rules] Mô tả bảng luật điều khiển dạng ma trận, khai báo luật điều khiển theo cấu trúc sau: Hàng, cột, luật_điều_khiển_ ngõ_ra_1 (luật_điều_khiển_ ngõ_ra_2) … Hàng với cột tăng lên 1, cột cuối cùng, hàng tăng lên 1, … luật điều khiển cuối PHỤ LỤC  Mã nguồn chương trình “Controller.fis” [System] Name='Controller' Type='mamdani' Version=2.0 NumInputs=2 NumOutputs=1 NumRules=25 AndMethod='min' OrMethod='max' ImpMethod='min' AggMethod='max' DefuzzMethod='centroid' [Input1] Name='Efficiency' Range=[0 1] NumMFs=5 MF1='NB':'trimf',[-0.25 0.25] MF2='NS':'trimf',[0 0.25 0.5] MF3='ZE':'trimf',[0.25 0.5 0.75] MF4='PS':'trimf',[0.5 0.75 1] MF5='PB':'trimf',[0.75 1.25] [Input2] Name='Violation' Range=[-1 1] NumMFs=5 MF1='NB':'trimf',[-1.5 -1 -0.5] MF2='NS':'trimf',[-1 -0.5 0] MF3='ZE':'trimf',[-0.5 0.5] MF4='PS':'trimf',[0 0.5 1] MF5='PB':'trimf',[0.5 1.5] [Output1] Name='ControlSignal' Range=[-1 1] NumMFs=5 MF1='NB':'trimf',[-1 -0.6 -0.3] MF2='NS':'trimf',[-0.6 -0.3 0] MF3='ZE':'trimf',[-0.3 0.3] MF4='PS':'trimf',[0 0.3 0.6] MF5='PB':'trimf',[0.3 0.6 1] [Rules] 1, (1) 2, (1) 3, (1) 4, (1) 5, (1) 1, (1) 2, (1) 3, (1) 4, (1) 5, (1) : : : : : : : : : : 1 1 1 1 1 PHỤ LỤC 3 3 4 4 5 5 1, 2, 3, 4, 5, 1, 2, 3, 4, 5, 1, 2, 3, 4, 5, 2 4 1 5 (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) : : : : : : : : : : : : : : : 1 1 1 1 1 1 1 S K L 0