Các biện pháp xác định tổn thất điện năng trên lưới điện

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ DSM (DEMAND SIDE MANAGEMENT) - TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

1.2. Tổng quan về tổn thất điện năng

1.2.3. Các biện pháp xác định tổn thất điện năng trên lưới điện

Theo nhiều tài liệu, tổn thất điện năng trong lưới phân phối nhỏ hơn 10% được coi là chấp nhận đƣợc. Nếu tổn thất điện năng trên 15% tức là có tổn thất điện năng kinh doanh, khi đó cần tính toán tổn thất điện năng kỹ thuật để đánh giá mức độ tổn thất kinh doanh.

Các thành phần tổn thất điện năng phụ thuộc vào điện áp, chủ yếu là tổn thất không tải của máy biến áp và tổn thất vầng quang điện, có thể coi là không đổi, thường được xác định từ các dữ liệu thống kê.

Thành phần tổn thất phụ thuộc vào dòng điện (phát nóng) đƣợc xác định dựa trên cơ sở tính toán chế độ của hệ thống điện. Trong đó các tính toán đƣợc thực hiện để xác định tổn thất công suất trên các đường dây và máy biến áp tại các thời điểm cụ thể, khi đó tổn thất điện năng có thể tính đƣợc bằng cách chia đồ thị phụ tải/công

suất nguồn trong các ngày điển hình thành các khoảng thời gian với giá trị không đổi. Để tính chính xác nhƣ vậy yêu cầu có đồ thị phụ tải và đồ thị công suất nguồn thống kê đồng bộ trong các ngày vận hành, vì thế hầu nhƣ không thể thực hiện được, nhất là đối với lưới điện phân phối trung áp. Có nhiều phương pháp cận gần đúng nhằm mục đích tính tổn thất điện năng theo một số loại thông số cụ thể thống kê hoặc chuẩn hóa đƣợc.

Đối với lưới phân phối điện, tổn thất điện năng chủ yếu xảy ra trên đường dây và trong máy biến áp phân phối và các thành phần tổn thất chỉ có phát nóng do điện trở dây dẫn, tổn thất trong cuộn dây máy biến áp và tổn thất không tải máy biến áp.

Các phương pháp xác định TTĐN được tóm tắt như sau:

1.2.3.1. Xác định ĐN thực hiện qua hệ thống công tơ đo đếm.

Các đơn vị thu thập số liệu điện năng nhận vào lưới điện và điện năng giao đi từ lưới điện trong cùng khoảng thời gian. Tính toán TTĐN thực hiện:

∆A = AN-AG Trong đó:

- ∆A là tổn thất điện năng trên lưới điện đang xét (kWh) - AN là tổng điện năng nhận vào lưới điện (kWh)

- AG là tổng điện năng giao đi từ lưới điện (kWh)

Đây là phương pháp xác định tổn thất điện năng thông dụng nhất. Phương pháp này tuy có đơn giản nhưng thường mắc phải sai số lớn do một số nguyên nhân sau:

- Không thể lấy đƣợc đồng thời các chỉ số của các công tơ tại đầu nguồn và ở các điểm tiêu thụ cùng một thời điểm.

- Nhiều điểm tải thiết bị đo không phù không phù hợp với phụ tải hoặc sự cố thiết bị đo.

- Số chủng loại đồng hồ đo rất đa dạng với nhiều mức sai số khác nhau, việc chỉnh định đồng hồ đo chƣa chính xác hoặc không chính xác do chất lƣợng điện không đảm bảo.

Để nâng cao độ chính xác của phép đo người ta sử dụng đồng hồ đo đếm tổn thất, đồng hồ này chỉ đƣợc sử dụng ở một số mạng điện quan trọng.

1.2.3.2. Xác định ĐN bằng đông hồ đo đếm tổn thất.

Trong mạng điện cung cấp người ta có thể xác định tổn thất điện năng trực tiếp bằng đồng hồ đo đếm tổn thất mắc ngay tại điểm nút cung cấp cần kiểm tra.

1. Cách mắc đồng hồ đo đếm tổn thất - Đối với đường dây truyền tải:

Nếu các đường dây 110/220kV có chiều dài lớn hơn 60km thì phải đặt 2 đồng hồ ở đầu và ở cuối đường dây, mục đích là để xét cả phần tổn thất do dòng điện dung gây nên.

Nếu đường dây có chiều dài nhỏ hơn 60km ta chỉ cần sử dụng một đồng hồ đặt ở đầu đường dây.

- Đối với đường dây phân phối chỉ cần mắc một đồng hồ ở dầu đường dây là đủ.

- Đối với MBA đồng hồ đo đếm tổn thất đƣợc đặt trên mỗi đầu cuộn dây của MBA ba cuộn dây và trên một trong hai cuộn dây của MBA 2 cuộn dây.

2. Cách xác định tổn thất điện năng theo đồng hồ đo đếm tổn thất Công thức để xác định tổn thất điện năng trong mạng:

∆A = 3.ki2.R.N.10-3 (kWh) Trong đó:

ki- Tỷ số máy biến dòng

R- Điện trở tương đương của mạng điện

N - chỉ số của đồng hồ đo đếm tổn thất điện năng đƣợc ghi trong thời gian T.

Phương pháp này sử dụng đơn giản, dễ thực hiện, tuy nhiên có một số nhược điểm sau:

- Phương pháp này chỉ xác định được tổng TTĐN của mạng, không chỉ ra được các thời điểm cực đại và cực tiểu của phụ tải để từ đó có biện pháp san bằng đồ thị phụ tải.

- Chỉ xác định đƣợc lƣợng điện năng tổn thất tại thời điểm đo đếm.

- Nếu cần xác định đồng thời TTĐN tại nhiều vị trí, khi đó ta phải sử dụng nhiều công tơ gây tốn kém vì vậy cách này thường áp dụng trong những trường hợp đặc biệt khi cần kiểm tra và số lƣợng công tơ sử dụng nhỏ.

1.2.3.3. Xác định ĐN theo phương pháp điện trở đẳng trị.

Tổn thất điện năng trong mạng điện có thể xác định theo biểu thức

2 2

f tb dt

ΔA=3.k .I .R .t

Trong đó: kf - là hệ số hình dạng, xác định theo chỉ số của công tơ ghi m lần trong số thời gian khảo sát t:

2 ri f

r

k = m.A

A Ari- Điện năng tác dụng trong lần đo thứ i Ar- Điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian t m- Số lần đo trong khoảng thời gian t

Itb- Dòng điện trung bình I =tb Ar 3.U.t.cosf Rđt- Điện trở đẳng trị của mạng điện

Đối với đường dây phân nhánh hình tia đơn giản ta có



 



 



 

 



 

 

 n

2 1 n 1 1 6 .L 1 r Rdt 0

Đối với đường dây phân nhánh phức tạp hơn giống như hình dưới đây:











 

  

2 mti c

2 mti i c

dt R k

.k 1 r

R R

Trong đó: r0 - điện trở của một km đường dây Rc- điện trở đoạn dây cung cấp ri - điện trở nhánh dây thứ i

kmti - hệ số mang tải của nhánh dây thứ i

max i

mti P

k  P

Pi - phụ tải của nhánh dây thứ i Pmax- phụ tải nhánh dây nặng nhất

n - là số nhánh dây

Xác TTĐN theo phương pháp này đơn giản, dễ tính toán. Tuy nhiên, đối với mạng phức tạp việc xác định điện trở đẳng trị của lưới điện lại trở nên phức tạp và gặp khó khăn trong tính toán bởi vì khi đó điện trở đẳng trị phụ thuộc vào dòng điện hoặc công suất phụ tải của các nhánh dây.

1.2.3.4. Xác định ĐN theo cường độ dòng điện thực tế.

Tổn thất công suất tác dụng gây ra tổn thất điện năng (TTĐN) trên điện trở R của mạng điện, trong khoảng thời gian T đó là tích phân của tổn thất công suất theo thời gian vận hành (hay tổn thất tỷ lệ với bình phương dòng điện chạy trong mạng):

3 0

2 0

10 . 3

)

(  

 





T t T

dt I R dt t P A

Trong đó: ∆A - Tổn thất điện năng trong mạng điện 3 pha (kWh)

∆P(t)- Tổn thất công suất mạng tại thời điểm t (kW).

It- Dòng điện chạy trong mạng tại thời điểm t (A) R - Điện trở của mạng (Ω)

T - Thời gian khảo sát (h)

Nếu ta xây dựng được đường cong bình phương cường độ dòng điện thực tế thì phương pháp này cho kết quả chính xác. Tuy nhiên trong thực tế cường độ dòng điện luôn biến đổi, nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Vì vậy xác định tổn thất điện năng theo công thức trên là rất phức tạp.

1.2.3.5. Xác định ĐN theo đồ thị phụ tải.

Để khắc phục sự phức tạp của việc xác định cường độ dòng điện thực tế, ta có thể xác định tổn thất điện năng theo đồ thị phụ tải bằng cách biểu diễn sự biến thiên của bình phương cường độ dòng điện hoặc công suất theo thời gian I2 = f(t) hoặc S2 = f(t). Khi đó tổn thất điện năng ∆A đƣợc xác định theo công thức:

     

  



 





   t 

0

t

0 2 2 2

t 2

0 2 t t

0 2

t dt

t U

t dt Q

t U

t R P

dt S R dt I ΔA 3R

1. ính theo đồ thị phụ tải ngày đêm.

Nếu biết các đồ thị phụ tải (ĐTPT) ngày đêm của tất cả các ngày trong năm, để xác định đƣợc tổn thất điện năng thực tế với giả thiết trong khoảng thời gian ∆t ta coi giá trị dòng điện hay công suất là không đổi và coi điện áp bằng điện áp định mức đồng thời bằng cách bậc thang hoá đường cong ta xác định được lượng điện năng tổn thất nhƣ sau:







   









   







n

i

i i n

i

i i dm n

i

i i t

t Q t

U P t R U S

A R

1 2 1

2 2

1 2 2

Trong đó ĐTPT được cho dưới dạng bậc thang, Pi và Qi là công suất trong khoảng thời gian ti.

Nếu ti = 1 giờ thì







 24

1

2 2

2 ( )

i

i i dm

Q U P

A R

Từ đó tính đƣợc đồ thị phụ tải năm









 k

j

j j

nam k A

A

1

Trong đó kj là số ngày ứng với ĐTPT loại j và tổn thất điện năng tương ứng

Aj.

Đương nhiên 365

1

 

 k

j

kj .

2. ính theo đồ thị phụ tải kéo dài.

Trong quy hoạch và thiết kế lưới điện, từ ĐTPT theo thời gian, ta có thể xây dựng ĐTPT kéo dài theo nguyên tắc sau

P(kW) P(kW)

t(g) t(g)

a) ĐTPT theo trình tự thời gian b) ĐTPT kéo dài Hình 1.2. Biến đổi ĐTPT

ĐTPT kéo dài có hình bậc thang với n bậc, mỗi bậc dài ti và có công suất không đổi (Hình 1.2) thì :

Tổn thất điện năng năm thường tính theo ĐTPT kéo dài năm ti = 1h:



 













 





   





 2

8760

1 2 2

8760

1 2 8760

1 2

2 cos

1

t t t dm

t t

t dm

U P Q R

U P A R

Trong đó Qt Pttan

* Phương pháp xác định này tuy đơn giản nhưng đòi hỏi phải có đồ thị phụ tải năm (tức là phải khảo sát lưới điện trong thời gian một năm) mà không phải bao giờ cũng có thể xây dựng đƣợc ở tất cả các điểm nút cần thiết và ta phải giả thiết trong khoảng thời gian Δt ta coi giá trị của dòng điện hay công suất là không đổi, nếu Δt lớn dẫn đến sai số lớn.

1.2.3.6. Xác định ĐN theo thời gian tổn thất công suất lớn nhất.

Nếu đồ thị phụ tải là trơn ta có:

 P Q

t dm t t

t dm

Q U P

dt R Q U P

A R 8760 2 max2  max2 

1 2 8760

1 2

2   



 



 



  





Trong đó P là thời gian tổn thất công suất lớn nhất do công suất tác dụng (CSTD) gây ra, Q là thời gian tổn thất lớn nhất do công suất phản kháng (CSPK) gây ra, chúng phụ thuộc vào đồ thị CSTD và CSPK của phụ tải.

Hình 1.3. ĐTPT kéo dài

∆t1 ∆t2 ∆tn

S

t



































2 max 8760

0 2

2 max 8760

1 2

2 max 8760

0 2

2 max 8760

1 2

Q dt Q Q

dt Q

P dt P P

dt P

t t

i Q

t t

i P





Trong thực tế tính toán, thường giả thiết rằng đồ thị CSPK và CSTD gần giống nhau, cũng có nghĩa là cos của phụ tải không đổi trong năm. Với giả thiết này

Q=P =  và có thể viết :

       



 2 max2 max2 max22 R Pmax U

Q S U P

A R

dm dm

2 max 8760

0 2

2 max 8760

1 2

I dt I S

dt

S t

t

i 

 

 



 gọi là thời gian tổn thất công suất lớn nhất

Ý nghĩa của  rất rõ ràng, nếu dòng điện It=Imax không đổi thì trong thời gian  (giờ) nó gây ra tổn thất đúng bằng tổn thất điện năng do dòng điện thật gây ra trong cả năm.

Giá trị  đƣợc tính toán cho các loại đồ thị phụ tải có quy luật biến đổi ổn định, sau đó đƣa vào các cẩm nang để sử dụng trong quy hoạch và thiết kế điện.

Trong các bài toán chung thì dùng , riêng trong các bài toán bù phải dùng Q phụ thuộc Q bù. Nếu dùng  = hằng số thì kết quả sẽ sai.

Nhƣ vậy thực chất có thể coi  là hàm số phụ thuộc Tmax và hệ số công suất cosφ:

 = f(Tmax, cosφ)

Phương pháp tính theo thời gian tổn thất công suất lớn nhất áp dụng cho các đường dây cấp điện cho phụ tải (lưới điện hình tia): Trong trường hợp này phụ tải trên đường dây có đồ thị trùng với ĐTPT của phụ tải, do đó  được đánh giá thống kê nhƣ một hàm số của thời gian sử dụng công suất lớn nhất Tmax của phụ tải.

Khi coi cosφ của phụ tải không đổi (ổn định), giá trị  có thể đƣợc tính toán thống kê theo Tmax của đồ thị phụ tải, cho dưới dạng bảng, đường cong hoặc theo công thức kinh nghiệm và dùng cho các đường dây cấp điện cho phụ tải.

Ngoài ra có thể xác định  theo công thức kinh nghiệm hoặc đồ thị lập từ số liệu thống kê về qui luật hoạt động của phụ tải, các công thức thông dụng thường được áp dụng là:

8760 . ) 10 . 124 , 0

(  max 4 2

 T

 (giờ)

7 8760 , 0 .

3 , 0

2 max max

T   T

  (giờ)

trong đó Tmax là thời gian sử dụng công suất lớn nhất.

Theo một gí trị cosφ cụ thể,  còn có thể tra theo đồ thị  = f(Tmax) nhƣ sau

Hình 1.4. Đồ thị  = f(Tmax)

 cũng có thể cho dưới dạng bảng như dưới đây:

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

4000 2500 5500 4000 7000 5900

4500 3000 6000 4600 7500 6600

5000 3500 6500 5200 8000 7400

(h)

Tmax(h)

Các công thức trên đây đƣợc sử dụng tốt trong quy hoạch, trong đó Tmax đƣợc chọn theo loại phụ tải. Trong vận hành phải xác định chính xác ĐTPT của lưới điện đang vận hành, nếu vẫn dùng Tmax nhƣ trên thì sai số khá lớn vì Tmax biến thiên trong miền rất rộng, nếu tiến hành đo trên lưới thì rất khó khăn và tốn kém vì đo đạc trên tất cả các đoạn đường dây và trong suốt cả năm.

1.2.3.7. Xác định ĐN theo dòng điện trung bình bình phương.

Công thức tính tổn thất điện năng đƣợc biến đổi nhƣ sau:

8760 . . 8760 3

8760 3

3 2

8760

1 2 8760

1

2 I R

dt I R

dt I R

A t tb

t

t

t    





 

 



(*) Trong đó:



 8760

0 2

8760I dt

Itb t

là dòng điện trung bình bình phương trong năm.

R- là điện trở của lưới điện ()

Nếu nhân và chia vào công thức tính (*) Imax2

thì 8760 8760

8760 . .

3 2 max max

max 2

2     

 







 P k P

I R I

I

A tb tb

Trong đó 2

max 2

I

k  Itb là hệ số tổn thất. Một số tài liệu cũng có định nghĩa hệ số tổn

thất (loss factor)  



  k

P LsF Ptb

max

Theo một số tài liệu phân tích tổn thất trong lưới phân phối, LsF có thể tính theo công thức kinh nghiệm:

LsF = 0,15.LdF + 0,85.LdF2 Trong đó LdF là hệ số tải:

Pmax

LdF  Ptb : LdF thường có giá trị 0,40,6.

Ptb và Pmax: công suất trung bình và công suất max của ĐTPT dùng để tính tổn thất.

* Phương pháp cho kết quả chính xác nếu biết đồ thị phụ tải tại tất cả các điểm tải. Nhưng phương pháp này có nhược điểm là điện trở đẳng trị của mạng điện thay đổi theo dòng điện nên tính toán theo dòng cực đại sẽ gây sai số lớn.