Microsoft Word 00 a loinoidau TV docx ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(110) 2017 7 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KỲ VỌNG THIẾU HỤT ĐIỆN NĂNG CHO HỘ TIÊU THỤ TRÊN BIỂU ĐỒ PHỤ T[.]
Trang 1ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(110).2017 7
PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KỲ VỌNG THIẾU HỤT ĐIỆN NĂNG CHO
HỘ TIÊU THỤ TRÊN BIỂU ĐỒ PHỤ TẢI KÉO DÀI
A METHOD FOR DETERMINING LOSS OF ENERGY EXPECTATION FOR CUSTOMERS
BY USING THE LOAD DURATION CURVE
Bounthene Chansamay 1 , Lê Việt Tiến 1 , Trần Đình Long 1,2
1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2 Hội Điện lực Việt Nam
Tóm tắt - Kỳ vọng thiếu hụt điện năng là chỉ tiêu quan trọng để
đánh giá độ tin cậy cung cấp điện cho các phụ tải Chỉ tiêu này
thường được sử dụng trong qui hoạch, thiết kế và vận hành các
hệ thống phân phối điện khi so sánh lợi ích kinh tế của các giải
pháp tăng cường độ tin cậy của sơ đồ cung cấp điện (như xây lắp
thêm đường dây, tăng công suất trạm biến áp, thay đổi cấu hình
vận hành của lưới điện phân phối…) với chi phí đầu tư để thực
hiện các giải pháp đó Bài báo này đề xuất phương pháp xác định
kỳ vọng thiếu hụt điện năng đối với hộ tiêu thụ bằng cách sử dụng
biểu đồ phụ tải kéo dài kết hợp với dãy phân bố xác suất năng lực
tải của lưới phân phối Phương pháp được minh họa bằng ví dụ
tính toán kì vọng thiếu hụt điện năng cho một sơ đồ cung cấp điện
cụ thể của hộ tiêu thụ
Abstract - Loss of energy expectation is an important index for
evaluating the reliability of electricity supply for customers This index is frequently used in planning, designing and operating the distribution power network when comparing the economic benefit
of different solutions proposed for increasing the system reliability (such as installation of additional line, extension of capacity of transformer substations, reconfiguration of operational distribution schemes…)with the investment cost to realize those solutions This paper presents the method for determining loss of energy expectation for customers by using the load duration curve in combining with supply capacity of the distribution network The method has been illustrated by an example of determining the loss
of energy expectation in a real power supply system for customers.
Từ khóa - kỳ vọng thiếu hụt điện năng; xác suất làm việc tin cậy
xác suất hỏng hóc; năng lực tải; đồ thị phụ tải kéo dài
; Key words - Loss of energy expectation, probability of normal
state, probability of failure, supply capacity, load duration curve
1 Đặt vấn đề
Xác suất thiếu hụt công suất (Loss of load proba - bility
– LOLP) và kỳ vọng thiếu hụt điện năng (Loss of energy
expectation – LOEE) là những chỉ tiêu quan trọng để đánh
giá độ tin cậy cung cấp cho các hộ tiêu thụ và lựa chọn các
giải pháp hợp lý để cải thiện các chỉ tiêu này [2, 3] Đã có
nhiều công trình nghiên cứu về phương pháp xác định
LOEE (chẳng hạn, [2] - [6]) Trong [3], LOEE cho nút phụ
tải được tính toán theo biểu đồ phụ tải ngày đặc trưng, thích
hợp cho các sơ đồ cung cấp điện có sự tham gia của các
nguồn điện phân tán với khả năng phát thay đổi liên tục
theo thời gian trong ngày
Trường hợp công suất của nguồn cấp ổn định, LOEE có
thể được xác định đơn giản hơn, với khối lượng tính toán
giảm rất đáng kể bằng cách sử dụng biểu đồ phụ tải kéo dài
tuyến tính hóa kết hợp so sánh với năng lực tải của sơ đồ
cung cấp điện trong các trạng thái vận hành khác nhau Nội
dung của phương pháp sẽ được giới thiệu và minh họa
trong bài báo này
2 Xây dựng dãy phân bố xác suất năng lực tải của sơ
đồ cung cấp điện và xác định LOEE
Hầu hết các phụ tải đều được cấp điện từ các lưới phân
phối hình tia, 1 nguồn Với các cấu trúc lưới điện đơn giản
như vậy việc tính toán các thông số về độ tin cậy và năng
lực tải của các phần tử cũng như biến đổi đẳng trị hóa sơ
đồ về dạng đơn giản cuối cùng để khảo sát không gặp nhiều
khó khăn [2], [4]
2.1 Xây dựng dãy phân bố xác suất năng lực tải
Giả thiết sơ đồ cung cấp điện đã được đẳng trị và đơn
giản hóa gồm n phần tử, mỗi phần tử i có 2 trạng thái đối
lập (làm việc với xác suất pi và hỏng hóc với xác suất
qi =1-pi) Số trạng thái có thể phân biệt được của hệ thống là: N = 2n, tổ hợp trạng thái các phần tử có thể nhận được bằng cách khai triển biểu thức:
n (p + q ) = 1i i
i = 1∏ (1)
Các phần tử thường có xác suất hỏng hóc khá bé (qi<1.10-3) nên khi khai triển theo (1) có thể bỏ qua các trạng thái hỏng đồng thời từ 2 phần tử trở lên Mỗi tổ hợp trạng thái k được khảo sát tương ứng với một năng lực tải
Sk của sơ đồ cấp điện với xác suất pk Sau khi điểm kê và sắp xếp các trạng thái tính toán của
hệ thống (chẳng hạn theo trình tự từ Smax đến 0) có thể nhận được dãỹ phân bố xác suất Sk (pk)/k =1, N (với N số trạng thái của hệ thống được khảo sát)
Áp đặt dãy phân bố xác suất khả năng cung ứng của sơ
đồ vào biểu đồ phụ tải kéo dài (Load Duration Curve – LDC) cho khoảng thời gian khảo sát có thể xác định được các trạng thái có khả năng gây thiếu hụt công suất và tính toán kỳ vọng thiếu hụt điện năng đối với nút phụ tải khảo sát
Phần biểu đồ phụ tải kéo dài P(t) nằm trên mức khả năng cung ứng Sk, sẽ gây mức thiếu hụt điện năng δAk tương ứng:
Tk
δA =k (P -S )p dtt k k
0∫ Trong đó: Tk – hoành độ điểm cắt k của đường biểu diễn mức khả năng cung ứng Sk với biểu đồ phụ tải kéo dài; Pt – công suất trên biểu đồ phụ tải kéo dài tại thời điểm t; pk – xác suất của trạng thái của sơ đồ có khả năng cung ứng Sk. Khi sử dụng biểu đồ phụ tải kéo dài tuyến tính hóa (Linear Matching LDC – LMLDC) [1], lượng điện năng thiếu hụt δAk
(2)
Trang 28 Bounthene Chansamay, Lê Việt Tiến, Trần Đình Long trong biểu thức tích phân (2) có thể được xác định một cách
gần đúng bằng các quan hệ hình học đơn giản hơn
2.2 Đồ thị phụ tải kéo dài tuyến tính hóa (LMLDC) [1]
Hình 1 Xác định thiếu hụt công suất và điện năng trên LMLDC
2.3 Xác định lượng thiếu hụt điện năng δA k
Tùy theo trị số của năng lực tải Sk, đường biểu diễn
Sk(pk) có vị trí tương đối so với LMLDC khác nhau Phân
biệt các trường hợp sau:
LMLDC 3 đoạn ABCD được xây dựng từ LDC thực tế
(Hình 1) trên cơ sở các điều kiện sau:
(1) Không thay đổi công suất đỉnh (Pmax =PA) và đáy
(Pmax = PD) của LDC (giữ nguyên tọa độ của các
điểm A và D)
(2) Tọa độ công suất các điểm B (PB) và C (PC) được
xác định trên cơ sở cân bằng diện tích phía dưới
đường LDC thực tế và đường ABCD với trục
hoành T, nghĩa là phép tuyến tính hóa không làm
thay đổi điện năng sử dụng của các hộ tiêu thụ
(3) Tọa độ của các điểm đặc trưng được ghi chú trên
Hình 1
LMLDC cũng có thể được xác định theo độ dốc của các
đoạn AB (α1); BC (α2) và CD (α3) ( hinh 1) với
max 1
Đ B C
P -P
tgα =
B C 2
BT
P -P
tgα =
m TĐ
C in 3
P -P
tgα =
Trong đó: TCĐ, TBT, TTĐ – tương ứng là thời gian cao
điểm, bình thường và thấp điểm trên biểu đồ phụ tải, được
quy định đối với từng HTĐ cụ thể
Thông thường, để thuận tiện cho việc tính toán LMLDC
được biểu diễn trong hệ đơn vị tương đối với công suất cơ
bản chọn bằng công suất trung bình của biểu đồ phụ tải
(Pcb=Ptb) và thời gian cơ bản chọn bằng tổng thời gian khảo
sát (Tcb = T)
1) Sk ≥ Pmax: Đường Sk(pk) nằm trên LMLDC, không
xảy ra thiếu hụt công suất và điện năng
2) Pmax> Sk ≥ PB: Đường Sk(pk) cắt LMLDC tại điểm k
trên đoạn AB (Hinh 1) Thời gian có khả năng thiếu
hụt công suất Tk:
Tk = (Pmax – Sk)/tgα1 (6)
δAk(AB) = (Pmax – Sk)2.pk/2 tgα1 (7)
Hình 2 Lưu đồ thuật toán xác định LOEE đối với hộ tiêu thụ
trên LMLDC
3) PB > Sk ≥ PC: Điểm k nằm trên đoạn BC
Tk = (PB – Sk)/ tgα2 + TCĐ (8)
δAk(BC) = [(Pmax – PB)2.TCĐ /2 + (PB – Sk)2/ 2tgα2 + TCĐ(PB – Sk)].pk (9) 4) PC> Sk ≥ Pmin: Điểm k nằm trên đoạn CD
Tk = (PC – Sk) / tgα3 + TCĐ + TBT (10)
δAk(CD) = [(Pmax – PB)2 TCĐ /2 + (PB – PC)(2TCĐ
0 T k
P = Pmax
k
C
D
A
P B
P tb
P C
P
T C
α1
α2
α3
min
T
A
P = PD
B
S (p ) k k
Biểu đồ phụ tải kéo dài (LDC): Pmax,
Pmin, Ptb, TCĐ, TBT,
TTĐ
Xây dựng LMLDC:
xác định PB, PC, hoặc tgα1, tgα2, tgα3
Thông số hỏng hóc các phần tử sơ đồ cấp điện TSC, ω, q
Đẳng trị hóa sơ đồ xác định Sđt, pđt
Tính toán xác suật trạng thái hệ thống
Xây dựng dãy phân bố xác suất khả năng tải Sk (pk)/k =1,
Điện năng thiếu hụt
δA = 0
K =1 Điện năng thiếu hụt δAk
δA = δA + δAk
k = k + 1
Xuất δA
k =Nk
Stop
Trang 3ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(110).2017 9 + TBT)/2 + (PC – Sk)2/2tgα3 + (TCĐ + TBT)(PC –
Sk)].pk (11)
5) Sk< Pmin: Đường Sk(pk) nằm dưới LMLDC
δAk(CD) = [(Pmax – PB)2.TCĐ /2 + (PB – PC)(2TCĐ
+ TBT)/2 + (PC – Pmin)(2TCĐ + 2TBT + TTĐ)/2+ (Pmin–
Sk).T].pk (13)
6) Sk = 0:
δAk(0) = AT pk = Ptb.T.pk (14)
Tổng điện năng thiếu hụt đối với hộ tiêu thụ trong thời
gian khảo sát T:
N
k k=1
Trong đó: N – số trạng thái có Sk< Pmax
Lưu đồ thuật toán xác định kỳ vọng thiếu hụt điện năng
đối với hộ tiêu thụ trên LMLDC được giới thiệu trên Hình 2
3 Ví dụ áp dụng
Sơ đồ cấp điện được giới thiệu trên Hình 3 Thông số
về đô tin cậy của các phần tử cho trong Bảng 1 Biểu đồ
phụ tải kéo dài năm của hộ tiêu thụ cho trên Hình 4
Hình 3 Sơ đồ cấp điện
Hình 4 Biểu đồ phụ tải kéo dài năm của hộ tiêu thụ
Các thông số đặc trưng của biểu đồ phụ tải kéo dài hình 4: Pmax = 30MW; Pmin = 18MW;
Ptb = 22MW; TCĐ = 1825h; TBT = 4745h; TTĐ = 2190h; tgα1 = 0,00372; tgα2 = 0,000379; tgα3 = 0,00155
Sơ đồ đẳng trị để tính toán độ tin cậy được giới thiệu trên Hình 5 với các phần tử đẳng trị: (I) – mạch máy biến áp T1; (II) – mạch máy biến áp T2 và (III) – mạch đường dây
Áp dụng các công thức biến đổi đẳng trị về độ tin cậy cho hệ thống nối tiếp [2]
Hình 5 Sơ đồ đẳng trị để tính toán độ tin cậy Bảng 1 Thông số độ tin cậy các phần tử của sơ đồ cấp điện
(Lần/năm)
TS
(10-3 năm)
q
(10-3) p
S (MW)*
Máy cắt 22kV, mạch biến áp MC22T 0,1 1,2 0,12 0,99988 **
Máy cắt 22kV, mạch đường dây MC22D 0,2 1,2 0,24 0,99976 ** Đường dây D1, D2 hỏng 1 mạch 0,2 0,8 0,16 0,99984 21 *** Đường dây D1, D2 hỏng 2 mạch 0,02 2,5 0,05 0,99995 0
* Năng lực tải của phần tử được tính bằng MW (cosϕ =1);
** Năng lực tải của nhóm máy cắt (bao gồm cả dao cách ly) được chọn theo năng lực tải của phần tử chính;
*** Năng lực tải của đường dây chọn theo mật độ dòng điện phát nóng cho phép của dây dẫn
dt
m
{ }
dt i m i
S = min S
Tính được:
pI = pII = 0,99906; qI = qII =0,94.10-3; SI =16MW; SII
=25MW; pIII =0,99936;
qIII = 0,64.10-3; SIII = 21MW Xác suất trạng thái của hệ thống Hình 5 được xác định theo (1):
(pI + qI)( pII + qII)( pIII + qIII)2 = 1 Khai triển biểu thức này và bỏ qua các trạng thái có số phần tử hư hỏng k ≥ 2, ta có các trạng thái cần xem xét:
HT§
MC110
110kV
T 1, 16MVA
T 2, 25MVA
MC22T MC22D MC22D
22kV
D1, AC-185 20km
D2, AC-185 20km
P = 30MW max
0
P = P = 30 max
P =23,2 B
P =22 tb
P = 21,4 C P,MW
6570
α1
α2
α3
T , h
A
P = P =18D
B
41(0,99684)
25(0,93791.10 )-3 21(1,2767.10 )-3
10
20
16(0,93791.10 )
0(0,0499.10 )
-3
-3
min A
I (T1)
P
III (D)
HT§
Trang 410 Bounthene Chansamay, Lê Việt Tiến, Trần Đình Long
I II III I II III I II III I II III III
Trong biểu thức này các số hạng lần lượt biểu diễn các
trạng thái:
(1) không hỏng bất kỳ phần tử nào với xác suất
2
1 I II III
p =p p p = 0,99684 và khả năng tải
{ }
S = min S +S ;2S =41MW;
(2) Hỏng phần tử I với:
2
2 I II III
p =q p p = 0,93791.10-3 và
{ }
S = min S ;2S =25MW
(3) Hỏng phần tử III với:
-3
3 I II III III
{ }
S = min S +S ;S =21MW (4) Hỏng phần tử II với:
4 I II III
{ }
S = min S ;2S =16MW Ngoài ra, 2 mạch của đường dây kép III được lắp trên
1 cột nên vẫn có khả năng (5): hỏng đồng thời cả 2 mạch (đổ cột) với xác suất:
-3
5 I II 2III
p =p p q =0,0499.10 và S5 = 0
Dãy phân bố xác suất khả năng tải của sơ đồ Hình 5 cho trong Bảng 2
Bảng 2 Dãy phân bố xác suất khả năng tải của sơ đồ cấp điện và kỳ vọng thiếu hụt điện năng
Trạng thái k Không hỏng
(1)
Hỏng I (2)
Hỏng III (3)
Hỏng II (4)
Mất điện (2.III) (5) Khả năng tải
Xác suất pk 0,99684 0,93791x10-3 1,2767x10-3 0,93791x10-3 0,0499x10-3
Thiếu hụt điện năng
Áp đặt dãy phân bố xác suất khả năng tải ở Bảng 2 lên
LMLDC của hộ tiêu thụ (Hinh 4), theo các biểu thức (7),
(9), (11), (13), (14) tính được lượng thiếu hụt điện năng
δAk tương ứng (Bảng 2)
Tổng điện năng thiếu hụt đối với hộ tiêu thụ trong 1
năm theo (15):
δAk = ΣδAk = 3,151+53,780+20,988+9,616 =
87,535MWh
4 Kết luận
LOEE đối với hộ tiêu thụ là chỉ tiêu quan trọng để tính
toán, lựa chọn giải pháp hợp lý nhằm tăng cường độ tin cậy
cung cấp điện cho nút phụ tải
Bài báo đã giới thiệu phương pháp xác định LOEE dựa
trên cơ sở xem xét kết hợp LMLDC của hộ tiêu thụ với dãy
phân bố xác suất khả năng tải của sơ đồ cấp điện
Việc sử dụng LMLDC cho phép đơn giản hóa và giảm đáng
kể khối lượng tính toán khi xác định LOEE cho nút phụ tải
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bounthene Chansamay, Lê Việt Tiến, Trần Đình Long, “Phương pháp xây dựng biểu đồ phụ tải kéo dài tuyến tính hóa để nghiên
cứu các thông số vân hành của HTĐ”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Năng lượng Trường Đại học Điện lực, số 11, 11-2016, Hà
Nội
[2] Trần Đình Long, Nguyễn Sỹ Chương, Lê Văn Doanh, Bách Quốc
Khánh, Hoàng Hữu Thận, Phùng Anh Tuấn, Đinh Thành Việt, Sách tra cứu về chất lượng điện năng, NXB Bách khoa Hà Nội, 2013 [3] Trần Đình Long, Lý thuyết hệ thống, NXB Khoa học và Kỹ thuật,
Hà Nội, 1999
[4] Nguyễn Duy Khiêm, Trần Đình Long, “Ảnh hưởng của nhà máy
điện gió đến độ tin cậy lưới điện phân phối địa phương”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, số 103, tr 12
- 16, Hà Nội; 2014
[5] Roy Billinton & Ronald N Allan, Reliability Evaluation of Power System, New York, 1996
[6] Dugan R.C., Mc Grannaghan M.F., Santoso S and Beaty H.W.,
Electrical Power Systems Quality Second Edition, Mc Graw – Hill,
New York, 2004
(BBT nhận bài: 11/12/2016, hoàn tất thủ tục phản biện: 05/01/2017)