Phát triển phần mềm mô phỏng hệ thống điện Smart_Simulator - Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp. Hồ Chí Minh

[r]

PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG ĐIỆN SMART_SIMULATOR

Trịnh Phương Thao1, Phạm Viết Tiệp1, Quách Tuấn Anh2, Nguyễn Văn Thịnh2, Nguyễn Hữu Thịnh3, Vũ Văn Thuấn3, Quách Tiến Dũng4, Trần Trí Dũng5, Nguyễn Văn Sơn5 1Ban Kỹ thuật EVN-NPC, 2Ban Kỹ thuật EVN-HPC, 3Công ty cao thế 110 kV EVN-SPC, 4EVN-NLDC, 5Kỹ sư tư vấn độc lập

1 GIỚI THIỆU & TÓM TĂT

Smart_Simulator (gọi tắt S_S) phần mềm mơ phỏng, phân tích, đánh giá chếđộ

xác lập (CĐXL) hệ thống điện “Smart_Simulator” kết hợp thuật toán Gauss-Seidel với thuật toán Newton-Rapson Quá trình kết hợp khởi động thuật toán Gauss-Seidel với số bước lặp định, nhằm tìm kiếm tập nghiệm ban đầu

) ( )

( ;

i i

V  tốt nhất cho thuật tốn Newton-Rapson, mơ phỏng tự động chuyển tiếp qua thuật toán Newton-Rapson Kết q trình mơ tăng tốc, đảm bảo mơ thành cơng, gọi “Smart_Simulator” Hiện tại, S_S sử dụng để

mô phỏng, phân tích, tính tốn tổn thất điện năng, chẩn đốn tình trạng vận hành

đánh giá phát triển lưới 110 kV (có tính đến HTĐ 500, 220 kV liên quan) EVN-NPC, EVN-HPC, EVN-SPC S_S dùng để mơ phỏng, phân tích, tính tốn tổn thất điện năng, đánh giá vận hành đánh giá phát triển lưới phân phối trung áp Công ty điện lực thuộc EVN-NPC, EVN-HPC Ngồi S_S cịn dùng cho mục đích đào tạo kỹ sư nghiên cứu, vận hành HTĐ, vận hành lưới phân phối trung áp S_S lập trình mơi trường VBA & Excel giao diện Input & Output đơn giản, rõ ràng thân thiện

2 CỐT LÕI S_S

Mơ CĐXL tìm giá trị điện áp góc pha tương đối điện áp nút cho biết cấu trúc HTĐ, công suất nguồn phát điện công suất phụ tải nút

Gọi công suất hữu công công suất vô công nguồn phát điện nút i lần lượt

PGi QGi; công suất phụ tải hữu công nút i PLi phụ tải vơ cơng QLi Khi đó cơng suất hữu cơng thực bơm vào nút i là liệu cho trướcPi,inj

Gọi cơng suất tính tốn bơm vào nút i Pi, calc Khi đó, sai lệch giá trị công suất hữu công thực bơm vào nút i giá trị công suất hữu công tính tốn nút i

Pi = Pi,inj - Pi,calc = PGi - PIi - Pi,calc i =2, 3, , i,… n (2) Tương tự, sai lệch giá trị công suất vô công thực bơm vào nút i giá trị

công suất vơ cơng tính tốn nút i

Qi = Qi,inj - Qi,calc = QGi - QIi - Qi,calc i =2, 3, , i,… n (3)

Điều kiện cân công suất hữu công P công suất vô công Q nút hệ

thống điện (HTĐ) là: ) ( 

Pi V ; Qi(V)0 i =2, 3, , i,… n (4) Trong Pi(V) Qi(V)lần lượt sai lệch công suất hữu công P vô công

Q nút i phụ thuộc tập vecto điện áp nút V V2,V3, ,Vi, Vn ; n số nút HTĐ Trong mô CĐXL, nút HTĐ phân loại thành loại nút khác

nhau để có cách xử lý khác Dưới phân loại nút:

Nút phụ tải: Các nút không nối với nguồn phát điện, cơng suất hữu cơng PGi vơ công QGi bằng zero Phụ tải hữu công -PLi phụ tải vô công -QLi mang dấu âm để phù hợp với quy ước công suất khỏi nút mang dấu âm Đôi ta gọi loại nút nút P-Q Mơ CĐXL tìm mơ đun điện áp |Vi| góc lệch

điện áp δi của nút này.

Nút kiểm soát điện áp: Đây các nút nối với nguồn phát điện Do đó, cơng suất phát vào nút kiểm soát qua tua bin, điện áp kiểm sốt qua hệ thống kích thích máy phát điện Vì thế, ta cho nút công suất phát PGi mô đun điện áp | Vi | giữ không đổi Đôi ta gọi loại nút nút P-V Cần lưu ý rằng, máy phát điện phát công suất vô công QGi tuỳ thuộc vào cấu hình lưới điện khơng thể xác định trước Với nút P-V, biến cần tìm góc δi của điện áp nút

Nút cân bằng: thường nút quy định nút số nút nối với nguồn phát điện để làm nhiệm vụ cân công suất HTĐ Nút xem có góc lệch pha lấy làm chuẩn (tham chiếu) đểđo góc lệch pha cho tất nút khác Do

khác biệt góc hai nguồn điện áp định dịng cơng suất hữu cơng & vơ cơng hai nút, nên góc đặc biệt nút cân khơng quan trọng, góc lệch nút thường chọn 0° Ngồi ra, giả thiết mô đun điện áp nút cho biết

ΔQi Quá trình tính lặp làm giảm dần ΔPi ΔQi cho tới giá trị nhỏ sai lệch mong muốn Khi đó, ta nói q trình mơ CĐXL hội tụ

Smart_Simulator có ba lựa chọn mơ tuỳ theo thuật tốn giải hệ 2(n – 1) phương trình phi tuyếnP Vi( )



; Qi(V)0: (A) thuật toán Gauss-Seidel: (B) thuật toán Newton-Rapson (C) “Smart_Simulator” kết hợp thuật toán Gauss-Seidel với thuật tốn Newton-Rapson Q trình kết hợp khởi động thuật toán Gauss-Seidel với số bước lặp định, nhằm tìm kiếm tập nghiệm ban đầu khả thi tốt cho thuật tốn Newton-Rapson, mơ tự động chuyển tiếp qua thuật toán Newton-Rapson Kết q trình mơ tăng tốc, đảm bảo mơ thành cơng, gọi “Smart_Simulator”

2.A Mô theo Gauss-Seidel “S_S”

Biểu thức cơng suất phức tính tốn bơm vào nút i được tính theo (5)

 i i ii i in n

i k n k ik i calc i calc

i jQ V Y V V Y V Y V YV Y V

P         



2 1 *

* ,

, (5)

Trong vec tơ *

i

V liên hợp vectơđiện áp Vi; Yik điện dẫn tương hỗ nút i vút k. Các đại lượng phức tương ứng nút i (5) điện áp, điện dẫn riêng, điện dẫn tương hỗ có giá trị sau (trong S_S có chương trình tính ma trận điện dẫn [Y])

(cos sin )

i i i i i i

V  V   V   j  (i)

(cos sin ) G

ii ii ii ii ii ii ii ii

Y  Y   Y   j    jB (ii) (cos sin ) G

ij ij ij ij ij ij ij ij

Y Y   Y   j    jB (iii) Vì mong muốn tìm V V2,V3, ,Vi, Vn 



để Pi,cal  jQi,cal = Pi,inj  jQi,inj từ

(5) ta có

 i i ii i in n

i k n k

ik i cnj i inj

i jQ V Y V V Y V Y V Y V Y V

P         



2 1 *

* ,

, (6)

Trong (6), vế trái Pi,inj  jQi,injlà công suất hữu công, vô công thực bơm vào nút i

là liệu cho trước Sắp xếp lại biểu thức (6) ta tính vecto điện áp nút iVikhi biết giá trị công suất hữu công công suất vô công bơm vào nút iPi,inj Qi,inj

,inj ,inj

1 2

1

i i

i i i in n

ii i

P jQ

V Y V Y V Y V

Y V



 

      

“S_S” dùng (7) để tính tập vecto điện áp nút V V2,V3, ,Vi, Vn  Giá trị

mơđun góc pha điện áp sau bước tính lặp dùng để tính giá trị cơng suất tính tốn theo (5), từđó tính sai lệch cơng suất theo (2) (3) Q trình tính lặp làm giảm dần ΔPi ΔQi cho tới giá trị nhỏ sai lệch mong muốn để kết thúc q trình mơ CĐXL Để tăng nhanh q trình mơ phỏng, tính điện áp nút theo (6) nhân với sốλ được gọi hệ số gia tốc (acceleration factor) Giá trị sốλ thường khoảng 1.2 đến 1.4 Khi đó, giá trịđiện áp gia tốc nút

i, bước tính lặp thứk tính theo (8)

 

( ) ( 1) ( ) ( 1) ( ) ( 1)

, (1 ) , , ,

k k k k k k

i acc i acc i i acc i i acc

V   V  V V   V V  (8)

2.B Mô Newton-Rapson “S_S”

Ta xét HTĐ có n nút, số nút loại P-Q np số nút loại P-V ng

để có n = np + ng + với nút số nút cân

Trong “S_S”, cách tiếp cận mô CĐXL theo phương pháp Newton-Rapson tương tự giải hệ phương trình phi tuyến dùng phương pháp Newton-Rapson tức bước tính lặp, ta phải lập ma trận Jacobian giải hệ phương trình điều chỉnh để tìm giá trị hệ số hiệu chỉnh cho biến Q trình hiệu chỉnh, tính lặp tiếp tục tìm giá trị biến thoả mãn hệ phương trình phi tuyến cần giải

Đối với mơ CĐXL, hệ phương trình tuyến tính điều chỉnh để tìm giá trị

hệ số hiệu chỉnh cho biến điện áp nút mô đun điện áp |Vi| góc lệch điện áp δi dạng ma trận:

2

2

2

2 2

1

1

o o

o

n

n

n n

n

P

V P

J V

Q

Q V

V

 

 





 

 



 

 

 

 

 

 

  

  

 

  



 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 





 

(9)

Trong J ma trận Jacobian; i i = 2, 3,…, n giá trị hệ số hiệu chỉnh góc lệch điện áp δi   

i i

V V



giá trị hệ số hiệu chỉnh mô đun điện áp |Vi|;

ΔPi, ΔQi i = 2, 3,…, n sai lệch công suất hữu công, vô công nút i

Trong “S_S”, giải hệ phương trình tuyến tính điều chỉnh (9) để tìm giá trị hệ

số hiệu chỉnh Δ δ (0) Δ |V| (0) / |V| (0) được thực hiện theo phép nghịch đảo ma trận

 1 J                       Q P J V V /  (10) Ma trận J gồm bốn ma trận

11 11 21 22 J J J J J         

Kích thước hay cấp ma trận Jacobian ma trận vuông (n + np − 1) x (n + np −1) Kích thước ma trận J11: (n 1)  (n 1), J12: (n 1) np, J21: np

 (n 1) J22: np np Các phần tử ma trận giá trị đạo hàm riêng hàm

Pi, Qi theo biến góc lệch điện áp δi và mô đun điện áp |Vi| Các phần tử ma trận Jacobian cho bảng

2 2 11 n n n n P P J P P                                

Bảng 1.1 Các phần tử ma trận J11

1 1 2 2 12 2 no no no no n P P V V V V J P P V V V V                                    

Bảng 1.2 Các phần tử ma trận J12

2 2 21 1 o o n n n n Q Q J Q Q                                   

Bảng 1.3 Các phần tử ma trận J21

1 1 2 2 22 1 2 no no o o no no n n Q Q V V V V J Q Q V V V V                                      

Bảng 1.4 Các phần tử ma trận J22

Bảng Các phần tử ma trận Jacobian

2

1

cos( )

n

i i ii ik i k ik k i

k k

P V G Y VV   

 

    (11)

2

1

sin( )

n

i i ii ik i k ik k i

k k

Q V B Y VV   

 

    (12) Các biểu thức (11) (12) dùng để xác định biểu thức tính đạo hàm riêng

bảng phần tử ma trận Jacobian

Thành lập ma trận Jacobian

Các biểu thức (11) (12) dùng để tính giá trị phần tử ma trận

B.1 Lập ma trận J11

Ma trận J11 có dạng sau:

22

21

n

n nn

L L J

L L

 

 

  

 

 

   



Từ bảng 1.1 thấy Lik đạo hàm riêng Pi đối với δk Đạo hàm riêng Pi theo (11) với k ≠ isẽ là:

i sin( ),

ik ik i k ik k i

k

P

L Y VV    i k

 

     

 (13)

Tương tự, đạo hàm riêng Pitheo (11) với k = isẽ là:

1

sin( )

n i

ii ik i k ik k i

k i

k

P

L Y VV   

 





    

 

So sánh biểu thức với (12) ta viết:

2

i

ii i i ii

i

P

L Q V B

 

   

 (14)

B.2 Lập ma trận J21

Ma trận J21 có dạng sau:

22

21

2

o o

n

n n n

M M

J

M M

 

 

  

 

 

   

Từ bảng 1.3 thấy phần tử J21 đạo hàm riêng Q đối với δ Từ

(12) ta có:

i cos( ),

ik ik i k ik k i

k

Q

M Y VV    i k

 

     

 (15)

Tương tự, đạo hàm riêng Qi với k = isẽ là:

2

1

cos( )

n i

ii ik i k ik k i i i ii

k i

k

Q

M Y VV    P V G

 





      

  (16)

B.3 Lập ma trận J12

Ma trận J12 có dạng sau:

22

12

2 o

o

n

n nn

N N J

N N

 

 

  

 

 

   



Từ bảng 1.2 thấy phần tử J12 đạo hàm riêng P đối với môđun

điện áp |V| Với i ≠k, từ (11) ta có:

i cos( ) ,

ik k ik i k ik k i ik

k

P

N V Y VV M i k

V   



      

 (17)

Với k = i ta có:

1

2 n cos( )

i

ii i i i ii ik k ik k i

k i

k

P

N V V V G Y V

V    



 

  

      



 

 



2

1

2 i ii n ik i k cos( ik k i) i ii ii

k k

V G Y VV    V G M

 

      (18)

B.4 Lập ma trận J22

Ma trận J22 có dạng sau:

22

22

2 o

o o o

n

n n n

O O J

O O

 

 

  

 

 

   



Từ bảng 1.4 thấy phần tử J22 đạo hàm riêng Q đối với môđun