TRÊN LƯỚI ĐIỆN

 T T T 2 T 2

TRÊN LƯỚI ĐIỆN

II.1 Đặc trưng tiêu thụ điện năng của phụ tải điện

Phụ tải điện là nhu cầu sử dụng điện năng của các hộ tiêu thụ. Thực tế phụ tải thường được thống kê dưới dạng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q yêu cầu đối với lưới điện ở điện áp và tần số danh định tại một thời điểm hoặc trong một khoảng thời gian nhất định [2]. Khi đó phụ tải sẽ bao gồm công suất của các thiết bị dùng điện và TTCS trên lưới điện từ điểm nối thiết bị đến điểm đấu phụ tải. Ngoài ra, phụ tải cũng có thể được sử dụng để chỉ các hộ dùng điện nói chung.

Trong các đặc trưng của phụ tải, có thể thấy tính chất đầu tiên là phụ tải thay đổi theo nhu cầu của sinh hoạt và sản xuất, vì thế giá trị phụ tải biến đổi theo một quy luật có thể sơ bộ dự đoán được, và tạo ra đồ thị phụ tải [1]. Có thể có đồ thị phụ tải ngày đêm, cho biết sự biến đổi của phụ tải trong ngày đêm; hoặc đồ thị phụ tải kéo dài được xây dựng cho phụ tải trong một khoảng thời gian khảo sát cụ thể, thường là 1 năm.

S(MW)

t(h)

0 24

Đồ thị phụ tải ngày đêm là giá trị trung bình của phụ tải trong ngày đêm của 1 tuần, mùa hay năm. Đối với đồ thị phụ tải ngày đêm, các thông số quan trọng bao gồm (hình II.1):

- Công suất yêu cầu lớn nhất Smax (hoặc Pmax) sáng và tối (còn gọi là đỉnh sáng và đỉnh tối);

- Công suất yêu cầu trung bình Stb (hoặc Ptb):

240 0 tb max P(t).dt P P   (2.1)

- Thời gian xảy ra công suất cao và thấp điểm trong ngày.

Trên cơ sở đồ thị phụ tải ngày đêm có thể xây dựng đồ thị kéo dài năm bằng cách sắp xếp các giá trị phụ tải từng giờ theo thứ tự từ cao xuống thấp, mỗi giá trị phụ tải có độ kéo dài trên đồ thị bằng số giờ xảy ra trong năm (hình II.2).

t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 S(MW) t(h) 0 8760 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8

Hình II.2. Đồ thị phụ tải kéo dài năm.

Đối với đồ thị phụ tải kéo dài năm thì thông số quan trong là phụ tải cực đại và cực tiểu năm. Diện tích bao phủ bởi đồ thị phụ tải và trục hoành chính là điện năng tiêu thụ của phụ tải trong toàn bộ thời gian.

Như vậy đối với đồ thị phụ tải ngày đêm, điện năng tiêu thụ trong 24 giờ sẽ là tính phân của công suất tác dụng P theo thời gian t trong 1 ngày đêm:

24

(24) 0 0

A  P(t).dt (2.2)

Còn đối với đồ thị phụ tải kéo dài năm:

8760(8760) (8760)

0

A   P(t).dt (2.3)

Trên thực tế, nhiều trường hợp không thể có dữ liệu về đồ thị phụ tải, nhất là trong quy hoạch thiết kế lưới điện. Khi đó người ta tìm cách xác định các đặc trưng tiêu thụ điện năng của phụ tải.

Đặc trưng quan trọng nhất của đồ thị phụ tải kéo dài năm là thời gian sử dụng công suất lớn nhất Tmax [1,2]. Đây là thời gian với giả thiết phụ tải luôn không đổi và bằng Pmax, sẽ cho lượng điện năng tiêu thụ bằng đồ thị phụ tải thực.

Như vậy 0 < Tmax ≤ 8760h: 8760 0 max max max P(t).dt A T P P    (2.4)

Một đặc trưng khác của đồ thị phụ tải là hệ số sử dụng (còn gọi là hệ số điền kín của phụ tải): tb sd max P K P  (2.5)

Trong đó Ptb là công suất trung bình trong thời gian khảo sát T:

T0 0 tb max P(t).dt P P   (2.6)

Đối với đồ thị phụ tải ngày đêm, đặc trưng thường được sử dụng là hệ số tải LF (Load Factor), tính theo dòng điện phụ tải I, [15]:

tb max I LF I  (2.7)

Trong hầu hết các trường hợp nếu coi hệ số công suất của phụ tải không đổi, dòng điện phụ tải, công suất tác dụng và công suất biểu kiến sẽ biến đổi giống nhau và có cùng đồ thị. Khi đó hệ số tải LF tính theo (2.7) và hệ số sử dụng Ksd tính theo (2.5) là như nhau. Ta có quan hệ giữa LF và Tmax như sau:

tb max max max max I A T T LF I P .T T 8760     (2.8)

II.2 Một số đánh giá dựa trên cơ sở thống kê về quan hệ giữa hệ số tổn thất và hệ số phụ tải

Để có thể tính được TTĐN có thể sử dụng các hệ số quy đổi là thời gian tổn thất công suất lớn nhất  (1.12) hay hệ số tổn thất LsF (1.16). Tuy nhiên khi đó cần xác định quan hệ giữa các hệ số này với các đặc trưng tiêu thụ công suất của đồ thị phụ tải đã biết (Tmax hoặc LF). Khi không biết đồ thị phụ tải, những quan hệ này thường được xác định bởi các đồ thị hoặc công thức kinh nghiệm dựa trên cơ sở thống kê dữ liệu của phụ tải trong một giai đoạn nhất định [10,11,12,13,14,15]. Các nghiên cứu này hầu hết là của nước ngoài, hiện vẫn được áp dụng khi cho phụ tải của lưới điện Việt Nam khi tính toán TTĐN [2,3,4,7].

II.2.1 Quan hệ giữa thời gian TTCS max  và thời gian sử dụng công suất lớn nhất Tmax

Có thể coi thời gian TTCS lớn nhất  là hàm số phụ thuộc Tmax và hệ số công suất cosφ của phụ tải (theo [1,2,7]):

Phương pháp tính TTĐN theo thời gian tổn thất công suất lớn nhất được áp dụng cho các đường dây cấp điện cho phụ tải với sơ đồ lưới điện hở (có 1 nguồn cung cấp). Khi đó phân bố công suất trên các đoạn đường dây là phân bố tự nhiên không phụ thuộc chế độ vận hành của nguồn điện. Trong trường hợp này công suất truyền tải trên đường dây có đồ thị biến đổi trùng với ĐTPT cuối đường dây, do đó

 được đánh giá thống kê như một hàm số của thời gian sử dụng công suất lớn nhất Tmax và hệ số công suất cosφ của phụ tải.

Nếu coi cosφ của phụ tải không đổi, giá trị  chỉ còn phụ thuộc Tmax và được tính toán thống kê theo số liệu của phụ tải, có thể được cho dưới dạng bảng (bảng II.1), đường cong (hình II.2) hoặc theo các công thức kinh nghiệm và dùng cho các trường hợp cần xác định nhanh TTĐN trên lưới điện không có số liệu về đồ thị công suất của phụ tải.

Công thức kinh nghiệm nhằm tính toán giá trị  theo Tmax được thành lập từ số liệu thống kê về đặc trưng tiêu thụ điện năng của phụ tải [1,2,7]. Các công thức thường được sử dụng trên thực tế là:

1)  = (0,124 + Tmax.10-4)2.8760 (giờ) (2.10) 2) max 2 max 0,7.T τ = 0,3.T + 8760 (giờ) (2.11)

Trong đó công thức (2.10) được áp dụng dựa theo quy trình tính toán lưới điện của Liên Xô (cũ), hiện cũng là công thức được sử dụng chính thức tại EVN, Bộ Công Thương cũng như trong giảng dạy tại Việt Nam [3,4,7], trong nhiều trường hợp được áp dụng cho cả lưới điện truyền tải.

Ngoài ra, theo quy trình tính toán tại Liên Xô (cũ),  còn có thể tra gần đúng theo đồ thị quan hệ  = f(Tmax,cosφ) với mỗi giá trị cosφ cụ thể của phụ tải, như trên hình II.2 (theo [2]).

Hình II.2. Đồ thị  = f(Tmax)

Trong một số tài liệu [2], giá trị  còn có thể cho dưới dạng bảng theo Tmax như trong bảng II.1.

Bảng II.1. Bảng tra quan hệ giữa Tmax và 

Tmax (h)  (h) Tmax (h)  (h) Tmax (h)  (h)

4000 2500 5500 4000 7000 5900 4500 3000 6000 4600 7500 6600 4500 3000 6000 4600 7500 6600 5000 3500 6500 5200 8000 7400

Dễ thấy phương pháp xác định TTĐN theo thời gian TTCS lớn nhất  khá đơn giản và có thể áp dụng nhanh chóng và thuận tiện để tính toán TTĐN trong các lưới điện hình tia như lưới phân phối Việt Nam.

Mỗi nhóm phụ tải có đồ thị phụ tải đặc trưng, tương ứng có một giá trị Tmax, hay nói cách khác những hộ dùng điện thuộc cùng một loại đều có Tmax tương tự nhau, khi có thống kê đầy đủ về phụ tải thì ta hoàn toàn có thể lập được bảng các giá trị Tmax tùy theo phụ tải.

Ngoài ra Tmax còn được xác định từ số liệu quá khứ, sau đó áp dụng cho tính toán quy hoạch trong tương lai gần:

nam (t) max (t) nam (t) A T = P (giờ) (2.12)

Dựa vào quan hệ Tmax và  thì việc tính toán TTĐN bớt phức tạp hơn với các đòi hỏi thu thập dữ liệu của phụ tải; nhiều trường hợp trở nên khả thi, ví dụ khi thiết kế lưới điện.

Các công thức và đường cong xác định  nêu trên chỉ là phương pháp gần đúng lấy theo số liệu thực nghiệm và tiệm cận hóa, nhất là được xác định trên những lưới điển hình và phụ tải của nước ngoài trong một thời gian khảo sát nào đó. Như vậy có thể thấy hầu hết các phương pháp kinh nghiệm nhằm tính toán  từ Tmax như trên đều có nhược điểm là không có kiểm chứng đối với số liệu thực tế của phụ tải lưới điện Việt Nam. Trong trường hợp có sai số cũng rất khó để tiến hành hiệu chỉnh nhằm đạt được kết quả chính xác hơn.

II.2.2 Quan hệ giữa hệ số tổn thất và hệ số phụ tải

Trong nhiều tài liệu kỹ thuật điện của phương Tây [10,11,12,13,14,15], quy trình xác định nhanh TTĐN trong lưới điện được thực hiện bằng cách sử dụng hệ số tổn thất (hay tổn hao) điện năng - LsF (Loss Factor). Như đã trình bày trong mục I.2.5, hệ số tổn thất LsF là tỷ lệ giữa dòng điện trung bình bình phương I2

tb và bình phương của dòng điện cực đại I2

max. Như vậy hệ số tổn thất điện năng LsF cũng là tỷ số giữa tổn hao công suất trung bình ∆Ptb và tổn hao công suất khi phụ tải cực đại ∆Pmax trong một khoảng thời gian xác định T.

Để xác định hệ số tổn thất LsF, cũng cần biết đặc trưng tiêu thụ điện năng của phụ tải trong khoảng thời gian tương ứng. Cụ thể là hệ số tải LF (Load Factor), nếu coi hệ số công suất không đổi và biểu diễn theo công suất tác dụng P của phụ tải thì:

tb tb

max max

I P

LF =

I  P (2.13)

Như vậy hệ số tải LF cũng là tỷ số giữa công suất tiêu thụ trung bình Ptb và công suất tiêu thụ cực đại Pmax của phụ tải trong khoảng thời gian khảo sát T.

Nếu trong khoảng thời gian T xác định (ngày, tuần, tháng, năm) có điện năng tiêu thụ là A và tổn thất trên đường dây là ΔA thì có thể biểu diễn hệ số tổn thất và hệ số tải dưới dạng điện năng như sau:

tb max max P A LF = = P P ×T (2.14) tb max max ΔP ΔA LsF = = ΔP ΔP ×T (2.15)

Ở đây các giá trị A và Pmax có thể được xác định từ thiết bị đo đếm điện năng đặt tại hộ phụ tải, từ đó LF trên thực tế là xác định. Còn giá trị ΔPmax có thể có được từ các tính toán phân bố công suất cho lưới điện. Do đó nếu ta xác định được quan hệ giữa LsF và LF thì tổn thất ΔA hoàn toàn có thể tính được khi không có đồ thị phụ tải. Trường hợp có được đồ thị phụ tải thực tế cũng có thể kiểm chứng lại quan hệ giữa LsF và LF.

Quan hệ giữa LsF và LF được đánh giá như sau:

Xét lưới điện như hình II.3, cung cấp điện cho phụ tải công suất P.

ΔP P

Giả sử công suất tác dụng P của phụ tải và tổn thất ΔP có giá trị như biểu diễn trong hình II.4: P t(h) 0 T Pma x ma x P Ptb tb P t P2 P1 2 P 1 P

Hình II.4. Biểu đồ công suất phụ tải và tổn thất công suất trên lưới.

Từ hình II.4 ta tính được hệ số tải: tb tb

max 2

P P

LF = =

P P (2.16)

Trong đó công suất trung bình của phụ tải Ptb là:

 2 1 2 1 tb P .t+P . T-t P = T (2.17)

Thay (2.17) vào (2.16) và biến đổi, ta được: 1

2

t P T-t

LF = + .

T P T (2.18)

Từ đồ thị ta cũng có hệ số tổn hao điện năng LsF là:

tb tb

max 2

ΔP ΔP

LsF = =

ΔP ΔP (2.19)

 2 1 2 1 tb ΔP .t+ΔP . T-t ΔP = T (2.20)

Tương tự, thay (2.20) vào (2.19) và biến đổi, ta được: 1

2

t ΔP T-t

LsF = + .

T ΔP T (2.21)

Trong chương I đã phân loại TTĐN, với 2 loại TTĐN kỹ thuật bao gồm:

TTĐN không phụ thuộc vào tải: tổn thất do rò điện, vâng quang, tổn hao trong mạch từ máy biến áp, bộ phận điều chỉnh điện áp, dàn tụ bù, cuộn dây đồng hồ và các thiết bị đo lường khác… Đối với loại này LsF=1.

TTĐN phụ thuộc vào dòng tải, là tổn hao do phát nóng trên dây dẫn và dây quấn máy biến áp. Đối với loại tổn hao này thì 0 < LsF ≤ 1.

Giả thiết thông số điện trở của các vật dẫn gây ra TTĐN do phát nóng (phụ thuộc vào tải) không đổi, điện áp trong quá trình tính tổn thất điện năng là hằng số và hệ số công suất của các phụ tải cố định. Khi đó tổn hao công suất tỷ lệ thuận với bình phương công suất phụ tải, tức là:

2

1 1

ΔP = k×P (2.22)

Và: ΔP = k×P2 22 (2.23)

Trong đó k là hằng số. Thay (2.23), (2.22) vào (2.21) và biến đổi ta được: 2 1 2 t P T-t LsF = + . T P T       (2.24)

Từ các công thức (2.18) và (2.24) ta xét ba trường hợp giới hạn sau: Phụ tải cực tiểu Pmin = P1 = 0, khi đó:

t

LsF = LF= T

Thời gian tồn tại phụ tải cực đại chiếm phần lớn khoảng thời gian khảo sát (phụ tải không đổi), tức là t≈T; lúc này LsF≈LF.

Như vậy ta có khoảng biến động của LsF là:

LF2 ≤ LsF ≤ LF (2.25)

Quan hệ (2.25) có thể được biểu diễn trên hình II.5.

0 0,5 0,5 1,0 1,0 LsF=LF2 LsF=LF LsF=0,3LF+0,7LF2 LsF=0,08LF+0,92LF2

Hình II.5. Quan hệ giữa hệ số tổn hao LsF và hệ số tải LF

Trong trường hợp tổng quát, nếu đồ thị công suất của phụ tải dạng phức tạp hơn (hình II.8), ta hoàn toàn có thể chuyển đồ thị về dạng đồ thị kéo dài và xấp xỉ thành dạng bậc thang (hình II.9). Ở đây quan hệ (2.25) đúng cho tất cả các đồ thị khác nhau của phụ tải.

P

t(h)

0 24

Hình II.6. Đồ thị phụ tải dạng trơn.

P t(h) 0 P1 Pi Pn t1 ti tn

Hình II.7. Đồ thị phụ tải dạng bậc thang

Tuy nhiên việc xác định chính xác công thức quan hệ giữa LsF và LF đòi hỏi nghiên cứu trên số liệu lưới điện thực tế. Công thức biểu diễn quan hệ này phụ thuộc công suất phụ tải và thời gian tức là phụ thuộc biểu đồ của các phụ tải. Từ năm 1928, những nghiên cứu ban đầu của Buller và Woodrow đã đưa ra công thức kinh nghiệm về quan hệ này như sau [12,13,15]:

LsF = k.LF + (1-k).LF2 ( 2.26)

Trong đó, dựa trên đánh giá các phụ tải của lưới điện khu vực tác giả đã chọn hệ số k phù hợp nhất là 0,3. Khi đó, quan hệ giữa LsF và LF có dạng:

LsF = 0,3.LF + 0,7.LF2 (2.27)

Theo một số đánh giá cho đến nay [15], công thức (2.27) cho các kết quả tính toán TTĐN chấp nhận được. Thực tế cho thấy đây vẫn là một trong công thức kinh nghiệm được sử dụng phổ biến nhất trong các tính toán tổn thất điện năng hiện nay [15]. Công thức (2.11) xác định quan hệ giữa τ và Tmax cũng xuất phát từ công thức này.

Ngoài công thức (2.26), quan hệ giữa LsF và LF cũng được đề xuất với dạng hàm số mũ vào năm 1959 [11,15].

 k

LsF = LF (2.28) Với số mũ thường chọn là k = 1,6.

Trong nghiên cứu năm 1988 [12,13], công thức kinh nghiệm (2.27) được đánh giá lại dựa trên cơ sở thống kê của 31 phụ tải khu vực Bắc Mỹ với tổng số 65 biểu đồ công suất vận hành trong khoảng thời gian từ 1976-1985. Hệ số k được lấy bằng 0,08; công thức mới có dạng như sau:

LsF = 0,08.LF + 0,92.(LF)2

Hàm mũ: LsF = (LF)1,192

Như vậy có thể đặt vấn đề đánh giá lại công thức kinh nghiệm (2.27) trong điều kiện lưới điện Việt Nam hiện nay.

Nếu giả sử rằng biểu đồ công suất P của phụ tải trong hình II.6 có hình dáng