3.2.1 Giới thiệu chung
PSS/E là một trong những phần mềm tính toán HTĐ cơ bản và quan trọng nhất đƣợc dùng ở các trung tâm điều độ HTĐ quốc gia, các viện nghiên cứu, cũng nhƣ các đơn vị tƣ vấn thiết kế[42] . PSS/E đƣợc dùng để tính toán các bài toán cơ bản nhất của một HTĐ thực tế nhƣ là bài toán trào lƣu công suất, ngắn mạch tối ƣu, quá trình quá độ điện cơ, sụp đổ điện áp... Với khả năng tính toán chính xác đối với một HTĐ có nhiều loại máy phát điện khác nhau, nhiều loại mô hình thiết bị khác nhau... Cụ thể nhƣ sau:
Các tính toán phân tích hệ thống mà chƣơng trình có khả năng thực hiện bao gồm:
Tính toán trào lƣu công suất.
Tối ƣu hóa trào lƣu công suất.
Nghiên cứu các loại sự cố đối xứng và không đối xứng.
Tƣơng đƣơng hóa hệ thống.
Mô phỏng quá trình quá độ điện cơ.
Modul tính toán trào lƣu công suất.
Phân tích ổn định điện áp và tính toán công suất phản kháng dự trữ thông qua đƣờng cong PV/QV.
Modul phân tích hệ thống tuyến tính hóa hệ thống điện.
Chƣơng trình đƣợc tổ chức theo sơ đồ khối chính nhƣ hình vẽ III-III.
Cụ thể có thể tìm thấy các thông tin hƣớng dẫn trong tài liệu hƣớng dẫn của PSS/E với các nội dung sau đây :
1. Hướng dẫn cài đặt và các tiện ích của chương trình PSS/E
a. Trình tự cài đặt chƣơng trình cho máy tính cá nhân (PC). b. Hƣớng dẫn vẽ hình và in ấn.
2. Hướng dẫn sử dụng chương trình PSS/E (gồm 2 tập)
a. Giới thiệu tổng quan và hƣớng dẫn sử dụng các lệnh trong chƣơng trình. b. Đƣa ra các thảo luận về cấu trúc của phần mềm và mô tả trình tự hoạt
động từng modul tính toán.
3. Hướng dẫn về các ứng dụng cho chương trình PSS/E (gồm 2 tập)
thích ý nghĩa của các kết quả thu đƣợc.
4. Hướng dẫn sử dụng chương trình vẽ đồ thị của PSS/E (PSSPLT)
a. Hƣớng dẫn cách vẽ các đồ thị kết quả đầu ra khi tính toán quá trình quá độ điện cơ.
b. Tài liệu chỉ đƣợc sử dụng khi tính toán quá trình quá độ.
5. Hướng dẫn sử dụng IPLAN
a. Hƣớng dẫn cách lập trình bằng ngôn ngữ lập trình IPLAN và cách biên dịch chƣơng trình.
6. Hướng dẫn tính toán tối ưu hóa trào lưu công suất
a. Giới thiệu tổng quan về thuật toán.
b. Hƣớng dẫn các sử dung các lệnh trong tính toán tối ƣu hóa trao lƣu công suất.
7. Các ứng dụng khác
a. Bao gồm một hệ thống các ứng dụng khác, nhƣ tính toán đặc tính của động cơ điện, đặc tính V-P của máy phát điện, các chức năng biến đổi định dạng file.
Hình vẽ III-6: Sơ đồ khối của PSS/E
3.2.3 Các thủ tục cơ bản khi tính toán trào lƣu công suất 1. Kiểm tra dữ liệu: 1. Kiểm tra dữ liệu:
Trong bƣớc này, ta dùng lệnh TREE để kiểm tra các thông tin về nút cân bằng, và các nút rời rạc chƣa đƣợc kết nối vào hệ thống điện.
danh mục: nút, tải, máy phát, nhánh, máy biến áp ….
2. Chỉnh sửa các số liệu:
Sau khi kiểm tra số liệu của HTĐ đƣa vào, thì tùy theo sự sai sót ta có thể chỉnh sửa lại các thông số của hệ thống điện. Vì sai sót có thể do quá trình tính toán các thông số, hoặc do quá trình nhập dữ liệu, có sự nhầm lẫn hoặc các thông số nghi ngờ.
3. Quá trình tính toán với GAUSS-SEIDEL:
Một trong những đặc điểm nổi bật nhất của phƣơng pháp GAUSS là khả năng hội tụ rất cao, do đó đƣợc dùng để tính toán trào lƣu công suất trong những trƣờng hợp mà khả năng hội tụ là chƣa biết trƣớc. Đồng thời cũng là những bƣớc thử đầu tiên cho các phƣơng pháp khác. Chúng ta có nhiều lựa chọn cho phƣơng pháp này, tùy theo các lựa chọn nhƣ trong hộp thoại.
4. Quá trình tính toán với NEWTON-RAPHSON:
Một trong những đặc điểm nổi bật nhất của phƣơng pháp Newton-Raphson là tốc độ hội tụ rất cao nếu có những điểm ban đầu đƣợc lựa chọn tốt. Do đó đƣợc dùng để tính toán trào lƣu công suất trong những trƣờng hợp đòi hỏi sự tính nhanh và có khả
Sau khi tính toán xong trào lƣu công suất, ta có thể xem hoặc in ấn các kết quả nhƣ côn suất trên đƣờng dây, điện áp và góc pha tại một nút….bằng một trong số các lệnh sau: POUT, LOUT…
Ngƣời dùng cũng có thể kiểm tra các vi phạm nhƣ điện áp, giới hạn công suất của các máy phát điện …
3.2.4 Tính toán tối ƣu trào lƣu công suất
PSS/OPF là một phần của chƣơng trình PSS/E nhằm mục đích tối ƣu hoá hệ thống truyền tải. PSS/OPF hoàn toàn tƣơng thích với phần tính chế độ xác lập.Trong quá trình tính toán chế độ xác lập thông thƣờng ngƣời tính toán phải tính toán một loạt các trƣờng hợp một cách có hệ thống để có thể đƣa ra một lời giải có thể chấp nhận đƣợc. Chƣơng trình PSS/OPF, ngƣợc lại, sẽ trực tiếp thay đổi các thông số điều khiển để xác định giải pháp tốt nhất. Từ một điểm xuất phát nào đó ngƣời tính toán có thể có đƣợc một lời giải tối ƣu đảm bảo các ràng buộc của hệ thống với chi phí nhiên liệu nhỏ nhất.
Chƣơng trình PSS/OPF đƣợc thiết kế để có thể tính toán một số bài toán thƣờng gặp nhƣ sau:
Nghiên cứu phân bố công suất phản kháng
Nghiên cứu hiện tƣợng sụp đổ điện áp.
Nghiên cứu giới hạn truyền tải
Tính toán chi phí cận biên
Trong quá trình tính toán PSS/OPF sẽ đảm bảo những mục tiêu nhƣ sau:
Cực tiểu hóa chi phí nhiên liệu cho các tổ máy (than, dầu, khí)
Cực tiểu hoá phát công suất tác dụng và phản kháng
Cực tiểu hoá lƣợng bù ở các nút có thể thay đổi đƣợc.
Giảm lƣợng trào lƣu công suất trao đổi và tuân thủ những ràng buộc sau đây:
Ràng buộc điện áp nút trong một khoảng cố định
Ràng buộc trào lƣu công suất nhánh.
Ràng buộc trào lƣu công suất trao đổi.
Ràng buộc công suất phát.
Ràng buộc dự trữ công suất.
Ràng buộc của các tụ bù tại các nút điều chỉnh đƣợc
Ràng buộc điện kháng các nhánh có điện kháng điều chỉnh đƣợc
Tối ƣu hoá trào lƣu công suất khác biệt với bài toán tính toán phân bổ trào lƣu công suất thông thƣờng là nó giải bài toán tối ƣu với một hàm mục tiêu và các ràng buộc dạng đẳng thức và bất đẳng thức. Các thuật giải cho bài toán tối ƣu phi tuyến có thể ở dạng nhƣ sau:
Hàm mục tiêu: Tìm cực tiểu của hàm f(x,y) -> Min 1. Với các ràng buộc:
a. Ràng buộc dạng đẳng thức. b. Ràng buộc bất đẳng thức. Trong đó:
Hàm mục tiêu có thể chứa một hoặc một số hàm nhƣ chi phí nhiên liệu, tổn thất truyền tải v.v...
công suất, đảm bảo công suất nguồn bơm vào một nút phải bằng tổng trào lƣu công suất từ nút đó đi các nhánh.
Ràng buộc bất đẳng thức bao gồm nhiều biến khác nhau nhƣ biên độ, góc pha điện áp nút, công suất phát của máy phát chỉ có thể thay đổi trong dải giá trị cực tiểu đến cực đại.
Lời giải của bài toán tối ƣu hoá trào lƣu công suất là tìm lời giải thoả mãn tất cả các ràng buộc hệ thống đồng thời lại đạt đƣợc hàm mục tiêu toàn cục.
3.2.4.1 Hàm mục tiêu
Hàm mục tiêu đƣợc biểu diễn bằng chi phí là hàm của các biến hệ thống điện. Chẳng hạn, chi phí nhiên liệu dùng để phát điện là hàm của công suất phát của các máy phát đang vận hành. OPF sẽ tự động điều chỉnh công suất phát của các tổ máy trong phạm vi cho phép nhằm tối thiểu hoá chi phí nhiên liệu. Hàm mục tiêu có chứa cả thành phần hiện và thành phần ẩn. Các thành phần hiện trong hàm mục tiêu đƣợc nhận biết bởi dữ liệu mô phỏng phụ trợ và đƣợc biểu diễn một cách tổng quát là hàm của các biến tối ƣu. Các hàm ẩn của hàm mục tiêu đƣợc biểu diễn một cách gần đúng cho các thao tác điều khiển liên tục hoặc rời rạc. Các hàm mục tiêu ẩn này đƣợc đánh hệ số phạt trọng số bậc hai cho các sai lệch của các biến r(xi - xi0)2. Các đại lƣợng vô hƣớng "trọng số" hoặc "chi phí", r, có thể gán đƣợc.
3.2.4.2 Các ràng buộc và các điều khiển
Rõ ràng là khi giảm công suất của các máy phát đến không sẽ tối thiểu hoá chi phí, nhƣng nó không cung cấp điện cho khách hàng. Do đó cần phải tăng cƣờng hàm mục tiêu với các ràng buộc đẳng thức, bao gồm cả các ràng buộc đẳng thức và bất đằng thức. Các ràng buộc bất đẳng thức sẽ xác định cận trên và cận dƣới của các biến. Chẳng hạn cho bài toán vận hành kinh tế nhiên liệu, các ràng buộc đẳng thức này sẽ đảm bảo rằng công suất phát của các tổ máy sẽ đáp ứng đủ cho phụ tải và tổn thất trong hệ thống. Các phƣơng trình phức hợp của bài toán tính toán trào lƣu công suất thông
cực máy phát, nấc biến áp, góc di pha của máy biến áp v.v... có thể đƣợc gán một giá trị cố định hoặc các giới hạn trên và dƣới. Các biến phụ thuộc rõ ràng, nhƣ biên độ điện áp nút phụ tải và trào lƣu công suất nhánh, đƣợc gán cận trên và cận dƣới. Tuy nhiên cũng có thể xảy ra trƣờng hợp tất cả các ràng buộc không thể thoả mãn đồng thời. Trƣờng hợp này sẽ dẫn đến không thể tìm đƣợc phƣơng án. Không giống nhƣ bài toán phân bổ trào lƣu công suất thông thƣờng, không có hàm mục tiêu cục bộ độc lập tƣơng ứng với mỗi điều khiển. Quá trình giải xem điều chỉnh từng biến điều khiển để tìm kiến trạng thái sao cho thoả mãn tất cả các ràng buộc, thêm vào đó lại tối thiểu hoá hàm mục tiêu. Các ràng buộc đƣợc đƣa vào và hàm mục tiêu đƣợc viết theo các biến. Trong mô hình tính toán có hai loại biến: các biến điều khiển (đƣợc gọi là các biến độc lập hay các biến quyết định) và các biến phụ thuộc (đƣợc xem nhƣ các biến trạng thái). Chúng đƣợc nhận biết thông qua cả mô hình tính toán trào lƣu công suất thông thƣờng và các dữ liệu phụ trợ cho mô hình tối ƣu hoá trào lƣu công suất.
3.2.4.3 Độ nhạy
Mỗi một biến, cả biến độc lập và phụ thuộc, có một độ nhạy tƣơng ứng với nó. Các giá trị độ nhạy lƣợng hoá sự thay đổi mong muốn ở hàm mục tiêu tƣơng ứng với sự thay đổi của biến. Độ nhạy âm chỉ ra rằng một sự tăng giá trị biến sẽ làm giảm giá trị hàm mục tiêu. Giá trị tối ƣu cho bất cứ biến nào là mà kết quả là độ nhạy bằng không. Đối với một vài biến, giá trị tối ƣu nằm ngoài các giới hạn của biến. Trong trƣờng hợp này, OPF sẽ đƣa giá trị về giới hạn và đƣa ra giá trị độ nhạy. Kích cỡ liên quan của biên độ độ nhạy hƣớng sự chú ý đến các ràng buộc hoặc các điều khiển cố định có ảnh hƣởng nhiều nhất đến hàm mục tiêu.
3.2.4.4 Các mô hình trong tính toán trào lưu công suất thông thường
1. Dữ liệu nút
Chỉ có nút đang làm việc trong file tính toán trào lƣu công suất đƣợc nhận biết trong OPF. Các điện dẫn điện kháng của nút đang làm việc cũng đƣợc OPF xác định.
pha của nút cân bằng (loại 3) đƣợc cố định ở giá trị ban đầu trong khi góc pha của tất cả các nút khác đƣợc phép thay đổi không có giới hạn. Biên độ điện áp và công suất phản kháng phát ra của nút cân bằng có thể thay đổi trong khoảng giới hạn trên và dƣới đã xác định. Để mô tả các vấn đề trong đó công suất phát đƣợc vận hành sao cho tối thiểu hoá chi phí nhiên liệu, công suất tác dụng phát của nút cân bằng chỉ thay đổi khi mô hình chi phí nhiên liệu đƣợc sử dụng. Đối với các trƣờng hợp khác công suất tác dụng của nút cân bằng có thể thay đổi không giới hạn.
2. Dữ liệu phụ tải
Mô hình phụ tải trong tính toán trào lƣu công suất hoàn toàn đƣợc chức năng OPF nhận biết.
3. Dữ liệu máy phát
Một hoặc một số máy phát có thể tƣơng ứng với một nút máy phát (mã 2) hoặc nút cân bằng (mã 3), công suất tác dụng và phản kháng phát ra và các giới hạn công suất phản kháng phát đƣợc khởi tạo từ dữ liệu mô hình tính toán trào lƣu công suất thông thƣờng. Nếu tổng giới hạn dƣới của bất cứ nút nào bằng hoặc lớn hơn tổng giới hạn trên thì nút đó sẽ bị chuyển thành nút phụ tải. Các nút xa cho các nút điều khiển điện áp đƣợc duy trì cho mục đích tạo báo cáo và một cách tuỳ chọn, để điều khiển điện áp tại chỗ của các thiết bị không tối ƣu. OPF thử tất cả các điều khiển tối ƣu nhằm thoả mãn tất cả các ràng buộc và dựa trên đó tối thiểu hoá hàm mục tiêu. Công suất cơ bản MVA của máy phát, trở kháng nguồn, trở kháng của máy biến áp tăng áp và tỷ số biến áp bị OPF bỏ qua.
Trong tính toán trào lƣu công suất thông thƣờng, thao tác điều khiển của máy phát là không liên tục. Các máy phát điều khiển biên độ điện áp từng nút, điện áp này đƣợc xem nhƣ cố định và công suất phản kháng phát sẽ thay đổi cho đến khi đạt đến giới hạn công suất phản kháng phát, tại điểm đó thì điện áp bắt đầu thay đổi tự do theo một hƣớng và công suất phản kháng phát sẽ cố định ở giới hạn. Nếu điện áp điều khiển quay trở lại điểm đặt thì điện áp một lần nữa lại cố định và công suất
bởi OPF đến giá trị tối ƣu tƣơng ứng với các giới hạn. Cách xử lý thích hợp nhất cho các máy phát không tối ƣu là mô hình máy phát thông thƣờng, nhƣng mô hình không liên tục này cản trở nghiêm trọng đến độ tin cậy cảu lời giải OPF. OPF không trực tiếp chứa mô hình không liên tục, nhƣng gần đúng nó thông qua một trong hai phƣơng pháp:
a. Thông qua việc sử dụng chi phí bậc hai đối với bất cứ sai lệch của biên độ điện áp máy phát khỏi giá trị ban đầu. Mặc định hệ số phạt là 100 đƣợc sử dụng. Hệ số phạt này cũng có thể thay đổi thông qua tuỳ chọn giải OPF và một điện áp mong muốn có thể đƣợc gán nhƣ là sai lệch phạt cho các tổ máy điều chỉnh tại chỗ. hoặc
b. Thông qua sử dụng ràng buộc bất đẳng thức khống chế tổng lỗi trong điện áp máy phát không tối ƣu chống lại đặc tính phát công suất phản kháng.
4. Dữ liệu điều khiển máy biến áp
Sắp xếp biến điều khiển đƣợc thực hiện cho tất cả các máy biến áp đƣợc địng nghĩa trong mô hình dữ liệu tính toán trào lƣu công suất, đƣợc nhận biết qua nhánh có tỷ số biến áp khác không. Trạng thái tối ƣu của máy biến áp đƣợc xác định phụ thuộc vào nhánh đó có nằm trong miền hay khu vực đƣợc chọn để tối ƣu hoá hay không.
Các nhánh thuộc quyền sở hữu của miền hoặc khu vực tƣơng ứng với nút không có điểm đo. Các giới hạn trên và dƣới của nấc biến áp hoặc góc di pha, và nấc biến áp đƣợc thiêt lập nhƣ một phần dữ liệu điều chỉnh máy biến áp trong mô hình tính trào lƣu công suất. Nút điều khiển và cờ cho phép điều khiển đƣợc sử dụng bởi OPF, nhƣng các giới hạn giá trị điều khiển (điện áp, trào lƣu MW hoặc MVar) chỉ đƣợc sử dụng để phân biệt loại mát biến áp, điều khiển nấc hoặc điều khiển góc pha, và sau đó bị bỏ qua. Trạng thái điều khiển đƣợc thực hiện theo dữ liệu nhƣ với PSS/E, các thao tác điều khiển tối ƣu đƣợc điều chỉnh để đạt đƣợc tối ƣu toàn cục,