Tính toán biên độ và khoảng thời gian cho những sự cố có thể xảy ra trong hệ thống. Trình tự tính toán một cách sơ lƣợc nhƣ sau:
i. Xác định khu vực hệ thống điện trong đó có sự cố ngắn mạch (dẫn đến sụt giảm điện áp) sẽ đƣợc quan tâm.
ii. Chia khu vực này thành các phần nhỏ. Ngắn mạch trong mỗi phần nhỏ dẫn đến các sụt giảm điện áp với đặc tính tƣơng tự. Ở các nút phụ tải của hệ thống điện đang xét, mỗi phần nhỏ đƣợc đặc trƣng bới một điểm sự cố trong mô phỏng mạch điện cho hệ thống điện.
iii. Mỗi điểm sự cố, tấn suất xảy ra hiện tƣợng ngắn mạch đƣợc xác định dựa trên mô phỏng phân bố sự cố. Tần suất ngắn mạch là số lần xảy ra sự cố ngắn mạch trong khoảng thời gian một năm ở tại mỗi phần nhỏ của hệ thống đƣợc đặc trƣng bởi một điểm sự cố.
iv. Dùng các chƣơng trình mô phỏng tính toán ngắn mạch trong hệ thống điện trên máy tính, đặc tính sụt giảm điện áp trên tất cả các nút phụ tải của hệ thống đang xét là đƣợc tính toán cho mỗi điểm sự cố.
v. Kết quả từ hai bƣớc trên iii và iv đƣợc kết hợp để thu nhận thông tin đánh giá về số lần sảy ra sụt giảm điện áp với đặc tính trong hệ thống điện đang xét.
Phƣơng pháp này có ƣu điểm đƣợc ứng dụng tính toán sụt giảm điện áp cho hệ thống lớn có sử dụng công nghệ mô phỏng hệ thống điện.
28
3.3.Chƣơng trình tính toán sụt giảm điện áp trên lƣới phân phối dựa trên phƣơng pháp dự báo ngẫu nhiên.
Chƣơng trình tính toán sụt giảm điện áp trên lƣới phân phối của luận văn đƣợc phát triển trên chƣơng trình tính toán sụt giảm điện áp trên lƣới phân phối.Chƣơng trình đƣợc viết trên phần mềm Matlab.
Phần tính toán sụt giảm điện áp đƣợc chia làm hai phần chính : - Tính dòng ngắn mạch.
- Mô phỏng phân bố sự cố.
3.3.1.Tính dòng ngắn mạch
Trong mục này, phƣơng pháp xác định dòng ngắn mạch theo vị trí đƣợc xác định để quyết định trong quá trình có ngắn mạch nhằm tính toán điện áp và dòng điện khi ngắn mạch xuất hiện tại điểm trong hệ thống điện.
3.3.1.1. Đối với dòngngắn mạch tại điểm
Hình 3.2 cho thấy một sự cố ngắn mạch xảy ra trong một hệ thống điện điển hình. Trong hình này, một thiết bị cảm ứng đƣợc kết nối tại điểm m nhƣ một điểm theo dõi hoặc điểm nhạy cảm. Các sự cố xảy ra tại điểm i dẫn đến điện áp sụt trên điểmm.
Hình 3.2: Một sự cố ngắn mạch xảy ra tại điểm i trong một hệ thống điện điển hình
Thứ tự thuận, nghịch, không đƣợc sử dụng để mô tả và trình bày các hoạt động của hệ thống điện. Phƣơng trình (3.1) và (3.2) chỉ ra phép chuyển đổi cơ bản đối với dòng điện và các thành phần thứ tự điện áp. Các thứ tự Iz
29
Ip và In đƣợc xác định bằng thứ tự dòng điện không, thuận và nghịch. Trong phƣơng trình (3.2), Vz
, Vp và Vn thứ tự điện áp là không, thuận và nghịch.
[ ] [ ] [ ] (3.1)
[ ] [ ] [ ] ( 3.2)
Trong đó:
Iz, Ip và In: Dòng điện tƣơng ứng của pha a,b và c Vz, Vp và Vn : Điện áp tƣơng ứng của pha a, b và c Hệ số
Từ hình (3.2), khi ngắn mạch xuất hiện tại điểm i khi đó các đại lƣợng tính toán đƣợc trình bày theo các mục nhƣ sau:
a. Ngắn mạch 3 pha
Dòng điện thứ tự nghịch và không đều là không khi xuất hiện ngắn mạch 3 pha. Do đó, dòng sự cố ngắn mạch đƣợc xác định nhƣ trong phƣơng trình (3.3)
và In = Iz = 0 (3.3) Trong đó: Ip,
, In, và Iz : Dòng điện thứ tự nghịch, thuận và không,
: Điện áp trƣớc khi ngắn mạch tại điểm i,
: Yếu tố đƣờng chéo z của ma trận trở kháng thứ tự thuận b. Ngắn mạch một pha chạm đất (pha A chạm đất)
Phƣơng trình (3.4) và (3.5) cho thấy quá trình dòng điện ngắn mạch và điện ápngắn mạch pha A chạm đất tại điểm ngắn mạch i
Ia = Ic = 0 (3.4) Va = 0 (3.5)
30
Dựa trên sự biến đổi liên tục trong phƣơng trình (3.1) và phƣơng trình dòng điện (3.4) và điện áp (3.5), các dòng điện thứ tự và dòng sự cố có thể đƣợc thể hiện nhƣ sau. Iz = Ip = In = (3.6) Ia = (3.7) c. Ngắn mạchhai pha B và C
Phƣơng trình (3.8) và (3.9) cho thấy các dòng điện thứ tự và điện áp ngắn mạch khi dòng ngắn mạch giữa hai pha xảy ra
Ia = 0 và Ib = -Ic (3.8) Vb = Vc (3.9) Áp dụng việc chuyển đổi thứ tự (3.1)các dòng điện thứ tự và ngắn mạch đƣợc thể hiện trong các phƣơng trình (3.10) và (3.11)
Iz = 0 và Ip = In =
(3.10) Ib = - Ic = -j√
(3.11) d. Ngắn mạch hai pha chạm đất (pha B và C chạm đất)
Dòng điện và điện áp ngắn mạch khi xuất hiện một dòng ngắn mạch hai pha B và C chạm đất, đƣợc thể hiện trong phƣơng trình (3.12 ) và (3.13)
Ia = 0 (3.12) Vb = Vc (3.13) Dòng điện ngắn mạch và thứ tự đƣợc trình bày từ phƣơng trình (3.14 ) tới (3.18 ) bằng cách áp dụng việc chuyển đổi thứ tự
(3.14) (3.15) (3.16)
31 ( ) (3.17) ( ) (3.18)
3.3.1.2.Đối với điện áp ngắn mạch
Dựa trên các dòng điện thứ tự và ma trận Z, điện áp ngắn mạch có thể đƣợc hình thành với nhiều loại ngắn mạch khác nhau trong hệ thống điện. Pha điện áp ngắn mạch có thể tính đƣợc dựa trên điện áp thứ tự của pha đó.
[
] [ ] [
] (3.19)
Sự thay đổi điện áp khi có ngắn mạch xảy ra có thể đƣợc thể hiện nhƣ khi có ngắn mạch xảy ra đối xứng ở điểm i, điện áp ngắn mạch tại điểm m đƣợc thể hiện theo:
Vmi = Vpre f,m + ΔVmi (3.20) Trong đó :
Vmi : Điện áp ngắn mạch tại điểm m khi ngắn mạch xảy ra ở điểm i,
Vpre f,m : Điện áp ngắn mạch trƣớc điểm m,
ΔVmi : Sự thay đổi điện áp tại điểm m do ngắn mạch tại điểm i.
Đối với một ngắn mạch không đối xứng, các điện áp ngắn mạch có thể đƣợc tính toán dựa trên các thành phần thứ tự (ví dụ: thứ tự nghịch, thuận, không). Tƣơng tự, phƣơng trình (3.20), điện áp ngắn mạch cho mỗi thành phần trình tự có thể đƣợc xây dựng nhƣ sau.
Vz = 0 + ΔVz (3.21) Vp = + ΔVp (3.22) Vn = 0 + ΔVn (3.23) Trong đó :
Vz, Vp, và Vn: Thứ tự không, thuận, nghịch trong khi điện áp ngắn mạch
32
ΔVz
, ΔVp , và ΔVn : Thay đổi trong điện áp thứ tự.
Áp dụng các thành phần chuyển đổi đối xứng, pha trong quá trình điện áp ngắn mạch có thể đƣợc thể hiện nhƣ sau. (3.24) (3.25) (3.26) Trong đó : Va , Vb, và Vc:Điện áp pha, a: Bộ điều hành a.
Thay thế phƣơng trình (3.21), (3.22) và (3.23) thành phƣơng trình (3.24), (3.25), và (3.26) có thể thu đƣợc điện thế trong thời gian sự cố.
(3.27)
(3.28)
(3.29)
Trong mục này, điện áp ngắn mạch cho một sự cố đối xứng hoặc không đối xứng xảy ra tại điểm i (trong Hình 3.2) đƣợc tính nhƣ sau.
a. Ngắn mạch 3 pha (hoặc ngắn mạch cân bằng)
Khi xuất hiện ngắn mạch 3 pha tại nút i, dòng điện thêm vào nút ngắn mạch do một ngắn mạch ba pha có thể đƣợc tính nhƣ sau
(3.30) Trong đó : Vpref,i : Điện áp trƣớc khi ngắn mạch tại nút i,
Zii : Các yếu tố đƣờng chéo của ma trận nút Z.
Do đó, sự thay đổi trong điện áp do dòng điện ngắn mạch trong phƣơng trình (3.30) có thể đƣợc thể hiện nhƣ sau.
(3.31) Áp dụng phƣơng trình (3.31) tới (3.20), trong thời gian có sự cố điện áp khi có sự cố ba pha xảy ra tại nút i có thể đƣợc thể hiện trong phƣơng trình (3.32)
33
b. Dòng ngắn mạch một pha chạm đất (pha a)
Khi một ngắn mạch chạm đất xảy ra trong hệ thống điện, dòng điện thứ tự thuận và nghịch, và không là giống nhau. Chúng đƣợc thể hiện trong phƣơng trình (3.33) dƣới đây.
và (3.33) Thay đổi điện áp thứ tự tại nút m khi xuất hiện dòng ngắn mạch một pha chạm đất nhƣ nút i đƣợc thể hiện trong các phƣơng trình từ (3.34) tới (3.36).
(3.34) (3.35) (3.36) Do đó, điện áp trong thời gian ngắn mạch có thể đƣợc tính nhƣ sau.
(3.37) (3.38) (3.39) Từ điện áp thứ tự trong thời gian ngắn mạch, chúng ta có thể viết pha điện áp nhƣ các phƣơng trình từ (3.40) tới (3.42).
( ) (3.40) ( ) (3.41) ( ) (3.42) c. Ngắn mạch hai pha (pha b và c)
Dòng điện thứ tự thuận ta có phƣơng trình (3.43)
34
Khi xuất hiện ngắn mạch hai pha, sự thay đổi thứ tự không trong điện áp là 0. Thay đổi này đƣợc thể hiện nhƣ sau.
(3.44)
(3.45)
Từ các phƣơng trình (3.44) và (3.45), chúng ta có thể tạo thành công thức cho pha điện áp.
( ) (3.46) ( ) (3.47) ( ) (3.48) d. Ngắn mạch hai pha chạm đất (pha b và c)
Dòng điện thứ tự do ngắn mạch hai pha chạm đất tại nút i có thể tạo thành công thức. ( ) (3.49) (3.50) (3.51)
Các phƣơng trình từ (3.52) tới (3.54) thể hiện sự thay đổi thứ tự điện áp do sự cố nhƣ sau. (3.52) ( ) (3.53) (3.53) Từ phƣơng trình trên, thứ tự pha điện áp tại nút i có thể đƣợc trình bày trong phƣơng trình (3.55), (3.56) và (3.57).
35 [( ) ( ) ] (3.55) [( ) ( ) ] (3.56) [( ) ( ) ] (3.57) 3.3.2. Mô phỏng phân bố sự cố
Trong nghiên cứu dự báo ngẫu nhiên, mô phỏng phân bố sự cố trong hệ thống điện là để xác định tần suất sự cố ngắn mạch (hoặc số lần xảy ra sự cố ngắn mạch trong một năm) cho tất cả các sự cố khác nhau tại mọi vị trí trong toàn bộ lƣới điện cần xem xét. Nhận thấy rõ , điều này bao gồm các vấn đề lựa chọn điểm sự cố, loại sự cố và tính toán suất sự cố.
- Điểm sự cố nhìn chung đƣợc chọn sao cho các loại ngắn mạch tại một điểm sẽ dẫn đến các sụt giảm điện áp có cùng đặc tính. Đối với lƣới phân phối mà hình dạng đặc trƣng là các mạch hình tia gồm các đoạn dây ngắn nối giữa các trạm biến áp phân phối dọc theo trục chính, có thể chọn điểm sự cố cho một đoạn đƣờng dây ngắn nối giữa hai trạm biến áp phân phối.
- Các loại sự cố khác nhau sẽ đƣợc xét cho từng điểm sự cố và số pha của lƣới điện tại điểm đó. Suất sự cố của từng loại sự cố đƣợc lấy từ các dữ liệu đo lƣờng và giám sát thực tế.
- Suất sự cố chủ yếu phụ thuộc vào vị trí điểm sự cố, các loại sự cố và nguyên nhân sự cố. Một cách tổng quát, sự cố có thể xảy ra tại mọi nơi trên lƣới điện nên xuất sự cố tại từng điểm sự cố sẽ bằng cƣờng độ hỏng hóc của các phần tử của hệ thống điện. Nguyên nhân các sự cố trong lƣới phân phối đa dạng nhƣng nhìn chung có thể chia thành hai nhóm : Đó là hƣ hỏng của thiết bị và các nguyên nhân bên ngoài lƣới điện.
+ Các nguyên nhân bên ngoài : - Yếu tố thời tiết (sét, mƣa....) - Yếu tố con ngƣời.
36
+ Hƣ hỏng thiết bị : Thƣờng là do những khuyết tật bên trong sinh ra trong quá trình sản xuất, vận chuyển, lắp đặt. Nó phụ thuộc vào thời gian vận hành, chu kỳ lão hóa, chế độ bảo dƣỡng. Về mật độ tin cậy, hƣ hỏng thiết bị đƣợc đặc trƣng cƣờng độ hỏng hóc của phần tử λ, Tham khảo hình 1.1.
Giả thiết trong lƣới ta xét, nếu sử dụng cùng một loại thiết bị (cùng một loại máy biến áp phân phối) thì hƣ hỏng thiết bị sẽ tuân theo phân bố đều.
Trong phạm vi luận văn chỉ xét sụt giảm điện áp do sự cố ngắn mạch tại máy biến áp phân phối gây ra nên khi xét tất cả các loại ngắn mạch tại máy biến áp phân phối sẽ đƣợc phân bố đều trên ba pha.
Theo, xác suất các dạng ngắn mạch xảy ra trong lƣới điện phổ biến nhƣ sau : - Ngắn mạch một pha chạm đất chiếm 65%.
- Ngắn mạch hai pha chạm nhau chiếm 10%. - Ngắn mạch hai pha chạm đất chiếm 20%. - Ngắn mạch ba pha chiếm 5%.
Do đó ta có bảng tỷ lệ phân bố sự cố của mỗi loại ngắn mạch nhƣ sau :
Bảng 3.1. Tỷ lệ phân bố sự cố của mối loại ngắn mạch.
Loại ngắn mạch Tỉ lệ
Ngắn mạch 1 pha chạm đất
A - N 21,6666 % B - N 21,6666 % C - N 21,6666 %
Ngắn mạch hai pha chạm nhau
A - B 3,3333 % B - C 3,3333 % C - A 3,3333 % Ngắn mạch hai pha chạm đất AB - N 6,6666 % BC - N 6,6666 % CA - N 6,6666 % Ngắn mạch 3 pha ABC 5%
37
3.3.3. Một số giả thiết trong chường trình tính toán sụt giảm điện áp trong phạm vi luận văn. phạm vi luận văn.
Để giới thiệu phƣơng pháp dự báo ngẫu nhiên về sụt giảm điện áp trên lƣới phân phối, ta xem xét một lƣới phân phối đƣợc cấp điện từ một điểm đấu chung (PCC). Sụt giảm điện áp chỉ bị gây ra bởi các sự cố trong hệ thống.
Chỉ xem xét điểm sự cố trong hệ thống mà ta quan tâm. Nhƣng sự cố ở các phần khác mà đƣợc cấp điện từ trạm biến áp trung gian khác trong lƣới phân phối có thể đƣợc bỏ qua vì tổng trở ngắn mạch giữa điểm sự cố gần nhất và điểm pcc là tổng trở của máy biến áp trong trạm biến áp trung gian thực tế là khá cao. Tƣơng tự các sự cố ở phía mạng hạ áp cũng đƣợc bỏ qua bởi vì tổng trở ngắn mạch của máy biến áp phân khối là khá lớn.
Trong phạm vi luận văn không xét đến sụt giảm điện áp do các nguyên nhân trên lƣới truyền tải gây ra.
Luận văn chỉ xét đến phần sự cố ngắn mạch của các máy biến áp mà chƣa xét đến sự cố ở phía đƣờng dây. Do lƣới điện ta xét, giả thiết không có thiết bị tự động đóng lại nên khi sự cố đƣờng dây thì máy cắt đầu nguồn sẽ tác động và dẫn đến mất điện trên lƣới.
38
Sơ đồ khối của chƣơng trình tính toán đƣợc trình bày trong hình 3.2
Hình 3.3 : Sơ đồ khối chương trình tính toán sụt giảm điện áp. Khối 1 : Xác định nhánh sự cố.
Do mạng điện của lƣới phân phối có dạng hình tia do đó sự cố ngắn mạch xuất hiện tại một điểm sẽ tạo ra một dòng ngắn mạch xuất hiện tại một điểm sẽ tạo ra một dòng ngắn mạch chạy từ nguồn tới điểm sự cố trên một
Start
Stop
Xác định nhánh sự cố
Tính toán trên nhánh sự cố
Tính toán trên nhánh không có sự cố
Xác định sụt giảm điện áp Tính SARFIx
39
nhánh đƣờng dây, và nhánh này đƣợc gọi là nhánh sự cố. Dòng điện trên các nhánh của lƣới điện ta xét đƣợc giả thiết bằng 0.
Khối 2 : Tính toán trên nhánh sự cố.
Bao gồm tính toán dòng sự cố và điện áp pha tại nút sự cố, áp dụng công thức (3.30) đến (3.57). Sau đó sẽ xác định điện áp pha cho tất cả các nút trên nhánh sự cố.
Khối 3 : Tính toán trên nhánh không có sự cố.
Tính toán điện áp cho tất cả các nút không nằm trên nhánh sự cố.
Khối 4 : Xác định sụt giảm điện áp - Tính toán chỉ số SARFIx
Sụt giảm điện áp tại tất cả các nút sẽ đƣợc so sánh với các đặc tính biên độ khác nhau. Ứng dụng tần suất sự cố cho một điểm sự cố, tần suất sụt giảm điện áp nhận đƣợc cho các nút sẽ đƣợc tính và sau đó tính chỉ số SARFIx .
3.4. Kết luận
Để đánh giá mức độ ảnh hƣởng của sụt giảm điện áp trên lƣới điện cụ thể đã có rất nhiều phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc đƣa ra. Phƣơng pháp dự báo ngẫu nhiên là một trong những phƣơng pháp đƣợc dùng khá phổ biến trong các tài liệu nghiên cứu về sụt giảm điện áp. Luận văn cũng áp dụng phƣơng pháp dự báo ngẫu nhiên để xác định mức độ ảnh hƣởng của sụt giảm điện áp trên lƣới điện cụ thể. Chƣơng trình tính toán các giả thiết đƣợc trình bày trong mục 3.3.
Trong các tài liệu nghiên cứu về sụt giảm điện áp ngày càng đƣa ra nhiều chỉ số để đánh giá ảnh hƣởng của sụt giảm điện áp trong lƣới điện. Tuy nhiên trong phạm vi luận văn sẽ chỉ trình bày chỉ số khá phổ biến đó là SARFIx.