phân tích an toàn hệ thống ðiện

BÀI TIỂU LUẬN PHÂN TÍCH AN TỒN HỆ THỐNG ĐIỆN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ KIM HÙNG Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ NGỮ CẢNH PHÂN TÍCH AN TỒN Việc dự báo tình trạng vận hành hệ thống sau tách rời phần tử sau thay đổi trạng thái làm việc hệ thống việc quan trọng cần đánh giá an toàn thời gian thực Vấn đề phải phát nhanh chóng cố nguy hiểm đưa giải pháp khắc phục kịp thời Việc phân tích thực cách chu kỳ nhằm nhiệm vụ xác định cố nguy hiểm mức độ trầm trọng Việc nghiên cứu thực chủ yếu dựa vào tốn tính phân bố cơng suất Đối với hệ thống lớn, phân tích an tồn phải thực thủ tục tính tốn cỡ hàng trăm đến hàng ngàn cố Vì vấn đề đặt phân tích tất cố với thời gian bé Điều yêu cầu tốc độ thực tính tốn, độ xác tính thích nghi phương pháp loại cố Phương pháp phân tích tỏ nặng nề tốn nhiều thời gian cho việc tính tốn, sử dụng Dựa phân tích kinh nghiệm, người ta nhận thấy phần lớn cố khơng gây nên hậu mặt an tồn Sơ đồ ngữ cảnh phân tích an tồn mơi trường thời gian thực: Hình 1: Q trình phân tích an toàn thời gian thực Người ta phân biệt hai nhóm phương pháp phân tích an tồn chính, là: - Phương pháp xếp Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ - Phương pháp đánh giá trạng thái CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH AN TỒN 2.1 Các phương pháp xếp Đánh giá mức độ trầm trọng cố hàm toán học mô tả trạng thái hệ thống xảy cố Một danh sách cố xếp theo thứ tự mức độ giảm dần tính trầm trọng tức theo giá trị số PI, cố xử lý cặn kẽ Tiêu chuẩn dừng xác định tùy thuộc vào yêu cầu: - Mô N cố nguy hiểm - Mô tất cố có khả nguy hiểm (PI ≠ 0) - Mô tất cố có M cố khơng nguy hiểm Phân tích an tồn theo số PI Chỉ số PI tính đến độ lệch biến hệ thống so với giá trị định mức vùng mà đại lượng thay đổi Để phân tích cố, cơng thức [EI-79, AL-82]: ( ) PI x = Σ ( Wi / 2n )  X i − X inom / ∆X ilim    2n Trong đó: Xi: Độ lớn (công suất/điện áp) đo nút i Xinom: Độ lớn (công suất/điện áp) định mức nút i ∆Xilim: Khoảng cách an toàn n: Số nút hệ thống Wi: Trọng số nút i, số thực khơng âm tính đến cấu trúc hệ thống Thuật tốn phân tích cố theo số PI trình bày Hình 2: (1) Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ Hình 2: Thuật tốn phân tích cố theo số PI 2.2 Các phương pháp đánh giá trạng thái Để đánh giá trạng thái sau cố nhanh để biết có cần tính xác phép tính phân bố cơng suất tác dụng - phản kháng hay khơng Lợi ích việc đưa phương pháp độ nhanh việc tính tốn việc sử dụng lời giải xấp xỉ phần mà không cần đến xếp riêng 2.2.1 Phương pháp tính tốn phân bố cơng suất phần (1P-1Q) Mơ hình sử dụng trường hợp mơ hình số gia việc tính tốn phân bố cơng suất tuyến tính hóa (hoặc “DC”): [ B '][ ∆θ ] = [ ∆P ] (2) Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ Với: [ ∆P ] : Véctơ số gia công suất tác dụng [ ∆θ ] : Véctơ số gia góc pha điện áp [ B '] : Ma trận (n x n) tổng dẫn hệ thống Ảnh hưởng cố truyền dẫn công suất tác dụng đánh giá việc giải ∆θ việc tính tốn thay đổi cơng suất tác dụng nhánh ∆Pkm từ phương trình sau: ∆Pkm = ( ∆θ k − ∆θ m ) / X km (3) Thuật tốn phân tích cố theo phương pháp tính phân bố cơng suất phần trình bày Hình 3: Hình 3: Thuật tốn phân tích cố theo phương pháp tính phân bố cơng suất phần Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ 2.2.2 Phương pháp hệ số chuyển tải Phương pháp tính tốn nhanh (đối với cố) độ biến đổi công suất tác dụng truyền tải Công thức xác định Galiana [GA-84] đứt nhánh jk: Plm / jk = Plm + α lm / jk Pjk (4) Trong αlm/jk hệ số chuyển tải công suất nhánh jk cho nhánh lm Hệ số phụ thuộc vào thông số hệ thống Hệ số phân phối công suất cắt đường dây Được sử dụng để kiểm tra tải đường dây truyền tải bị cắt: α lm / jk = ∆f lm f jk0 (5) Với: αlm/jk: Hệ số phân phối công suất đường dây lm sau cắt đường dây jk ∆ƒlm: Độ thay đổi dịng cơng suất đường dây lm ƒ0jk: Dịng cơng suất đường dây jk trước bị cắt Nếu biết dịng chảy cơng suất đường dây lm đường dây jk trước thay đổi cấu trúc dịng chảy đường dây lm đường dây jk bị cắt xác định thơng qua hệ số α: f lm = f lm0 + α lm/ jk f jk0 (6) Với: f lm0 , f jk0 : Dòng chảy đường dây lm jk trước ngừng điện f lm : Dòng chảy đường dây lm jk bị cắt Hệ số chuyển công suất phát ali = ∆f li ∆Pi (7) Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ Với: l: Chỉ số đường dây i: Chỉ số nút ∆f li : Độ thay đổi dịng cơng suất đường dây l thay đổi lượng phát ∆Pi nút i ∆Pi: Độ thay đổi lượng công suất phát nút i Hệ số ali đặc trưng cho tính nhạy dịng chảy đường dây l thay đổi công suất phát nút i Xét trường hợp có máy phát cơng suất lớn ngừng cấp giả thiết lượng công suất hụt bù nút hệ thống, giả thiết máy phát lớn phát lượng Pi, lúc đó: ∆Pi = Pi (8) Và trào lưu cơng suất đường dây tính tốn hệ số “a” tính sau: f l = f l + ali ∆Pi với l = 1…L (9) Với: f l : Dịng cơng suất đường dây l trước cố fl : Dòng chảy đường dây l sau máy phát nút i hỏng Nếu có thay đổi đồng thời nhiều nhiều nút phát chúng tính phương pháp xếp chồng Vì tỉ lệ cơng suất phát bù máy thứ j (j≠ i) là: Pi max γ ij = ∑ Pkmax (10) k ,k ≠i Với: Pkmax: Công suất phát cực đại máy phát k Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ γ ij: Hệ số nâng công suất máy phát j máy phát i hỏng Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ Hình 4: Thuật tốn phân tích cố theo phương pháp hệ số chuyển tải Vậy để tính dịng chảy đường dây l theo giả thiết tất máy phát liên kết tham gia bù đắp lượng mất, ta sử dụng biểu thức sau: Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ f l = f l + Σaliγ ij ∆Pi (11) Dòng chảy đường dây dương hay âm nên ta phải kiểm tra ƒ sau: − f l max < f l < fl max Thuật toán phân tích cố theo phương pháp hệ số chuyển tải trình bày Hình 4: 2.2.3 Phương pháp mở rộng vùng Dựa chất cục (lan truyền bé) phần lớn cố, sử dụng quan điểm hậu cố ảnh hưởng trước tiên vùng lân cận điểm cố hậu chúng lan truyền dạng sóng đến nút có kết nối điện Lời giải cần tìm lời giải vùng ảnh hưởng cố với giả thiết vùng xa cố trơ cứng điện với cố Thuật toán phân tích cố theo phương pháp mở rộng vùng trình bày Hình 5: Hình 5: Thuật tốn phân tích cố theo phương pháp mở rộng vùng 2.2.4 Phương pháp định vùng (cục biên) Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ Hiệu phương pháp chỗ hầu hết cố giải phần nhỏ hệ thống thay phải giải toàn hệ thống Mặc dù lời giải hệ thống nhỏ gần kết sử dụng để suy chất ảnh hưởng cố Phương pháp định vùng: trường hợp công suất tác dụng Đối với cố cho chuỗi kiểm tra lọc cố CF 1, CF2,…, CFN áp dụng Hình 6: Quá trình lọc cố Nguyên tắc trình lọc: - Lập danh sách cố cần kiểm tra, đưa danh sách vào lọc thứ nhất, sử dụng phương thức tính đơn giản nhanh nhất, xây dựng danh sách cố xếp nguy hiểm không nguy hiểm - Chuyển số cố cịn lại xem khơng chắn vào lọc tiếp theo, sử dụng phương thức tính tốn phức tạp lọc phức tạp lọc kế tiếp, tiếp tục - Phương pháp thực cách lập giới hạn truyền tải đường dây cố dựa việc tính tốn hệ số chuyển tải Ý tưởng biên giới hạn suy từ việc chia hệ thống điện nghiên cứu thành hai tiểu hệ thống N1 N2 Thủ tục tính tốn cho cố 10 Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ Hình 7: Thủ tục tính toán cho cố Phương pháp định vùng cho trường hợp điện áp Phương pháp Brandwajn Lauby [BR-89] với mục đích đánh giá điện áp tất nút hệ thống dựa độ lệch lớn công suất phản kháng bơm vào, gồm hai bước: - Bước thứ nhất: phân tích cơng suất tác dụng truyền tải theo phương pháp Brandwajn 11 Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ - Bước thứ hai: đánh giá gần thay đổi điện áp cố tính đến độ lệch phản kháng có giá trị lớn Vấn đề xây dựng tiêu chuẩn chọn lọc thích hợp để chọn nút có khả có độ lệch công suất phản kháng ∆Q sinh cố do: - Sự thay đổi lượng công suất phản kháng đầu đường dây bị cắt (∆QK, ∆Qm) - Sự thay đổi cấu trúc hệ thống - Sự thay đổi độ lệch góc nhánh nút xét (∆θiJ, ∆θil,…) Hai tiêu chuẩn chọn lọc đề ra: - Tiêu chuẩn thứ nhất: tính đến thay đổi phản kháng nhánh nút mà nhánh nối vào Sự thay đổi diễn tả công thức: ∂Qi = GiJ cosθ iJ + BiJ sin θiJ ∂θiJ (12) Với: Qi: Lượng công suất phản kháng bơm vào nút i GiJ: Thành phần thực tổng dẫn phức nhánh iJ BiJ: Thành phần ảo tổng dẫn phức nhánh iJ θiJ = θi - θJ: Độ lệch góc nhánh iJ Những biến đổi lấy tổng nút cho phép đạt phép đo dạng: Ki = ∑ α (i ) ∂Qi ∂θiJ (13) Với: α(i): Tập hợp nút kề nút i - Tiêu chuẩn thứ hai: xác định khắc phục tính bảo thủ phép đo Ki Tính chất dựa thay đổi tổn thất phản kháng 12 Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ nhánh Những tổn thất xấp xỉ bởi: ∆Qijperte = Pij(0) ∆θiJ (14) Trong đó: Pij(0): Cơng suất tác dụng truyền tải iJ trạng thái ∆θ = ∆θi - ∆θJ Những nút đầu đường dây có tổn thất cơng suất phản kháng lớn giá trị cho trước chọn lọc vào tập hợp Những thay đổi điện áp tính tốn gần bậc phương pháp Jacobien tách cặp nhanh: [ ∆V ] = [ B ''] [ ∆Q / V ] −1 (15) Với: [∆Q/V]: Vectơ độc lập độ lệch công suất phản kháng bơm [B’’]: Ma trận tổng dẫn áp dụng vào mơ hình tách cặp phản kháng [∆V]: Vectơ hiệu chỉnh điện áp nút Tập hợp tiêu chuẩn dựa trên: - Số gia tổn thất công suất phản kháng nhánh hệ thống - Số gia thay đổi góc nhánh hệ thống (∆θIj) - Những thay đổi công suất tác dụng truyền tải nhánh hệ thống sau nửa bước lặp P-θ “FDLF” SỬ DỤNG PHẦN MỀM POWERWORLD ĐỂ PHÂN TÍCH AN TỒN 3.1 Các bước sử dụng phần mềm PowerWorld để phân tích an tồn Bước 1: Vẽ sơ đồ HTĐ thực tế phần mềm (Draw → Network) 13 Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ Hình 8: Cửa sổ thao tác vẽ sơ đồ HTĐ Bước 2: Sau thiết lập sơ đồ cài đặt tất thơng số, vào menu Run Mode → Play Hình 9: Màn hình chạy chương trình Bước 3: - Vào Tools → Contingency Analysis để phân tích an tồn - Vào thẻ Contingencies → kích chuột phải vào Label → Insert Special → 14 Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ Quick Insert Single Element Contingency… - Trong cửa sổ Contingency Element Dialog → Element Type → Chọn phần tử cần phân tích (Brand, Generator, Load,…) - Ấn Auto Insert cửa sổ Contingencies Analysis → Xác nhận phần tử lựa chọn → Do Insert Contingencies → Yes - Ấn Start Run để tiến hành phân tích an tồn - Ở dịng Status cho ta thơng báo hồn thành số lượng tình nguy hiểm 15 Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ 16 Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ Hình 10: Các bước phân tích an tồn 3.2 Phân tích an tồn cho lưới điện cụ thể 17 Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ Hình 11: Sơ đồ lưới điện cụ thể Tiến hành phân tích an tồn theo bước Mục 3.1 Xét trường hợp đứt đường dây cố máy biến áp ta có kết phân tích an tồn * * * * * * * * * * * * * -* * CONTINGENCY L_00010RAY69-00013FERNA69C1 ELEMENTS: OPEN Branch RAY69 TO FERNA69 CKT | | CHECK | APPLIED AND SKIPPED ELEMENTS: Applied: OPEN Branch RAY69_ 69.0 (10) TO FERNA69_ 69.0 (13) CKT | | CHECK | | Opened flow of 46.33 MVA NUMBER OF VIOLATIONS BY CATEGORY (Total = 2) BRANCH: BUS VOLTAGE: INTERFACE: LOAD ISLANDED: NONE GENERATION ISLANDED: NONE BRANCH MVA VIOLATIONS: None BRANCH AMP VIOLATIONS: BLT69 TO DEMAR69 CKT Amps: 600.3 LIMIT: 418.4 %: 143.5 Base Case Value: 194.5 BUS LOW VOLTAGE VIOLATIONS: 18 Tiểu luận Phân tích an toàn HTĐ FERNA69 LOW V VOLT: 0.9446 LIMIT: 0.9500 Base Case Value: 1.0003 BUS HIGH VOLTAGE VIOLATIONS: None INTERFACE VIOLATIONS: None * * * * * * * * * * * * * -* * CONTINGENCY T_00010RAY69-00039RAY138C1 ELEMENTS: OPEN Branch RAY69 TO RAY138 CKT | | CHECK | APPLIED AND SKIPPED ELEMENTS: Applied: OPEN Branch RAY69_ 69.0 (10) TO RAY138_138.0 (39) CKT | | CHECK | | Opened flow of 93.98 MVA NUMBER OF VIOLATIONS BY CATEGORY (Total = 1) BRANCH: BUS VOLTAGE: INTERFACE: LOAD ISLANDED: NONE GENERATION ISLANDED: NONE BRANCH MVA VIOLATIONS: None BRANCH AMP VIOLATIONS: BLT69 TO DEMAR69 CKT Amps: 554.1 LIMIT: 418.4 %: 132.4 Base Case Value: 194.5 BUS LOW VOLTAGE VIOLATIONS: None BUS HIGH VOLTAGE VIOLATIONS: None INTERFACE VIOLATIONS: None * * * * * * * * * * * * * -* * CONTINGENCY L_00012TIM69-00018HANNAH69C1 ELEMENTS: OPEN Branch TIM69 TO HANNAH69 CKT | | CHECK | APPLIED AND SKIPPED ELEMENTS: Applied: OPEN Branch TIM69_ 69.0 (12) TO HANNAH69_ 69.0 (18) CKT | | CHECK | | Opened flow of 67.97 MVA NUMBER OF VIOLATIONS BY CATEGORY (Total = 4) BRANCH: BUS VOLTAGE: INTERFACE: LOAD ISLANDED: NONE GENERATION ISLANDED: NONE BRANCH MVA VIOLATIONS: None BRANCH AMP VIOLATIONS: HOMER69 TO LAUF69 CKT Amps: 918.4 LIMIT: 686.1 %: 133.9 Base Case Value: 284.3 HOMER69 TO HANNAH69 CKT Amps: 781.0 LIMIT: 686.1 %: 113.8 Base Case Value: 154.5 BUS LOW VOLTAGE VIOLATIONS: 19 Tiểu luận Phân tích an toàn HTĐ AMANDA69 LOW V VOLT: 0.9097 LIMIT: 0.9500 Base Case Value: 0.9950 HANNAH69 LOW V VOLT: 0.9118 LIMIT: 0.9500 Base Case Value: 0.9969 BUS HIGH VOLTAGE VIOLATIONS: None INTERFACE VIOLATIONS: None * * * * * * * * * * * * * -* * CONTINGENCY T_00048BOB69-00047BOB138C1 ELEMENTS: OPEN Branch BOB69 TO BOB138 CKT | | CHECK | APPLIED AND SKIPPED ELEMENTS: Applied: OPEN Branch BOB69_ 69.0 (48) TO BOB138_138.0 (47) CKT | | CHECK | | Opened flow of 119.51 MVA NUMBER OF VIOLATIONS BY CATEGORY (Total = 1) BRANCH: BUS VOLTAGE: INTERFACE: LOAD ISLANDED: NONE GENERATION ISLANDED: NONE BRANCH MVA VIOLATIONS: None BRANCH AMP VIOLATIONS: BOB69 TO BLT69 CKT Amps: 730.9 LIMIT: 694.5 %: 105.2 Base Case Value: 280.2 BUS LOW VOLTAGE VIOLATIONS: None BUS HIGH VOLTAGE VIOLATIONS: None INTERFACE VIOLATIONS: None 20 ... hiểm 15 Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ 16 Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ Hình 10: Các bước phân tích an tồn 3.2 Phân tích an tồn cho lưới điện cụ thể 17 Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ Hình 11:... luận Phân tích an tồn HTĐ NGỮ CẢNH PHÂN TÍCH AN TỒN Việc dự báo tình trạng vận hành hệ thống sau tách rời phần tử sau thay đổi trạng thái làm việc hệ thống việc quan trọng cần đánh giá an toàn. .. trường thời gian thực: Hình 1: Q trình phân tích an tồn thời gian thực Người ta phân biệt hai nhóm phương pháp phân tích an tồn chính, là: - Phương pháp xếp Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ - Phương