Nghiên cứu quy hoạch và mở rộng hệ thống truyền tải đáp ứng chỉ tiêu độ tin cậy

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ……………… TRẦN VĂN TẤN NGHIÊN CỨU QUY HOẠCH VÀ MỞ RỘNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐÁP ỨNG YÊU CẦU CHỈ TIÊU ĐỘ TIN CẬY Chuyên ngành: Thiết bị, mạng nhà máy điện Mã số ngành: 60.52.50 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Ts Trần Trung Tính Ts Vũ Phan Tú Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM Ngày ……tháng…….năm 2008 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày tháng năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN VĂN TẤN Ngày, tháng, năm sinh: 16/09/1982 Chuyên ngành: Thiết bị, mạng nhà máy điện Phái: Nam Nơi sinh: Hậu Giang MSHV: 01806504 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU QUY HOẠCH VÀ MỞ RỘNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐÁP ỨNG YÊU CẦU CHỈ TIÊU ĐỘ TIN CẬY II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ: Nghiên cứu quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải có xét đến độ tin cậy Nội dung: Tối ưu hóa quy hoạch hệ thống truyền tải phương pháp cận nhánh Hàm mục tiêu phương pháp tối thiểu chi phí đầu tư với điều kiện ràng buộc không đáp ứng yêu cầu phụ tải dự đốn dài hạn mà cịn thỏa mãn yêu cầu độ tin cậy (độ dự trữ công suất nút phụ tải) Bên cạnh xác định tập hợp tối ưu xác định thứ tự ưu tiên đầu tư mở rộng đường dây số độ tin cậy xác suất ngẫu nhiên (LOLE) Cuối kiểm tra độ ổn định hệ thống sau quy hoạch Phương pháp đề xuất chứng minh hệ thống điện 25 nút IEEE-MRTS III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2008 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2008 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ts TRẦN TRUNG TÍNH Ts VŨ PHAN TÚ CÁN BỘ HƯỜNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên, chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Ts TRẦN TRUNG TÍNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ hội đồng chuyên ngành thơng qua Ngày tháng năm 2008 TRƯỞNG PHỊNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy Vũ Phan Tú thầy Trần Trung Tính, người tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu vơ q giá giúp đỡ em suốt trình nghiên cứu thực luận văn Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô giảng dạy, truyền đạt tri thức khoa học giúp em trưởng thành suốt trình theo học cao học Con vơ biết ơn Ba Mẹ gia đình ni khôn lớn, chỗ dựa vững vật chất lẫn tinh thần, tạo điều kiện để học tập, trưởng thành ngày hôm Xin chân thành cảm ơn Anh Chị, bạn bè lớp Thiết bị, mạng nhà máy điện khố 2006 khun răng, giúp đỡ q trình học tập sống Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2008 Trần Văn Tấn TÓM TẮT Chức hệ thống điện cung cấp điện chất lượng liên tục tới nơi tiêu thụ với giá thành thấp Quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải nhiệm vụ quan trọng ngành điện, thường thực sau quy hoạch nguồn điện Nhiệm vụ quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải xác định vị trí tối ưu, cơng suất thứ tự ưu tiên đầu tư đường dây, đảm bảo yêu cầu dự đoán phụ tải dài hạn (10 – 15 năm) với tổng chi phí đầu tư thấp Nghiên cứu quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải nhằm giải vấn đề phát triển hệ thống điện tương lai Việt Nam Do đó, luận văn tập trung nghiên cứu giải thuật tối ưu quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải Giải thuật sử dụng phương pháp cận nhánh (Branch and Bound), hàm mục tiêu tối thiểu tổng chi phí đầu tư với điều kiện ràng buộc độ tin cậy hệ thống điện (độ dự trữ công suất nút phụ tải) Một công cụ phát triển dùng giải thuật cận nhánh phần mềm Cmexp.For Hơn nữa, nghiên cứu giúp cho nhà quy hoạch, nhà quản lý dễ dàng đưa định thứ tự ưu tiên đầu tư đường dây, từ tập hợp tối ưu đạt dựa số độ tin cậy xác suất ngẫu nhiên (LOLE) hệ thống điện, mà xác định số độ tin cậy xác suất ngẫu nhiên hệ thống sau đầu tư mở rộng Công cụ đánh giá độ tin cậy xác suất ngẫu nhiên phần mềm TRELSS (Transmission Reliability Evalution for Large – Scale Systems) Ngoài ra, nghiên cứu giúp nhà quản lý nhà vận hành kiểm tra lại độ ổn định (khả mang tải, độ ổn định điện áp, góc lệch điện áp, v.v…) hệ thống điện sau thực quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải Công cụ dùng phần mềm PowerWorld Nghiên cứu chứng minh hệ thống điện 25 nút IEEE-MRTS ABSTRACT The primary function of a power system is to provide electric energy to its customers as economical as possible with an acceptable degree of continuity and quality The composite power system expansion planning is the most important task in management and operation power system Especially, the transmission expansion planning is an important part of the composite power system planning Actually, the transmission system expansion planning problem is performed following generation expansion planning The fundamental objective of transmission expansion planning is not only to determine the placements but also to specify the sizes of addition plans of new facilities (transformers, transmission lines and other network equipments) to meet the forecasted demand (10 – 15 year) at minimization cost, while satisfying prescribed budget and reliability criteria A research on transmission expansion planning is a hot task of the Vietnam power system now The conventional principle of grid planning is to minimize the grid construction and operational cost while satisfying the requirement of delivering electric power safety and reliably to load centers This research proposed a practical approach to obtain optimum transmission expansion planning to be minimization of the construction cost subject to reliability level constraints which is deterministic reliability criterion (load buses reserve rate: BRR) using a branch and bound method that utilizes a network flow approach and the maximum flow-minimum cut set theorem Especially, this research is also to determine the construction priority of new transmission lines and to consider operation mode of new power system This research has three steps The first step is to search the optimality of transmission expansion planning by using the integer branch and bound algorithm, which includes network flow theory and maximum flow-minimum cut set theorem The assumptions are to use the active power of a network flow, the sufficient generation power for long-term planning and the set of draft plans/scenarios as candidate plans The calculating tool used for this step is the program Cmexp.For that has been developed by Gyeongsang National University (GSNU) since 1986 The second step is to determine the construction priority of transmission lines based on probabilistic reliability evaluation of new bulk system i-th where installs a new transmission line i-th within the optimal set of the first step The transmission line, which has the lowest bulk reliability evaluation indices (LOLE, EENS) among the set of optimal lines, is suggested to construct first until all lines of the optimal set to be added The simulating tool is the program of Transmission Reliability Evaluation for Large-Scale Systems (TRELSS) that has been developed by EPRI since 1992 The third step is to verify a new power system operation conditions as like as the power system stability The simulating tool is the program of PowerWorld A Modified IEEE Reliability Test System (IEEE-MRTS) is illustrated in this research MỤC LỤC MỞ ĐẦU 10 Đặt vấn đề .10 Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ 11 Đối tượng nghiên cứu 12 Ý nghĩa thực tiễn 12 Điểm đề tài 12 Chương TỔNG QUAN .13 1.1 Giới thiệu tổng quan thị trường điện 13 1.2 Quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải 15 Chương TIẾP CẬN PHƯƠNG PHÁP CẬN VÀ NHÁNH 18 2.1 Thuật toán cận nhánh (Branch and Bound) 18 2.2 Mơ hình hóa hệ thống điện 19 2.3 Lý thuyết dòng cực đại mặt cắt tối thiểu 20 2.4 Hàm chi phí bậc thang .24 2.5 Quy hoạch hệ thống truyền tải 25 Chương ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 31 3.1 Các khái niệm độ tin cậy hệ thống điện 32 3.2 Những thuật ngữ thường dùng đánh giá độ tin cậy 32 3.3 Đặc tính độ tin cậy hệ thống điện .33 3.4 Đánh giá độ tin cậy xác suất ngẫu nhiên 34 3.5 Khái niệm cường độ cắt cưỡng phần tử .35 3.6 Cơ sở đánh giá độ tin cậy hệ thống điện 37 3.7 Đánh giá độ tin cậy hệ thống điện 38 3.7.1 Đánh giá độ tin cậy theo cấp độ I 38 3.7.2 Đánh giá độ tin cậy theo cấp độ II 39 3.7.3 Đánh giá độ tin cậy hệ thống truyền tải 41 Chương ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 42 4.1 Quy trình quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải .42 4.2 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu .43 4.3 Quy hoạch hệ thống truyền tải sử dụng tiêu chuẩn ĐTC 46 4.4 Xác định thứ tự ưu tiên đầu tư đường dây .49 4.5 Kiểm tra độ ổn định khả tải sau quy hoạch 54 Chương KẾT LUẬN 67 5.1 Kết đạt .67 5.2 Hạn chế 67 5.3 Hướng phát truyển đề tài 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 72 A.Thuật toán mặt cắt tối thiểu 72 A.1 Tìm đường dẫn lớn 72 A.2 Ví dụ cho hệ thống sau 73 A.3 Lý thuyết dòng cực đại mặt cắt tối thiểu 84 B Công cụ đánh giá độ tin cậy 86 B.1 Tổng quan phần mềm TRELSS .86 B.2 Giải thuật phần mềm TRELSS 87 B.3 Thông số đầu vào đầu 87 B.4 Các bước sử dụng phần mềm TRELSS V6.2 .88 C Công cụ kiểm tra độ ổn định HTĐ 94 C.1 Giới thiệu 94 C.2 Tạo mô 94 C.3 Sơ đồ hệ thống 25bus chuẩn IEEE PowerWorld 102 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 103 10 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Nhu cầu lượng phục vụ cho nhân loại điều tất yếu then chốt Khơng có lượng khơng tồn sống hành tinh Quy hoạch phát triển lượng bao gồm nhiều lĩnh vực rộng lớn sách lượng quốc gia, sách phát triển kinh tế Nhà nước, dự đoán nhu cầu khả đáp ứng nhu cầu lượng, v.v…Điện dạng lượng thiếu xã hội văn minh đại Bởi vì, điện năng lượng sạch, an tồn với hiệu suất sử dụng cao, dễ dàng truyền tải từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ Quy hoạch phát triển nguồn điện, hệ thống truyền tải phân phối điện nhiệm vụ quan trọng quốc gia Nhu cầu điện phục vụ cho sản xuất đời sống không tăng số lượng mà tăng chất lượng Điện dạng lượng có tính đặc thù phải cung cấp liên tục, ổn định, chất lượng khó dự trữ (số lượng lớn) với giá thành thấp Điện sản xuất từ dạng lượng sơ cấp (than, dầu, gas tự nhiên, v.v…); lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, phong năng, địa năng, thủy năng, v.v…); lượng hạt nhân Việc sản xuất tiêu thụ điện ngày phát triển ảnh hưởng lớn tới nhiều vấn đề xã hội sách nhà nước, phát triển kinh tế, chất lượng sống, v.v…Tất nước giới sử dụng điện năng, đặc biệt nước phát triển nhu cầu điện lớn Nếu điện gây thiệt hại to lớn kinh tế, xã hội Đặc biệt, Những năm gần tượng điện xảy gây thiệt hại hàng tỉ USD Mỹ Canada Xã hội ngày phát triển, nhu cầu sống người ngày cao, điều có nghĩa nhu cầu điện ngày tăng số lượng chất lượng Theo kinh nghiệm từ chuyên gia nhu cầu điện hàng năm phục vụ cho nước tương đương với tăng thêm tổng sản lượng quốc gia (GNP) Nhiều thập kỷ qua, hệ thống nguồn điện quan tâm mở rộng, hệ thống truyền tải phân phối chưa quan tâm mở rộng đầy đủ [23] Do quy 89 STEP 3: Supplying a Load Flow Data File STEP 4: Supplying Network Supplementary Data File STEP 5: Select Outage and Load Curve Data Files 90 STEP 6: Specifying A Study Area STEP 7: Specifying A Problem ID Area STEP 8: Specifying Load Levels in Case Definitions 91 STEP 9: Specifying Solution Parameters for Load Flow Solutions STEP 10: Specifying Remedial Action Options STEP 11: Specifying PCG Analysis and Failure Criteria 92 STEP 12: Specify Dispatch and Islanding Options STEP 13: Specifying Independent Contingency Options STEP 14: Specifying Report Filter 93 STEP 15: Select Output Reports STEP 16: Launching TRELSS programs STEP 17: Report files 94 C Công cụ kiểm tra độ ổn định HTĐ C.1 Giới thiệu Đây chương trình mơ HTĐ dễ sử dụng Giao diện chương trình thân thiện thực tế Có chế độ vận hành mô powerworld (PW) Chế độ chỉnh sửa chế độ chạy chương trình Trong chế độ chỉnh sửa tạo sơ đồ chỉnh sửa Chế độ chạy chương trình mơ hệ thống hệ thống thực tế Nếu gặp khó khăn tham khảo mục Help C.2 Tạo mô Phần giúp làm quen với cách tạo mơ hình HTĐ, cách vận hành tính tốn hệ thống Bước phải tạo mơ hình hệ thống tùy thích, nhiên thao tác hệ thống sẵn có Sample Cases Simulator Khởi động phần mềm: - Nhấp đôi lên biểu tượng Start/Programs/PowerWorld Simulator Mở file mới: chọn File/New Case nhấp lên biểu tượng nhấn CTRL+N tạo hệ thống sau Cho HTĐ bao gồm máy phát, cái, dây dẫn, tụ điện tải có mơ sau: 95 Đầu tiên chế độ làm việc phải chuyển sang Edit Mode cách nhấp nút công cụ Program a/ Vẽ One - Từ Insert menu chọn Bus, nhấp lên biểu tượng công cụ Insert Click trái điểm hình để mở hộp thoại Bus Options - Trong hộp Bus Number nhập số thứ tự - Trong hộp Bus Name đặt tên cho bus tạo One - Hiển thị lớp Bus Information - Nhập vào số vùng hộp Area Number - Nhập tên vùng Area Name (đôi mặt định) - Nhập vào mức điện áp danh định Normal Voltage 138 KV - Hiển thị lớp Display 96 - Chọn hướng cho vùng Orientation Down - Chọn hình dạng Rectangle - Nhập độ lớn bề rộng hộp Size Width - Nhấp nút Save để lưu thông số vừa thiết đặt Click OK để kết thúc chấp nhận thông số cịn lại mặc định Kí hiệu xuất vẽ Click phải để xuất menu, nhấp chọn Add New Fields Around Bus Hộp thoại Insert New Fields around selected objects xuất hiện, click trái Pos để xuất hộp thoại Bus Field Options, sau nhấp chọn MW Marginal Cost vùng Type of Field 97 b/ Vẽ máy phát nối với One - Chọn Insert/Generator nhấp lên biểu tượng để xuất hộp thoại General Options - Hiển thị lớp Display Information, chọn hướng Left cho máy phát, chọn Add New Fields Around Bus - Hiển thị lớp MW and Voltage Control 98 - Nhập vào hộp MW Output (công suất tác dụng ngõ ra) 200 KW - Nhập vào hộp Mvar Output (Công suất phản kháng ngõ ra) Kvar - Hiển thị lớp Costs - Nhấp chọn Cubic Cost Model - Nhập Unit Fuel Cost ($/Mbtu): - Nhập Fuel Cost Indefendent Value ($/hr): - Nhập Cost Multiplier: - Trong vùng Cubic Input/Output Model (Mbtu/h) nhập 10 vào hộp B, hộp lại mức - Nhấp nút Save để lưu thông tin vừa chọn chấp nhận lựa chọn khác mặc định Nhấp OK để kết thúc c/ Vẽ tải nối với Bus One - Chọn Insert/Load nhấp lên biểu tượng vị trí mong muốn, hộp thoại Load Options xuất hiện: Click trái điểm 99 - Hộp MW Value nhập công suất tác dụng tải 20 KW - Hộp Mvar Value nhập công suất phản kháng Kvar - Nhấp chọn Right để định hướng cho tải - Nhấp nút Save để lưu thông tin vừa chọn - Nhấp nút OK để kết thúc d/ Vẽ Bus Two Các bước thực tương tự Bus One e/ Vẽ đường dây truyền tải nối từ Bus One đến Bus Two (Chúng ta phải vẽ Bus Two trước vẽ đường dây này) -Chọn Insert/Transission Line nhấp lên biểu tượng - Nhấp chọn Bus One - Di chuyển không kéo rê chuột, click trái chọn Bus Two Nhấp ENTER Hộp thoại Transmission Line/Transformer Options xuất 100 - Nhập vào hộp Series Resistance (R) giá trị điện trở - Nhập 0.1 vào hộp Series Reactance (X) giá trị điện kháng - Chọn trạng thái vận hành Closed - Nhập 100 cho Limit A (MVA) - Nhấp nút Save để lưu thông tin vừa thiết đặt Nhấp OK để kết thúc - Chọn Insert/Line Flow Pie Chart nhấp lên biểu tượng để chèn biểu đồ dịng cơng suất đường dây truyền tải Thông thường biểu đồ có sẵn đường dây truyền tải f/ Vẽ máy phát nối với Bus Two - Nhập vào hộp MW Output (công suất tác dụng ngõ ra) KW - Nhập vào hộp Mvar Output (Công suất phản kháng ngõ ra) Kvar - Trong vùng Cubic Input/Output Model (Mbtu/h) nhập 12 vào hộp B, hộp lại mức Các bước lại thực tương tự g/ Vẽ tải nối với Bus Two - Hộp MW Value nhập công suất tác dụng tải 150 KW - Hộp Mvar Value nhập công suất phản kháng Kvar - Nhấp chọn Left để định hướng cho tải - Nhấp nút Save để lưu thông tin vừa chọn Nhấp nút OK để kết thúc h/ Vẽ Bus Three - Nhập giá trị điện áp 35 KV cho hộp Nominal Voltage - Các bước lại thực tương tự i/ Vẽ MBA nối Two Three ( HV cần vẽ Bus Three trước vẽ máy biến áp điện áp Bus Two Three phải khác nhau) - Chọn Insert/Transformer nhấp lên biểu tượng - Click trái điểm Bus Two Di chuyển trỏ (nhưng không kéo rê) đến Bus Three click trái điểm bus 101 Nhấp ENTER Hộp thoại Trasmission Line/Transformer Options xuất Cách nhập thông số tương tự đường dây truyền tải (R=0, X=0.1, Limit A=100) j/ Vẽ tụ bù nối với bus Three - Chọn Insert/Switched Shunt nhấp lên biểu tượng - Click trái điểm Bus Three, hộp thoại Switched Shunt Options xuất hiện: - Nhập Mvar vào hộp Nominal Mvar (công suất phản kháng định mức) - Nhấp chọn Right để định hướng cho tụ - Nhấp nút Save để lưu thông số đặt Nhấp OK để kết thúc k/ Vẽ tải nối với Bus Three - Hộp MW Value nhập công suất tác dụng tải 130 KW - Hộp Mvar Value nhập công suất phản kháng Kvar - Nhấp chọn Right để định hướng cho tải - Nhấp nút Save để lưu thông tin vừa chọn Nhấp nút OK để kết thúc l/ Vẽ máy phát nối với bus Three - Nhập vào hộp MW Output (công suất tác dụng ngõ ra) 100 KW - Trong vùng Cubic Input/Output Model (Mbtu/h) nhập 20 vào hộp B, hộp lại mức - Các bước lại thực tương tự 102 C.3 Sơ đồ hệ thống 25bus chuẩn IEEE PowerWorld 103 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: TRẦN VĂN TẤN Ngày, tháng, năm sinh: 16/09/1982 Nơi sinh: Hậu Giang Địa liên lạc: Ấp 10, Vị Trung, Vị Thuỷ, Hậu Giang QÚA TRÌNH ĐÀO TẠO Từ 2001-2006: học đai học Trường Đại Học Cần Thơ Từ 2006-2008: học cao học Trường ĐHBK Tp HCM QÚA TRÌNH CƠNG TÁC ... NGHIÊN CỨU QUY HOẠCH VÀ MỞ RỘNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐÁP ỨNG YÊU CẦU CHỈ TIÊU ĐỘ TIN CẬY II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ: Nghiên cứu quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải có xét đến độ tin cậy. .. dự báo phụ tải Mở rộng hệ thống truyền tải Quy hoạch nguồn Hình 1.2 Quy trình quy hoạch mở rộng hệ thống điện Thật vậy, mở rộng hệ thống truyền tải thực theo sau quy hoạch mở rộng hệ thống nguồn... triển cho ngành điện quy hoạch nguồn, quy hoạch hệ thống truyền tải dựa vào dự báo phụ tải Trong quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải nhiệm vụ quan trọng quy hoạch HTĐ nhằm đáp ứng nhanh nhu cầu