Xác định điểm đo trong lưới điện phân phối để đánh giá trạng thái vận hành

Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn Mục tiêu của luận văn là tìm ra giải thuật xác định điểm đặt máy đo trong hệ thống điện phân phối sao cho sai số ước lượng trạng thái của hệ thống nhỏ

Trang 1

vii

MỤC LỤC

Trang

Trang tựa đề i

Trang nhận xét ii

Quyết định giao đề tài iii

Lời cám ơn iv

Tóm tắt nội dung vi

Mục lục vii

Liệt kê các bảng ix

Liệt kê các hình x

PHẦN A GIỚI THIỆU LUẬN VĂN I Đặt vấn đề 1

II Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 2

III Phạm vi nghiên cứu 2

IV Phương pháp nghiên cứu 3

V Điểm mới của luận văn 3

VI Giá trị thực tiễn của luận văn 3

VII Các thuật ngữ 4

VIII Bố cục của luận văn 4

PHẦN B NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐO VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN CỦA LUẬN VĂN I Đặc điểm của hệ thống phân phối 6

II Thực trạng hệ thống điện phân phối hiện nay của Việt Nam 7

III Vấn đề ước lượng trạng thái 7

IV Các phương pháp xác định điểm đo trong hệ thống 8

1 Phương pháp xác định điểm đo để ước lượng trạng thái hệ thống 9

2 Đặt máy đo để theo dõi đường dây phân phối trong thời gian thực 14

Trang 2

viii

3 Đặt máy đo bằng phương pháp heuristic cho dự báo tải 23

V Phương pháp tiếp cận của luận văn 27

CHƯƠNG 2 GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐO I Mô tả bài toán 30

1 Ảnh hưởng của điểm đo đến độ chính xác của hệ thống đo lường 31

2 Ảnh hưởng của số lượng máy đo lên phương pháp ước lượng dòng công suất nhánh 32

II Xây dựng phương pháp ước lượng dòng công suất nhánh 32

III Vị trí đặt máy đo 34

IV Ví dụ thử nghiệm 36

1 Kết quả thử nghiệm trên đường dây phân phối không rẽ nhánh 36

2 Kết quả thử nghiệm trên đường dây phân phối có rẽ nhánh 44

V Kết luận 47

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÚ THỌ I Chương trình máy tính 50

II Mô tả đường dây Trường Đua – Lữ Gia của lưới điện Phú Thọ 52

III Kết quả 55

IV Đánh giá kết quả 61

PHẦN C KẾT LUẬN I Về mặt lý thuyết 63

II Về mặt thực tiễn 63

III Hướng phát triển tương lai 63

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Trang 3

ix

LIỆT KÊ CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Những thiết bị đặt dưới SCADA 17

Bảng 2.1 Giá trị của các tải theo đồ thị phụ tải 37

Bảng 2.2 Một số giá trị của các mẫu tải thực 38

Bảng 2.3 Các giá trị dòng công suất nhánh th ni P , th ni Q 38

Bảng 2.4 Công suất nhánh thực 39

Bảng 2.5 Công suất nhánh ước lượng 39

Bảng 2.6 Sai số ước lượng dòng công suất nhánh 39

Bảng 2.7 Sai số ước lượng trung bình 40

Bảng 2.8 Các giá trị dòng công suất nhánh ước lượng 40

Bảng 2.10 Sai số ước lượng trung bình khi máy đo đặt trên nhánh 1 và 4 40

Bảng 2.11 Sai số ước lượng trung bình khi máy đo đặt trên nhánh 1 và 5 40

Bảng 2.13 Sai số ước lượng trung bình của từng nhánh 41

Bảng 2.18 Các giá trị đồ thị phụ tải công suất tác dụng 45

Bảng 2.19 Các giá trị đồ thị phụ tải công suất phản kháng 46

Bảng 2.20 Sai số ước lượng trung bình của các dòng công suất nhánh 46

Bảng 3.1 Công suất trung bình và công suất máy biến áp tại các nút tải 52

Bảng 3.2 Kết quả sai số ước lượng dòng công suất nhánh 55

Bảng 3.3 Sai số ước lượng lớn nhất của các nhánh 59

Bảng 3.4 Sai số ước lượng lớn nhất của các nhánh khi đặt thêm máy đo trên nhánh 50 59

Bảng 3.5 Sai số ước lượng lớn nhất của các nhánh khi đặt thêm máy đo trên nhánh 50 60

Trang 4

x

LIỆT KÊ CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Vùng SW và vùng máy đo 19

Hình 1.2 Lưu đồ giải thuật đặt máy đo bằng heuristic 26

Hình 2.1 Đồ thị phụ tải loại chiếu sáng sinh hoạt 30

Hình 2.2 Đồ thị phụ tải loại công nghiệp 30

Hình 2.3 Đồ thị phụ tải loại dịch vụ 31

Hình 2.4 Vùng máy đo trên đường dây phân phối hình tia 32

Hình 2.5 Đường dây phân phối hình tia 33

Hình 2.6 Lưu đồ giải thuật 35

Hình 2.7 Đường dây thử nghiệm 1 36

Hình 2.8 Biểu diễn sai số ước lượng phần trăm theo dòng công suất nhánh 44

Hình 2.9 Đường dây thử nghiệm 2 44

Hình 2.10 Biểu diễn sai số theo dòng công suất nhánh với các vị trí máy đo 47

Hình 3.1 Giao diện chương trình xác định điểm đặt máy đo 50

Hình 3.2 Sơ đồ đơn tuyến của tuyến Trường Đua – Lữ Gia 54

Trang 5

PHẦN A GIỚI THIỆU LUẬN VĂN

II MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN III PHẠM VI NGHIÊN CỨU

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

V ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN

VI GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN

VII CÁC THUẬT NGỮ

VIII BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN

Trang 6

Phần A: Giới thiệu luận văn

I Đặt vấn đề

Để đáp ứng yêu cầu phát triển của công nghiệp, xu hướng hiện nay trên các quốc gia là dần dần tiến đến thị trường điện Chỉ có thị trường điện mới làm thay đổi cách vận hành của lưới truyền tải và phân phối Do sự gia tăng số giao dịch năng lượng trên thị trường tạo nên những dòng công suất qua hệ thống khó có thể dự kiến trước được Để theo dõi những dòng công suất này chính xác và tin cậy đòi hỏi hệ thống đo lường phải đủ mạnh Hơn thế nữa không giống như những hệ thống trước đây, hệ thống điện hiện đại được trang bị những bộ điều khiển dòng công suất (UPFC) Việc theo dõi những thiết bị này và những thông số của chúng cũng trở nên quan trọng

Để theo dõi hệ thống và các thiết bị trên hệ thống chặt chẽ hơn những công ty điện lắp đặt thêm những hệ thống quản lý năng lượng (EMS1) Mục đích của EMS là theo dõi điều khiển và tối ưu hóa việc phát và truyền tải với sự tiến bộ của kỹ thuật máy tính Ước lượng trạng thái là một trong những công việc cần thiết của EMS Những kết quả của ước lượng trạng thái cung cấp cơ sở dữ liệu thời gian thực cho những ứng dụng tiến bộ khác như là phân tích an ninh, kinh tế, tối ưu hóa dòng công suất, … Người ước lượng trạng thái xử lý những bộ phép đo trong thời gian thực để giải quyết cho việc đánh giá tốt nhất trạng thái của hệ thống tại thời điểm hiện tại

Độ chính xác của ước lượng trạng thái tùy thuộc vào chất lượng của dữ liệu cũng như cấu hình của bộ máy đo Chất lượng của dữ liệu có thể được cải thiện bằng cách sử dụng những thiết bị máy đo và hệ thống truyền thông tin chất lượng cao Mặt khác, cấu hình bộ máy đo cần thiết phải được thiết kế tốt để đảm bảo độ chính xác cho ước lượng trạng thái Những vị trí và loại phép đo sẽ làm thay đổi sự ước lượng trạng thái của toàn bộ hệ thống Nhưng thường thì cấu hình máy đo sẳn có hầu hết không được thiết kế tốt Vì thế phương pháp xác định vị trí của những phép đo thêm vào dựa trên một số tiêu chuẩn sẽ giúp ích hơn trong việc vận hành tối ưu hệ thống

1 EMS: Energy Management System

Học viên: Nguyễn Trường Duy Trang 1

Trang 7

Hệ thống điện phân phối là một hệ thống rất lớn và một thao tác bất kỳ nào tác động đến hệ thống nhằm cải thiện chất lượng điện cung cấp của hệ thống đều phải dựa vào những thông số thực Để giám sát tốt hệ thống theo thời gian thực thì cần phải đặt một số lượng máy đo thích hợp để lấy các thông số thực của hệ thống Nhưng do số lượng máy đo có giới hạn nên các thông số thực từ những máy đo không đánh giá chính xác được trạng thái của hệ thống Ước lượng trạng thái là công cụ giúp đánh giá gần đúng trạng thái hệ thống Để có ước lượng trạng thái chính xác nhất cần phải đặt máy đo tại những vị trí thích hợp nhất Vì nếu đặt thiết bị đo nhiều thì chi phí sẽ rất cao nhưng nếu đặt ít thiết bị đo kết hợp với ước lượng trạng thái mang lại hiệu quả hơn Vấn đề xác định điểm đo trong hệ thống không những có ý nghĩa đối với việc giải quyết về mặt kỹ thuật trong vận hành hệ thống mà còn giảm chi phí cho những máy đo giám sát hệ thống

II Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

Mục tiêu của luận văn là tìm ra giải thuật xác định điểm đặt máy đo trong hệ

thống điện phân phối sao cho sai số ước lượng trạng thái của hệ thống nhỏ nhất với số lượng máy đo cho trước để giảm chi phí cho hệ thống máy đo giám sát hệ thống Các nhiệm vụ cụ thể như sau:

1 Xây dựng giải thuật mới xác định điểm đặt máy đo cũng như xác định sơ đồ máy đo cho hệ thống mới với sai số ước lượng trạng thái trong phạm vi cho phép

2 Ước lượng trạng thái hệ thống với các số liệu từ những máy đo có sẳn

3 Bổ sung máy đo cho hệ thống máy đo có sẳn để giảm sai số ước lượng trạng thái cho hệ thống và ứng dụng thực tế

III Phạm vi nghiên cứu

Vấn đề đánh giá trạng thái là một vấn đề lớn cần có nhiều thời gian để nghiên cứu Để đánh giá tốt trạng thái của hệ thống thì tất yếu phải lắp đặt một số thiết

bị đo vào hệ thống Vậy vị trí đặt những thiết bị đo này được xác định như thế nào Phạm vi nghiên cứu trong luận văn là:

Trang 8

1 Bài toán ước lượng dòng công suất nhánh

2 Bài toán xác định điểm đặt máy đo bằng heuristic để giảm sai số ước lượng dòng công suất nhánh trong hệ thống điện phân phối hình tia

IV Phương pháp nghiên cứu

1 Sử dụng phương pháp mô hình hóa lưới điện để tạo bộ dữ liệu dòng công suất nhánh có thể xảy ra trong thực tế

2 Sử dụng phương pháp phân tích dòng công suất để tìm công suất trên các nhánh

3 Sử dụng phương pháp tìm kiếm heuristic để tìm vị trí đặt máy đo và ước lượng dòng công suất trên các nhánh

V Điểm mới của luận văn

1 Bài toán xác định vị trí đặt máy đo được xét trong một khoảng thời gian theo đồ thị phụ tải ngày

2 Phương pháp xác điểm đặt máy đo mới dựa trên cơ sở phương pháp heuristic có xét đến ảnh hưởng của các máy đo lên nhau

3 Phương pháp này có thể sử dụng để thiết lập sơ đồ máy đo cho hệ thống mới và cũng có thể sử dụng để kiểm tra sai số ước lượng dòng công suất nhánh và bổ sung vị trí đặt máy đo mới

VI Giá trị thực tiễn của luận văn

1 Xác định vị trí đặt máy đo trong hệ thống điện phân phối bằng heuristic để giảm sai số ước lượng trạng thái đưa ra trong luận văn là một phương pháp mới, đóng vai trò là nền tảng trong vận hành hệ thống phân phối

2 Giải thuật tìm vị trí đặt máy đo bằng heuristic có ưu điểm là tính toán đơn giản và tìm được vị trí tối ưu để đặt máy đo cho nên số lượng máy đo là tối thiểu

3 Vị trí đặt máy đo thích hợp không chỉ làm giảm chi phí cho hệ thống máy

đo giám sát hệ thống mà còn giúp cho người vận hành đánh giá chính xác

Trang 9

hơn trạng thái của hệ thống để có những quyết định thích hợp trong vận hành

VII Các thuật ngữ

Ước lượng dòng công suất nhánh: xác định dòng công suất trên nhánh dựa vào phương pháp dự đoán gần đúng

Ước lượng trạng thái: xác định trạng thái vận hành của hệ thống thông qua những thông số dự báo của hệ thống

Sai số ước lượng: là độ sai lệch của giá trị xác định được bằng dự đoán so với giá trị thực tế

VIII Bố cục của luận văn

Luận văn được trình bày theo các phần sau:

Phần A: Giới thiệu luận văn

Phần B: Nội dung

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định điểm đo và

phương pháp tiếp cận của luận văn

Chương 2: Giải thuật đặt máy đo

Chương 3: Ứng dụng trên lưới điện Phú Thọ

Phần C: Kết luận

Tài liệu tham khảo và phụ lục

Trang 10

PHẦN B NỘI DUNG

Trang 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC

ĐỊNH ĐIỂM ĐO VÀ PHƯƠNG PHÁP

TIẾP CẬN CỦA LUẬN VĂN

I ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI

II THỰC TRẠNG HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI HIỆN NAY CỦA VIỆT NAM

III VẤN ĐỀ ƯỚC LƯỢNG TRẠNG THÁI

IV CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐO TRONG

HỆ THỐNG

V PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN CỦA LUẬN VĂN

Trang 12

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định điểm đo và phương pháp tiếp cận

I Đặc điểm của hệ thống điện phân phối

Hệ thống điện phân phối là hệ thống chuyển tải điện năng trực tiếp từ các trạm biến áp trung gian đến khách hàng Đường dây truyền tải thường được vận hành mạch vòng hay mạch hình tia, còn các đường dây phân phối luôn được vận hành hình tia trong mọi trường hợp Nhờ cấu trúc vận hành hình tia mà số liệu đo đạc để theo dõi hệ thống có thể lấy từ nút gốc và trên thực tế số liệu đo này thường cũng chỉ đo ở các phát tuyến Khi hệ thống xảy ra sự cố quá tải hay ngắn mạch tại một vị trí nào đó thì khó có thể xác định được Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đường dây kế cận được cấp điện từ một trạm biến áp trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đường dây bị sự cố Việc khôi phục lưới được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các cặp khóa điện nằm trên các mạch vòng, do đó trên lưới phân phối có rất nhiều khóa điện

Để chống quá tải đường dây và giảm tổn thất, các điều độ viên sẽ theo dõi trạng thái hệ thống để thay đổi cấu trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khóa điện hiện có trên lưới Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, vì vậy xuất hiện nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụ thể Tuy nhiên, các điều kiện vận hành lưới phân phối luôn phải thỏa mãn các điều kiện:

- Cấu trúc vận hành hở

- Tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép

- Các hệ thống bảo vệ relay phải thay đổi phù hợp

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải

Một đường dây phân phối luôn có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh hoạt, thương mại dịch vụ, công nghiệp, …) và các phụ tải này được phân bố không đồng đều giữa các đường dây Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa Vì vậy, trên các đường

Trang 13

dây, đồ thị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ Điều này gây ra quá tải đường dây và làm tăng tổn thất trên lưới điện phân phối

Vì vậy trong hệ thống phân phối cần lắp đặt những máy đo để theo dõi dòng công suất trên các nhánh Nhưng xét về mặt đầu tư thì hệ thống phân phối thường có chi phí cho đường dây lẫn trong vận hành rất thấp so với hệ thống truyền tải Cho nên số lượng máy đo dùng trong hệ thống phân phối thường ở dưới mức tối thiểu cần thiết Vì thế, vị trí đặt những máy đo này phải xem xét đến những ràng buộc kỹ thuật Vì vậy cần có một giải thuật xác định điểm đặt máy đo để theo dõi dòng công suất trên các nhánh của hệ thống một cách chặt chẽ nhất

II Thực trạng hệ thống điện phân phối hiện nay của Việt Nam

Hiện nay trên lưới điện phân phối Việt Nam còn tồn tại một số vấn đề như:

1 Các phần tử trên hệ thống điện phân phối rất lớn và số liệu đo đạc trên hệ thống phân phối là không cùng lúc

2 Hệ thống đo lường chưa nhiều và không được thiết kế tốt mà các thiết bị đo thường chỉ đặt tại các phát tuyến đi kèm với các thiết bị đóng cắt

3 Các thiết bị đo lường tuy có khả năng liên kết từ xa nhưng chưa được sử dụng hiệu quả

4 Việc lấy các thông số theo thời gian thực gặp rất nhiều khó khăn

Do đó nên không thể ước lượng tốt trạng thái hệ thống theo thời gian thực để giám sát và điều khiển hệ thống theo thời gian thực Hệ thống đo lường cần được thiết kế tốt thì mới cho kết quả ước lượng trạng thái hệ thống dựa vào số liệu nhận được từ những máy đo này được chính xác hơn Những số liệu đo được còn là cơ sở dữ liệu cho dự báo phụ tải và xây dựng mô hình hệ thống điện tương lai

III Vấn đề ước lượng trạng thái (SE)

Trạng thái của hệ thống điện được đặc trưng bởi vector trạng thái là một tập hợp đầy đủ các biến xác định duy nhất một chế độ (xác lập) của hệ thống điện Như khi xem xét bài toán giải tích chế độ, có thể lấy tập hợp điện áp và góc pha tương

Trang 14

ứng ở các nút trong hệ thống làm vector trạng thái Tất cả các thông số chế độ khác có thể xác định duy nhất từ điện áp

Trong vận hành hệ thống điện hiện đại, cần phải xác định được trạng thái của hệ thống trong thời gian thực Các thông số trạng thái này sẽ lập nên một cơ sở dữ liệu thời gian thực cần thiết cho việc đánh giá và điều khiển độ an toàn cung cấp điện cũng như tính kinh tế của hệ thống liên tục trong quá trình vận hành Các yêu cầu nói trên được thực hiện bởi bài toán ước lượng trạng thái (SE) của hệ thống điện, thuộc loại bài toán trực tuyến là một nhiệm vụ chính của các trung tâm điều độ điều khiển hệ thống điện

Để ước lượng trạng thái thực tại một thời điểm vận hành, tất nhiên không chỉ dựa vào các thông số quy hoạch, nhân tạo (ví dụ như các thông số cấu trúc lưới, thông số quy hoạch nguồn và tải, …) mà nó phải dựa trên các dữ liệu đo trực tiếp trong hệ thống Tuy nhiên ở đây gặp phải vấn đề là các số đo này không hoàn thiện, chúng không chính xác, thậm chí sai, hoặc thiếu (thiếu điểm đo hoặc sai số trong hệ thống đo và truyền số liệu)

Sự không hoàn thiện của dữ liệu là một lý do khiến ta không thể dùng phương pháp giải tích chế độ cho ước lượng trạng thái, cách tiếp cận giải hệ phương trình

ở chế độ xác lập là không có hiệu quả đối với dữ liệu có sai số, kết quả giải của nó rất thay đổi đối với sự thay đổi trong dữ liệu công suất nút, đồng thời không cho phép sử dụng sự dư thừa dữ liệu để hạn chế ảnh hưởng của sai số đo

Từ những nhận định trên, nhiệm vụ của ước lượng trạng thái từ tất cả các dữ liệu lấy được theo thời gian thực (bao gồm dữ liệu đo và các dữ liệu khác) có dư thừa và không hoàn hảo, lọc ra trạng thái thực của hệ thống, tính toán những thông số còn thiếu, phát hiện và nhận diện dữ liệu sai (bao gồm cả thông số chế độ và thông số cấu trúc lưới)

IV Các phương pháp xác định điểm đo trong hệ thống điện

Có nhiều phương pháp đặt máy đo được đưa ra Koglin đưa ra giải thuật heuristic cho hệ thống tự động loại trừ những phép đo dựa trên những đại lượng quan tâm

Trang 15

[17] Aam và các cộng sự mở rộng phương pháp của Koglin và dùng nó để xác định dữ liệu của những phép đo bị sai hoặc mất và giảm bớt sự phức tạp trong tính toán [1] Park và các cộng sự trình bày phương pháp thêm vào và loại ra tuần tự các máy đo để tối thiểu giá đầu tư nhưng vẫn đảm bảo đánh giá trạng thái chính xác [21] Clement và các cộng sự đưa ra phương pháp đánh giá độ tin cậy của hệ thống phép đo dựa trên quan sát hình học của lưới [11] Sarma và các cộng sự đưa ra phương pháp xác định vị trí của những RTU [23] Trong các phương pháp này chỉ có phương pháp của Clement đề cập đến việc cải thiện hệ thống máy đo có sẳn

Việc đặt máy đo trong hệ thống điện với nhiều mục đích khác nhau như đặt máy

đo để ước lượng trạng thái hệ thống, để theo dõi hệ thống theo thời gian thực, để dự báo phụ tải, … Cụ thể một số phương pháp như sau:

1 Phương pháp đặt máy đo để ước lượng trạng thái hệ thống

Phương pháp đặt máy đo để ước lượng trạng thái hệ thống [5] được nhóm tác giả Mesut E Baran, Jinxiang Zhu, Hongbo Zhu đưa ra năm 1995 Nhóm tác giả đã đưa ra phương pháp đặt máy đo mới Phương pháp này bao gồm tất cả những khía cạnh quan trọng như vấn đề chi phí, độ chính xác, độ tin cậy và yêu cầu khả năng xử lý những dữ liệu bị lỗi trong quá trình truyền Vấn đề được giải quyết chia thành ba giai đoạn Trong giai đoạn đầu là đặt những bộ máy đo ít nhất sao cho thỏa mãn độ chính xác theo yêu cầu Trong giai đoạn hai đặt thêm những bộ máy

đo để đạt độ tin cậy theo yêu cầu được xác định bằng tổn hao của những RTU (remote terminal units) Trong giai đoạn ba, đặt thêm những máy đo để cải thiện

khả năng xử lý dữ liệu lỗi bằng cách dò và nhận dạng dữ liệu lỗi

Ước lượng trạng thái (SE) là một trong những công cụ chính trong vận hành và điều khiển theo thời gian thực của những hệ thống điện hiện đại SE sử dụng những bộ máy đo bao gồm dòng công suất nhánh, nút điện áp mà nó được thu nhận thông qua hệ thống SCADA Vấn đề đặt máy đo liên quan đến sự lựa chọn những phép đo (số lượng, loại và vị trí đặt) Trở ngại chính trong việc thiết kế sơ đồ máy đo là thỏa mãn những yêu cầu sau:

Trang 16

Yêu cầu về chi phí: Tổng vốn đầu tư cho sơ đồ máy đo (bao gồm máy đo, RTU và hệ thống truyền thông tin) giữ ở mức tối thiểu

Yêu cầu về độ chính xác: Những phép đo lấy được từ sơ đồ máy đo dùng cho ước lượng trạng thái với độ chính xác như mong muốn

Yêu cầu độ tin cậy: Phải có đủ phép đo cho ước lượng trạng thái nhưng do một số phép đo bị tổn hao trên RTU hoặc do sự cố máy đo,…

Yêu cầu xử lý dữ liệu sai: Hệ thống đo cho phép SE kiểm tra dữ liệu sai do sai số máy đo

Việc chọn tối ưu bộ máy đo để thỏa mãn tất cả những yêu cầu trên thì không dễ dàng Điều này không chỉ do vấn đề quá lớn mà còn do sự đối lập giữa chi phí đầu tư và những yêu cầu khác Đặt máy đo yêu cầu phải quyết định vị trí và loại máy đo được đặt

Việc đặt máy đo được xử lý theo 3 giai đoạn Giai đoạn đầu là mở rộng phương pháp đo của Park để có được sơ đồ máy đo cơ bản thỏa mãn độ chính xác theo yêu cầu với chi phí tối thiểu Trong giai đoạn hai chúng ta xác định những phép

đo cần được thêm vào ít nhất cần thiết để thỏa mãn yêu cầu độ tin cậy Trong giai đoạn ba chúng ta xác định những bộ máy đo được thêm vào ít nhất để thỏa mãn yêu cầu xử lý dữ liệu sai

Cơ sở của việc đặt máy đo

Mâu thuẩn cơ bản trong vấn đề đặt máy đo là tối thiểu chi phí cho hệ thống máy

đo, trong khi cần đánh giá trạng thái với độ chính xác đến mức có thể Trong giai đoạn đầu của vấn đề đặt máy đo, chúng ta xác định một bộ máy đo tối thiểu mà nó cần để giải quyết vấn đề Những phép đo này được gọi là bộ máy đo cơ bản Kết hợp với phát triển phương pháp của Koglin phương pháp này được mô tả như sau:

a Độ chính xác yêu cầu

Mục đích chính của SE là ước lượng trạng thái x của hệ thống (biên độ điện áp và góc pha) bằng cách sử dụng bộ phép đo trong thời gian thực z Vì thế những yêu

Trang 17

cầu độ chính xác cho SE có thể ước lượng trạng thái x với độ chính xác nếu có

thể, mà có thể biểu diễn bằng biến 2

xi

σ , (i = 1,…,n) Tuy nhiên trong thực tế, đại lượng cần thiết được theo dõi thì yêu cầu phải có độ chính xác cao hơn các đại

lượng khác, ví dụ như: năng lượng tạo ra từ máy phát, dòng công suất qua máy

cắt thì quan trọng hơn độ chính xác của tải hệ thống Vì thế Koglin gọi độ chính

xác yêu cầu bằng thuật ngữ là những đại lượng quan tâm (interesting quantities)

Chúng ta sử dụng sự thay đổi của đại lượng này 2

yi

σ để xác định độ chính xác yêu cầu

cho mỗi y2

rằng sự biến đổi càng nhỏ thì ước lượng trạng thái càng chính xác hơn Vì thế

bằng cách chọn giới hạn trên

2 yi

σ

2 yi

σ

2 i

β , chúng ta có thể xác định độ chính xác mà tương ứng với từng yi được ước lượng Có thể sử dụng 2

= k1 i

2 yi k

a Sử dụng chỉ số này để đánh giá sơ đồ máy đo z

Để tính 2 ta giả sử rằng những phép đo bị nhiễu được thống kê độc lập và

yi

σ

i i

i h ( x ) v

Trong đó vi là sự biến đổi ngẫu nhiên của nhiễu trong phép đo và hi(x) là hàm đo

cho phép đo zi, ma trận hiệp biến của yi có thể được tính

(1.4) T

1 1 T

phương trình đo h(x) Công thức 1.4 biến đổi thành:

Trang 18

2

yi ⎡ Ry⎤i

b Cơ sở của vấn đề đặt máy đo

Mục đích chính của vần đề đặt máy đo cơ bản là xác định bộ phép đo tối thiểu để

giữ chi phí cho hệ thống đo nhỏ nhất thỏa mãn ước lượng trạng thái với độ chính

xác yêu cầu Vấn đề này được đưa ra như sau:

điều kiện 2 , i = 1, …, k

yi(z) i

trong đó z là sơ đồ máy đo thích hợp, một trong chúng là sơ đồ máy đo cơ bản

Rất khó để giảm tổng chi phí trên sơ đồ máy đo cơ bản bởi vì những phép đo gần

nhau thường được nhóm lại và được đưa vào RTU để tối thiểu giao tiếp và chi phí

cho RTU Tuy nhiên giả sử rằng cấu hình RTU được biết cho sơ đồ máy đo z

chúng ta có thể giảm tổng chi phí

m 1 j tj

C )

z ( Cost

Trong đó Nt là số RTU, mt là số phép đo được nối đến RTU thứ t và Ct và Ctj biểu

thị giá RTU và giá máy đo

c Giải thuật đặt máy đo cơ bản

Vấn đề đặt máy đo cơ bản được hình thành từ vấn đề kết hợp tối ưu trong (1.6) và

vì vậy giải quyết những yêu cầu nghiên cứu trên toàn sơ đồ máy đo z nếu có thể

Tuy nhiên nếu nghiên cứu hết tất cả mọi khía cạnh cho một hệ thống lớn thì cần

thiết một số lượng lớn những phép đo, chúng ta xác định loại và khoanh vùng

nghiên cứu để giảm không gian nghiên cứu Giải thuật đặt máy đo chia thành hai

giai đoạn: trong giai đoạn đầu đặt RTU và giai đoạn hai đặt máy đo

Bắt đầu với bộ máy đo Z0 chứa số lượng máy đo lớn nhất được xem xét Người sử

dụng xác định Z0 và sơ đồ máy đo tương ứng Trong giai đoạn đầu, những RTU

được loại bỏ từng cái một cho đến khi ràng buộc độ chính xác trong (1.6) không

thỏa mãn hoặc hệ thống không được giám sát nữa (không đủ phép đo cho ước

Trang 19

lượng trạng thái) Tại vị trí này số lượng RTU là tối thiểu cần thiết và giả sử tất

cả các phép đo của RTU đều được sử dụng Trong giai đoạn hai, những phép đo

không cần thiết từ những RTU đã chọn được loại bỏ tương tự như loại bỏ RTU lấy

được sơ đồ máy đo cơ bản Zb

Trong giai đoạn đầu những RTU loại bỏ được xác định như sau Đầu tiên tác

động của sự loại trừ một RTU, ví dụ như RTUt bị loại bỏ làm thay đổi chỉ số

chính xác của hệ thống

∑

=σ Δ +

=

1 i

2 yi t

t t

1 m

RTUt Hệ số mt/(mt+1) trong (1.8) để phân cực định hướng tìm kiếm loại bỏ

những RTU có ít máy đo hơn Điều này đảm bảo cho việc giữ chi phí tối thiểu và

vì thế việc tính toán trong (1.7) trở nên không cần thiết nữa

Sau khi xác định cho mỗi RTU, chỉ số của RTU nào thấp nhất được xem xét

loại bỏ RTU được loại bỏ nếu nó được qua sự kiểm tra là thỏa đáng Những RTU

loại bỏ nhưng phải đảm bảo thỏa mãn những ràng buộc trong (1.6) và hệ thống

vẫn được giám sát Những RTU còn lại là cấu hình RTU cho sơ đồ máy đo cơ

bản Giải thuật loại bỏ những máy đo trong giai đoạn hai cũng tương tự như loại

bỏ RTU nhưng không sử dụng công thức (1.8)

t

a Δ

Những máy đo cơ bản trên thỏa mãn yêu cầu độ chính xác của những đại lượng

quan tâm Nhưng những máy đo này không đủ làm thỏa mãn độ tin cậy yêu cầu

và yêu cầu xử lý dữ liệu sai

Nhận xét: Phương pháp này thực hiện bằng cách đặt máy đo tại tất cả các vị trí

sau đó giảm dần số lượng máy đo bằng cách loại bỏ từng máy đo một Mỗi khi

loại bỏ một máy đo thì kiểm tra lại kết quả sai số ước lượng trạng thái nếu chưa

vi phạm điều kiện thì máy đo đó được loại ra và loại bỏ máy đo tiếp theo Nếu

loại bỏ máy đo mà vi phạm điều kiện thì đặt máy đo lại Quá trình này tiếp tục

cho đến khi không có máy đo nào được loại bỏ nữa để có được sơ đồ máy đo cơ

Trang 20

bản Sau đó đặt thêm những máy đo để thỏa mãn các yêu cầu về độ tin cậy và xử lý dữ liệu sai Phương pháp này chưa đề cập đến vấn đề ước lượng trạng thái theo từng thời điểm và theo thời gian thực Khó thực hiện tối ưu cho việc cải thiện những hệ thống máy đo có sẳn

2 Đặt máy đo để theo dõi đường dây phân phối trong thời gian thực

Đặt máy đo để theo dõi đường dây phân phối trong thời gian thực [7] được nhóm tác giả Mesut E Baran, Jinxiang Zhu, Arthur W Kelley đưa ra năm 1996 Tác giả và các cộng sự đã nhận dạng những yêu cầu dữ liệu cho việc theo dõi và điều khiển trong thời gian thực hệ thống phân phối Để có sự điều khiển có giám sát lên những chuyển mạch và điều khiển thiết bị, những phương pháp cần thiết để đánh giá chính xác dữ liệu cần cho những chức năng tự động của đường dây Chỉ

ra những phép đo từ sơ đồ máy đo có thể sử dụng cho người ước lượng trạng thái để cung cấp dữ liệu trong thời gian thực cần thiết cho việc theo dõi hệ thống phân phối

M E Baran nhận thấy rằng ngành điện luôn quan tâm đến kỹ thuật phân phối tự động (DA1) cho việc theo dõi và điều khiển những thiết bị khác nhau tại trạm trung gian và tại những cấp độ đường dây được tiếp tục phát triển từ khi những dự án đầu tiên chứng tỏ là khả thi và mang lại lợi ích tiềm năng Tuy nhiên, những phương pháp lấy dữ liệu thời gian thực cần thiết cho điều khiển trực tiếp (on-line) của những chức năng tự động chưa nhận được sự quan tâm thích đáng

Những dự án minh chứng đầu tiên xoay quanh công nghệ khả thi của những chức năng DA riêng rẽ và những dữ liệu được yêu cầu cho những chức năng này hoặc là được đo trực tiếp trong thời gian thực hoặc là được lấy từ dữ liệu tải quá khứ Phương pháp mới được được đưa ra để bổ sung những chức năng DA này giả sử có sẳn dữ liệu yêu cầu trong thời gian thực Những phương pháp mới gần đây như là dự báo tải ngắn hạn, dòng công suất, và ước lượng trạng thái đã được đưa ra để lấy dữ liệu cần thiết trong thời gian thực và chủ yếu là dữ liệu tải

1 DA: Distribution Automation

Trang 21

Tiếp theo là một số bổ sung những chức năng DA thông dụng nhất và nhận dữ liệu yêu cầu trong thời gian thực Chỉ ra những phép đo trong thời gian thực như là điện áp, dòng điện, dòng công suất lấy được từ những điểm khác nhau trong hệ thống cần thiết cho việc theo dõi và điều khiển hệ thống phân phối Phương pháp đặt máy đo được đưa ra để đặt những máy đo cần thiết để lấy những phép đo cần thiết trong thời gian thực cho ước lượng trạng thái

a Những yêu cầu dữ liệu thời gian thực cho DA

Dữ liệu thời gian thực được yêu cầu cho theo dõi và điều khiển theo thời gian thực của hệ thống phân phối chủ yếu được xác định bằng những chức năng tự động trong hệ thống Sự xem xét về kinh tế thường đặt giới hạn số chức năng có thể tự động

Những chức năng DA thường được chọn

Tự động trạm trung gian:

Vị trí sự cố và cách ly sự cố

Sự phục hồi dịch vụ

Cân bằng tải máy biến áp

Điều khiển hệ số công suất

Tự động đuờng dây:

Vị trí sự cố và cách ly sự cố

Phục hồi đường dây

Tái cấu trúc đường dây

Điều khiển điện áp và công suất phản kháng

Quản lý tải:

Điều khiển tải

Đọc dữ liệu đo từ xa

Giá theo thời gian thực

Khảo sát tải

Dữ liệu yêu cầu cho những chức năng trên có thể phân thành các nhóm sau:

Trang 22

Trạng thái của chuyển mạch: Trạng thái của máy cắt tại trạm trung gian

cần được theo dõi và điều khiển cho việc phát hiện sự cố và cách ly sự cố tại cấp của trạm trung gian Tương tự, trạng thái của những chuyển mạch trên đường dây như là recloser và đoạn đường dây cần được theo dõi và điều khiển cho việc phát hiện và cách ly sự cố Thông tin trạng thái chuyển mạch cũng được sử dụng để xác định kích thước của hệ thống trong thời gian thực Thông tin kích thước hình học này được sử dụng cho những chức năng điều khiển khác

Trạng thái và thiết lập của những thiết bị điều khiển: Thiết lập chỉnh định

những máy biến áp và các bộ tụ tại trạm trung gian và thiết lập sự ổn định điện áp và những bộ tụ trên đường dây thì cần thiết để xác định dòng điện tại điểm vận hành của hệ thống và những tác động điều khiển có thể

Dữ liệu tải thời gian thực: Dữ liệu tải thời gian thực cần thiết cho sự bổ

sung những chức năng điều khiển như trên được xác định như sau:

Cân bằng tải máy biến áp: Tổng cộng tải tại trạm trung gian cung cấp đến mỗi đường dây thì cần thiết để điều khiển tải máy biến áp trạm trung gian như mong muốn

Phân tích sự kiện có thể xảy ra đối với đường dây: Dòng công suất hoặc dòng điện tại những điểm chuyển mạch thì cần thiết để xác định sự phục hồi của đường dây và sơ đồ tái cấu trúc Dữ liệu này xác định tổng tải trong mỗi phần của đường dây và dùng để so sánh tải thay đổi khi thay đổi những tùy chọn

Điều khiển điện áp, công suất phản kháng và điều khiển tải: Tải thật sự hợp lý (sự phân phối của tải tổng đến những máy biến áp phân phối) là cần thiết Hiệu quả của sơ đồ của điều khiển điện áp, công suất phản kháng và điều khiển tải tùy thuộc rất nhiều vào sự đánh giá chính xác dự báo tải phân phối dọc theo đường dây

Bảng tóm tắt ngắn gọn dữ liệu yêu cầu trong thời gian thực này cho từng chức năng DA riêng lẻ có thể được sử dụng để xác định toàn bộ dữ liệu yêu cầu trong

Trang 23

thời gian thực cho DA một khi những chức năng DA được chọn Trong những chức năng DA, tự động trạm trung gian dành sự ưu tiên cao nhất, ưu tiên thứ hai là những chức năng chuyển mạch đường dây và ưu tiên thứ 3 là điều khiển điện áp và công suất phản kháng Quản lý tải thì thường được xem xét tách biệt, mặc dù hiệu quả bổ sung của nó tùy thuộc vào lượng dữ liệu tải trong thời gian thực có sẳn, và vì thế nó sẽ được tích hợp với những chức năng DA khác

b Những phương pháp xử lý dữ liệu thời gian thực

Những máy đo và những thiết bị theo dõi cần được đặt tại những vị trí khác nhau trong hệ thống và được tích hợp với hệ thống SCADA vì thế dữ liệu thời gian thực lấy được từ những thiết bị này có thể được truyền về trung tâm Nhưng kinh tế đặt giới hạn rất mạnh lên tỉ lệ của những hệ thống SCADA trong những ứng dụng theo dõi và điều khiển hệ thống phân phối

Chú ý rằng chỉ có một phần nhỏ những chuyển mạch trên đường dây được đặt dưới SCADA Sự ổn định điện áp và những bộ tụ thì thường không được theo dõi Dữ liệu thu nhận cũng cần thiết để xác định tải phân phối theo thời gian thực trong hệ thống Thông thường dữ liệu tải được lấy để xử lý dựa vào dữ liệu quá khứ được những công ty điện thu thập từ những tải khách hàng của họ Mặc dù dữ liệu này có khả năng dùng để lập kế hoạch nhưng vẫn không đủ chính xác cho theo dõi hệ thống trong thời gian thực và những chức năng điều khiển Những minh chứng trong [4], dữ liệu tải chi tiết cần thiết để đánh giá gần đúng nhất cho điều khiển điện áp và công suất phản kháng một cách hiệu quả

Bảng 1.1 Những thiết bị đặt dưới SCADA

Máy cắt

Biến áp

Bộ tụ bù

Recloser đường dây Một số lựa chọn

Một số máy đo của khách hàng

Phương pháp dự báo tải ngắn hạn có thể sử dụng để cải thiện dự báo dữ liệu tải Phương pháp dự báo có thể cho kết quả chính xác khi những tải được cộng lại như

Trang 24

là tải tổng Độ chính xác của tải tổng khó thống kê hơn dự báo những tải riêng lẻ Cho những ứng dụng trực tiếp (on-line), điện áp và công suất đo cần được sử dụng để kiểm tra giá trị của những tải đã được dự báo và điều khiển những tải đó Một trong những phương pháp điều chỉnh là dựa trên phân tích dòng công suất Những phép đo được sử dụng để xếp loại những tải đã được dự báo và vì thế những kết quả phân tích dòng công suất dựa trên sự phân phối tải này phù hợp với những phép đo Chú ý với thủ tục giả sử này mà những phép đo được hoàn chỉnh Những phép đo theo thời gian thực trở nên có sẳn, những phương pháp tổng quát thì cần thiết để làm chính xác hơn tải phân phối đã dự báo

SE là công cụ phân tích đánh giá tốt một điểm vận hành được cho bởi một số bộ phép đo Hiện tại, có những đánh giá trạng thái dựa vào mức truyền tải và những phương pháp này đã được mở rộng cho đánh giá trạng thái trong hệ thống phân phối Để đánh giá tốt thì đánh giá trạng thái cần những phép đo điện áp, dòng điện và công suất trong thời gian thực từ những điểm khác nhau dọc theo đường dây SE có thể kiểm tra tính hợp lý của những tải đã dự báo và cần phải hiệu chỉnh để cải thiện độ chính xác của dữ liệu tải

Bên cạnh cung cấp độ tin cậy dữ liệu tải thời gian thực cho những chức năng tự động đường dây, SE cũng có thể sử dụng để kiểm tra tính chính xác của những phép đo và mô hình mạng lưới và từ đó cung cấp những chức năng theo dõi theo thời gian thực sau:

Theo dõi trạng thái SW1

: Bởi vì hầu hết những SW trong hệ thống phân phối thao tác bằng tay và không được đo từ xa, SE có thể giúp người vận hành cập nhật thông tin hệ thống (lưới hình học) bằng cách kiểm tra những thay đổi trạng thái trên các SW

Để minh chứng, xét một đường dây hình tia nhỏ (hình 1.1) Như chứng minh trong hình 1.1, chúng ta có thể xác định vùng cho mỗi SW trong đường dây hình tia: đó là một phần đường dây giữa các SW với nhau Tương tự những

1 SW: Switch

Trang 25

máy đo được đặt trên đường dây chia đường dây thành những vùng máy đo cũng được minh chứng trong hình 1.1

Hình 1.1 Vùng SW và vùng máy đo

Bằng cách sử dụng SE thì tải tổng trên mỗi vùng SW có thể được ước lượng chính xác, ví dụ như 20% Khi trạng thái SW thay đổi, ví dụ như SW2 trong hình 1.1 mở, phép đo từ m0 sẽ thay đổi và sự thay đổi này xấp xỉ bằng tải tổng trong vùng SW2 Bởi vì trước khi chuyển mạch SE có sự đánh giá tốt tải này bằng cách so sánh giá trị này với những thay đổi trong phép đo chúng ta có thể kiểm tra rằng đích thực nó đã chuyển mạch SW2 đó là nguyên nhân sự thay đổi trong phép đo m0 Loại này của việc kiểm tra trước sau như một có thể dễ dàng dùng để tổng quát hóa việc kiểm tra những thay đổi trạng thái SW trong đường dây

Vị trí sự cố: Dữ liệu tải phân phối trước và sau sự cố từ SE có thể sử dụng

để nhận dạng thiết bị bảo vệ (cầu chì hoặc recloser) được vận hành để cách

ly sự cố Để chúng minh giải thuật, xét lại hình 1.1 và giả sử rằng sự cố xảy

ra trong vùng SW2 và SW2 mở để cách ly sự cố Vì lúc đầu không biết SW nào mở, vị trí sự cố nên kiểm tra trạng thái chuyển mạch của SW2 Vì thế, các thủ tục trên xác định đúng trạng thái SW nào đã mở để cách ly sự cố

Theo dõi hoạt động của những thiết bị điều khiển: Bất kỳ sự thay đổi trạng

thái nào của bộ tụ, điện áp ổn định của máy biến áp, … cũng sẽ ảnh hưởng đáng kể đến vận hành của đường dây Bằng cách đo các đại lượng xấp xỉ

Trang 26

trên đường dây, SE có thể kiểm tra trạng thái thay đổi của những thiết bị này Ví dụ như trong đường dây hình 1.1, chúng ta có thể kiểm tra sự đóng cắt của các bộ tụ bằng cách sử dụng máy đo m2 Vì khi đóng cắt các bộ tụ thì phép đo dòng công suất phản kháng của m2 sẽ thay đổi một lượng bằng với dung lượng đóng cắt của bộ tụ

c Đặt máy đo cho ước lượng trạng thái

Mục đích chính của việc đặt máy đo là xác định số lượng, loại, vị trí cần đặt máy

đo trên đường dây mà dự báo tải dựa vào những máy đo này sẽ được kết quả như mong muốn Tuy nhiên, như đã chỉ ra ở phần trước, sự xem xét về chi phí thường giới hạn số lượng máy đo được đặt trên đường dây phân phối thường ở dưới mức tối thiểu cần thiết cho dự báo tải (hệ thống không được theo dõi chặt chẽ chỉ dựa vào những máy đo này) Để theo dõi, dự báo tải cần thiết phải thêm vào những phép đo bằng dự đoán Vì vậy mục đích chính của việc đặt máy đo trong những hệ thống phân phối trở thành dự báo dữ liệu tải với những phép đo trong thời gian thực mà dự báo tải với những phép đo này sẽ thỏa mãn yêu cầu trên

Đặt máy đo là một vấn đề phức tạp Điều này không chỉ do kích thước của vấn đề (số lựa chọn cho phép) mà còn thường là do mâu thuẩn những yêu cầu giữa SE và chi phí cần thiết cho hệ thống máy đo để đạt được như mong muốn Ở đây sự phát triển cách tiếp cận heuristic dựa trên những nhận xét sau:

Nhận xét 1: Bởi vì những chức năng tự động bổ sung thường được ưu tiên như mô tả trong phần trên Chúng ta không đánh giá tất cả các đại lượng có độ chính xác bằng nhau Ví dụ như, dựa trên những yêu cầu trong những phần trước, dòng công suất tại vị trí chuyển mạch cần được đánh giá chính xác hơn những tải riêng lẻ bởi vì dữ liệu tại những vị trí chuyển mạch thì cần thiết cho chuyển tải và công suất tại những tải riêng rẽ thì chủ yếu dùng cho theo dõi tải và điều khiển điện áp và công suất phản kháng thì có ảnh hưởng giới hạn thấp hơn chuyển tải đường dây trong sự phân phối tự động Vì vậy đặt những máy đo tại những vị trí chuyển mạch là lựa chọn tốt hơn bởi vì điều này sẽ đảm bảo đánh giá chính xác nhất dòng công suất qua điểm này

Trang 27

Nhận xét 2: Người ta đã nhận thấy rằng ước lượng trạng thái sử dụng những phép

đo từ những máy đo để “hiệu chỉnh” tải trong những vùng xác định bằng những máy đo này đối với đường dây hình tia Do đó đặt những máy đo như là cách mà người ta chia đường dây thành những vùng máy đo với tổng tải phân phối của các vùng tương đương nhau sẽ đảm bảo rằng ước lượng tải giống nhau Tất cả những tải sẽ được ước lượng với độ chính xác bằng nhau Tương tự, tải trong vùng máy

đo nhỏ hơn thì độ chính xác ước lượng cao hơn

Nhận xét 3: Do quan tâm về chí phí, hầu hết những máy đo trên đường dây là loại dòng điện thay vì là loại công suất ngoại trừ những phép đo tại đầu cuối của đường dây

Phương pháp đưa ra thỏa mãn cả về độ chính xác lẫn tính toán đơn giản, nó không được giải quyết tối ưu nhưng nó tính toán đơn giản Phương pháp chọn cả loại và vị trí máy đo và cố gắng cải thiện độ chính xác của dữ liệu cần thiết cho cả chuyển tải đường dây và điều khiển điện áp và công suất phản kháng Sơ đồ máy đo được đưa ra bằng phương pháp này là sơ đồ máy đo cơ bản Chú ý rằng phương pháp này đặc biệt thích hợp cho lưới hình tia

d Giới hạn máy đo

Vì trong đường dây vận hành, dữ liệu cần thiết cho chuyển tải đường dây được xem như quan trọng hơn dữ liệu tải phân phối, có thể khó chấp nhận khi đặt tất cả những máy đo Để giúp người sử dụng loại bỏ một số máy đo từ sơ đồ máy đo cơ bản Baran sử dụng phương pháp của Koglin để giới hạn những máy đo này Sự giới hạn là biểu thị những máy đo được loại bỏ

Giới hạn máy đo dựa trên sự cung cấp độ chính xác của phép đo các đại lượng mà chúng ta muốn đánh giá được gọi là đại lượng quan tâm y Ví dụ như, với chức năng chuyển tải thì dòng điện tại vị trí chuyển mạch là đại lượng quan tâm Cho

sơ đồ máy đo z, chúng ta có thể sử dụng SE để đánh giá những đại lượng quan tâm này và chúng có thể được diễn đạt bằng thuật ngữ là biến trạng thái hệ thống

x (thường chọn là biên độ điện áp nút hoặc góc pha)

Trang 28

i i

Độ chính xác mà SE sẽ đánh giá những đại lượng này có thể diễn đạt bằng thuật

ngữ là biến của những đại lượng này

i

2 y

σ , i = 1 k Để tính những biến này, chúng ta giả sử rằng sai số những phép đo bình thường là

i i

i h ( x ) e

Trong đó hi(x) là những chức năng máy đo xác định những phép đo zi của trạng

thái x, và ei là sai số phép đo Ma trận hiệp biến của những đại lượng quan tâm

có thể tính:

(1.11) T

1 1 T

y F ( H R H ) F

Trong đó: H là ma trận Jacobian của những chức năng máy đo

F là ma trận Jacobian của những hàm của các đại lượng quan tâm, f(x)

R là ma trận hiệp biến đường chéo chứa những biến của những

phép đo z

2 iσ

i, i = 1 m Những biến nằm trên đường chéo của ma trận hiệp biến Ry Biến có thể

được tính bằng cách sử dụng độ chính xác của phép đo là a

i

2 y

iσ

zi, từ công thức:

% 100 ).

z / 3 ( (%)

Chú ý rằng sự thay đổi của đại lượng càng nhỏ thì độ chính xác khi đánh giá các

đại lượng quan tâm càng cao Vì thế chỉ số chính xác của hệ thống được định

nghĩa là

(1.13)

∑

=σ

= k1 i

2

yi( z ) )

z ( a

Và sử dụng chỉ số này để giới hạn những phép đo trong tập máy đo cơ bản z0 Để

xác định giới hạn những phép đo trong z0 chúng ta loại bỏ từng phép đo trong tập

này như sau Đầu tiên những phép đo được lấy ra lần lượt từng phép đo từ danh

sách máy đo có sẳn và kết quả làm thay đổi a(z) Phép đo nào làm a(z) thay đổi

Trang 29

ít nhất được loại bỏ khỏi bộ máy đo và sự loại bỏ lặp lại cho đến khi loại bỏ tất cả các máy đo có thể loại bỏ và đó là sự giới hạn

Người sử dụng có thể sử dụng giới hạn này để giảm máy đo và đạt tối ưu giữa kỹ thuật và kinh tế, đối với sơ đồ máy đo cơ bản là tốt nhất nhưng chi phí sẽ cao nhất Một khi loại bỏ bớt những máy đo thì chi phí sẽ giảm nhưng làm cho sự thay đổi của sẽ lớn hơn Sau khi chọn cắt giảm sơ đồ máy đo,ước lượng trạng thái dựa trên mô phỏng có thể đánh giá việc thực hiện cắt giảm bộ máy đo

i

2

y

σ

Nhận xét: Phương pháp này quan tâm đến vấn đề theo dõi đường dây trong thời

gian thực Vấn đề đặt máy đo chỉ quan tâm đến các vị trí đặt các máy cắt để theo dõi dòng công suất qua những điểm này để chuyển tải và cách ly sự cố, điều khiển điện áp và dung lượng bù công suất phản kháng Phương pháp này chưa quan tâm đến theo dõi dòng công suất trên các nhánh đường dây

3 Đặt máy đo bằng phương pháp heuristic cho dự báo tải

Đặt máy đo bằng phương pháp heuristic cho dự báo tải [18] được nhóm tác giả Haijun Liu, David Yu và Hsiao-Dong Chiang đưa ra năm 2002 Nhóm tác giả trình bày phương pháp heuristic cho việc tối ưu hóa vị trí máy đo để dự báo tải trong hệ thống phân phối Cách tiếp cận là tìm vị trí đặt máy đo thích hợp cho dự báo tải Phương pháp đặt máy đo được thực hiện theo hai giai đoạn Trong giai đoạn đầu, những máy đo được đặt sử dụng phương pháp heuristic Trong giai đoạn hai, tính khoảng độ tin cậy xác định nếu những máy đo cho những kết quả thỏa mãn khi tải thay đổi từ min đến max Phương pháp đặt máy đo cho dự báo tải có thể dễ dàng mở rộng để đặt những máy đo cho ước lượng trạng thái (SE) Cho mục đích dự báo tải và ước lượng trạng thái, những máy đo được đặt trong hệ thống phân phối Với mong muốn là đặt máy đo ít nhất nếu có thể dưới những ràng buộc của những yêu cầu tự động Do đặc điểm của hệ thống phân phối, có cấu trúc hình tia hoặc gần như hình tia và hệ thống rất lớn, đây là một nhiệm vụ phức tạp để giải quyết trực tiếp bằng chương trình có giải thuật bình thường Hơn thế nữa, có một số điều kiện thực tế mà không dễ trình bày bằng toán học Đây là điều dẫn đến sự kết luận rằng phương pháp heuristic là sự lựa chọn tốt hơn

Trang 30

Phương pháp đặt máy đo cho dự báo tải tiếp cận theo hai giai đoạn Những bước

cơ bản của giai đoạn thứ nhất như sau:

 Bước 1 Phân tích dòng công suất bằng cách sử dụng những tải nhỏ nhất ở

ngõ vào Kết quả những dòng công suất nhánh là số liệu đọc từ máy đo cho dự báo tải

 Bước 2 Đi ngược từ nút lá đến nút gốc và sử dụng kết quả lấy được từ bước

1 để dự báo những tải lớn nhất Tùy thuộc vào sai số dự báo tải, máy đo được đặt tại đó hoặc là dự báo tải tiếp tục đi lên nhánh trên

 Bước 3 Sau khi máy đo được đặt, đi lên nhánh trên và kết quả đọc từ máy

đo được cập nhật và loại bỏ nhánh đã đặt máy đo

Trong giai đoạn 2, khoảng tin cậy được tính bằng cách sử dụng những máy đo đã đặt trong giai đoạn 1 khi mà tải thay đổi giữa min và max Nếu những máy đo cho khoảng tin cậy thỏa mãn thì việc đặt máy đo hoàn thành Nếu không cần phải quay lại giai đoạn 1 để đặt những máy đo với tiêu chuẩn chặt chẽ hơn Giai đoạn

2 lặp lại cho đến khi đạt đến độ tin cậy

a Vấn đề đặt máy đo cơ bản

Mục đích chính của việc đặt máy đo là xác định bộ máy đo tối thiểu mà nó giữ chi phí cho hệ thống máy đo tối thiểu trong khi vẫn thỏa mãn độ chính xác dự báo tải yêu cầu Giả sử z0 là bộ phép đo trong thời gian thực, yêu cầu độ chính xác cho dự báo tải tại nút i có thể biểu diễn bằng sai số của dự báo tải, sai số của dự báo tại nút i với z0 được định nghĩa

EstimationLoad ActualLoad

x100%

ActualLoad

− Vấn đề tối ưu hóa có thể được hình thành như sau:

Trang 31

Trong đó z là sơ đồ máy đo, β là giới hạn trên của sai số, PLvà QL là công suất

thực và công suất phản kháng tương ứng, σ là độ lệch tiêu chuẩn của những tải, k

là số nút tải được dự báo bằng máy đo

b Giải thuật đặt máy đo bằng heuristic

Giai đoạn 1

Cho một hệ thống phân phối hình tia bắt đầu đi từ nút lá di chuyển về nút gốc,

những tải tại những nút được ước lượng từng tải theo dòng công suất trên nhánh

Bởi vì số liệu đọc từ máy đo không có sẳn cho những hệ thống mới, kết quả phân

tích dòng công suất có thể sử dụng làm dữ liệu máy đo Nếu kết quả ước lượng

được chấp nhận, bước tiếp theo đi lên trên một nhánh Nếu không bước tiếp theo

sẽ đi trở xuống một nhánh và đặt máy đo lên nhánh đó Sau khi máy đo được đặt,

những tải trên nhánh này được biết, vì thế tất cả những nhánh nối vào nhánh này

được loại bỏ khỏi hệ thống Giải thuật này lặp lại cho đến khi chạm đến đường

dây chính

Trong cách tiếp cận đặt máy đo này, dự báo tải dựa trên thông tin có sẳn trong hệ

thống phân phối với hoặc là dung lượng máy biến áp (TC) hoặc là đồ thị phụ tải

trung bình (ACDC) tại mỗi nút i Để đặt máy đo lên hệ thống đã có, ACDC

thường có sẳn Để đặt máy đo lên hệ thống mới thì sử dụng TC

Giai đoạn đầu tiên có ba bước chính:

 Bước 1 Phân tích dòng công suất nhận được giá trị đọc từ máy đo (Pm) với

tải là (TC - σ)

 Bước 2 Dự báo tải (với ngõ vào (TC + σ)) và đặt máy đo

Phương trình dự báo tải tại nút i là:

σ +

−

=

∑

= N 1 i

i

i m

, loss m i

) TC (

) TC ( ) P P (

Trang 32

Ở đây, Ploss,m là tổn hao công suất tác dụng, kết hợp với giá trị dòng công suất máy đo

 Bước 3 Cập nhật Pm

Sau khi máy đo đã được đặt, những nhánh bên dưới được loại bỏ, bởi vì tất cả những tải phía sau máy đo này được biết bằng cách đọc dữ liệu từ máy đo và kết quả dự báo tải

Tất cả những new khác sẽ là

mP

Đi lên một nhánh

Quay lại đặt máy đo

Loại bỏ nhánh phụ

Dừng

Đúng

Đúng Sai

Sai

Hình 1.2 Lưu đồ giải thuật đặt máy đo bằng heuristic

Trang 33

Giai đoạn 2

Tiêu chuẩn sử dụng để đặt máy đo nằm trong bước 2 của giai đoạn 1 xác định cho những tải TC + σ Sai số dự báo tải thật sự thì lớn hơn bởi vì những tải thay đổi giữa Khoảng tin cậy cho sai số dự báo tải thấp hơn nβ có thể được xác định khi tải thay đổi giữa

Nhận xét: Phương pháp đặt máy đo này thì máy đo được đặt từ nút lá cho đến

nút gốc với giá trị đọc từ máy đo lấy được bằng cách phân tích dòng công suất khi cho tải là (TC - σ) và giá trị phụ tải dự báo khi cho tải là (TC + σ) Nhưng giá trị phụ tải trên thực tế không cố định mà luôn biến đổi Cho nên khi đặt máy đo phải cho tải thay ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình để kiểm tra lại điều kiện Phương pháp này chưa đề cập đến quy luật biến đổi của phụ tải Những phụ tải thường dao động quanh giá trị đồ thị phụ tải của nó

Nhìn chung các phương pháp đặt máy đo trước của M E Baran việc tính toán rất phức tạp Chỉ có phương pháp của Hajun Liu dựa trên phương pháp heuristic nên việc tính toán có đơn giản hơn Do đó trong luận văn này để cho tính toán đơn giản phương pháp đặt máy đo cũng dựa trên cơ sở phương pháp heuristic

V Phương pháp tiếp cận của luận văn

Để đạt được mục tiêu đã đặt ra chúng ta đưa ra một phương pháp xác định điểm

đo trong hệ thống phân phối như sau Phương pháp đặt máy đo này dựa trên những dữ liệu đã có như: đồ thị phụ tải, loại tải (chiếu sáng sinh hoạt, dịch vụ hay công nghiệp) và công suất trung bình tại các nút tải Những thông số này có thể dễ dàng có được từ những công ty điện Trong một mạng điện hình tia máy đo

Trang 34

được đặt bắt đầu tại nút gốc của lưới, số liệu đọc được từ máy đo là Pm Số liệu này dùng để ước lượng dòng công suất nhánh Pi tại các nhánh còn lại phía sau nút đặt máy đo

Lấy phần trăm sai số giữa các giá trị Pi vừa tìm được với giá trị tải thực của hệ thống (tính theo từng giờ)

Sau đó tìm vị trí để đặt máy đo sao cho khi máy đo đặt vào thì sai số ước lượng dòng công suất nhánh giảm nhiều nhất đó là vị trí đặt máy đo tối ưu

Sau khi đặt máy đo ta sẽ chia hệ thống thành hai hệ thống nhỏ hơn (về mặt lý thuyết còn trên thực tế thì hệ thống không được cắt ra) Tiếp tục đặt máy đo tại các nút gốc và ước lượng các dòng công suất nhánh còn lại Lúc này các dòng công suất nhánh được ước lượng chính xác hơn bởi vì số liệu từ mỗi máy đo ước lượng cho số dòng công suất nhánh ít hơn Cứ tiếp tục như thế cho đến khi thỏa mãn điều kiện đặt ra

Có hai cách xác định điều kiện cho phương pháp Nếu trong điều kiện thực tế giới hạn về kinh tế thì chúng ta giới hạn số lượng máy đo để tìm vị trí đặt những máy đo này sao cho tối ưu nhất có nghĩa là có sai số ước lượng dòng công suất nhỏ nhất nếu có thể Nếu trong điều kiện thực tế cần độ chính xác của ước lượng dòng công suất các nhánh đến khoảng sai số cho phép β đã định trước thì chúng

ta xác định số lượng máy đo cần đặt và vị trí đặt những máy đo này sao cho số lượng máy đo cần đặt là nhỏ nhất nếu có thể

Phương pháp này được phát triển dựa trên phương pháp đặt máy đo bằng heuristic Việc đặt máy đo đi từ nút gốc đến nút lá và bắt đầu với số lượng máy

đo ít nhất nên thuận lợi hơn trong việc bổ sung một số máy đo vào hệ thống máy

đo đã có sẳn Phương pháp cũng bổ sung thêm một số vấn đề như đồ thị tải ngày cho từng loại tải nhằm để ước lượng dòng công suất nhánh được chính xác hơn

Trang 35

CHƯƠNG 2 GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐO

I MÔ TẢ BÀI TOÁN

II XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG

DÒNG CÔNG SUẤT NHÁNH

III VỊ TRÍ ĐẶT MÁY ĐO

IV VÍ DỤ THỬ NGHIỆM

V KẾT LUẬN

Trang 36

Chương 2: Giải thuật xác định điểm đo

I Mô tả bài toán

Trong một lưới điện phân phối cấu hình hình tia có rất nhiều phụ tải và những phụ tải này luôn luôn thay đổi theo thời gian Có những phụ tải biến đổi nhiều, có những phụ tải ít biến đổi nhưng nhìn chung tất cả các phụ tải dao động xung quanh giá trị trung bình của nó Một số phụ tải ít biến đổi theo từng giờ trong ngày nhưng đa số các phụ tải có giá trị trung bình biến đổi theo từng giờ trong ngày theo đồ thị phụ tải của nó Do đó để đạt độ chính xác cao của bài toán ước lượng dòng công suất nhánh thì bài toán này sẽ thực hiện theo từng giờ trong ngày Giả sử tất cả các tải trong lưới phân phối đều thuộc một trong ba loại tải chiếu sáng sinh hoạt, công nghiệp và dịch vụ Các đồ thị phụ tải ngày tương ứng của ba loại phụ tải như sau:

 Đồ thị phụ tải chiếu sáng sinh hoạt

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

100 80 60 40 20 0

Công suất

t

P Q

Hình 2.1 Đồ thị phụ tải loại chiếu sáng sinh hoạt

 Đồ thị phụ tải công nghiệp

100 80 60 40 20 0

Công suất

t

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

P Q

Hình 2.2 Đồ thị phụ tải loại công nghiệp

Trang 37

 Đồ thị phụ tải loại dịch vụ

100 80 60 40 20 0

Công suất

t

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

P Q

Hình 2.3 Đồ thị phụ tải loại dịch vụ

Đối với lưới điện đã có thì các đồ thị phụ tải của các tải có sẳn được lấy từ những công ty cung cấp điện Còn đối với lưới đang thiết kế thì đồ thị phụ tải của các tải là đồ thị phụ tải dự kiến trong thiết kế

1 Ảnh hưởng của điểm đo đến độ chính xác của hệ thống đo lường

Điểm đo trong hệ thống phân phối cũng đóng vai trò rất quan trọng Độ chính xác của hệ thống máy đo giúp cho hệ thống ra quyết định trong những trường hợp khẩn cấp như quá tải, ngắn mạch, … được chính xác hơn nếu như hệ thống điện phân phối được trang bị hệ thống chuyển tải tự động Nếu như hệ thống điện chưa được trang bị tự động thì dữ liệu máy đo giúp cho nhân viên vận hành có quyết định chính xác trong những trường hợp như trên Người vận hành có thể chuyển tải, cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện được thuận lợi hơn Nếu như hệ thống đo lường có sai số lớn thì người vận hành cũng như hệ thống tự động không xác định đúng trạng thái của lưới điện hiện tại thậm chí không phát hiện được sự cố để chuyển tải kịp thời hoặc tác động sai gây ảnh hưởng đến chất lượng cung cấp điện

Vậy để hệ thống đo lường được chính xác thì tốt nhất là tại mỗi phụ tải đều phải đặt máy đo nên đòi hỏi số lượng máy đo rất lớn, chi phí cho hệ thống máy đo rất cao nên không khả thi Nếu đặt máy đo tại các phát tuyến thì không khảo sát được sự biến đổi của dòng công suất trên từng nhánh riêng rẽ Vậy với số lượng

Trang 38

máy đo cho trước chúng ta sẽ tại vị trí nào trên một lưới điện cho trước để sai số

của hệ thống đo nhỏ nhất Hoặc với một sai số của hệ thống đo cho trước thì số

lượng máy đo cần đặt lên hệ thống là bao nhiêu và tại vị trí nào là tối ưu

2 Ảnh hưởng của số lượng máy đo lên phương pháp ước lượng dòng công

suất nhánh

Xét một đường dây phân phối hình tia như hình vẽ 2.4:

Vùng máy đo là vùng đường dây từ vị trí máy đo đến vị trí máy đo kế tiếp

m 2 0

Hình 2.4 Vùng máy đo trên đường dây phân phối hình tia

Nếu dùng một máy đo m0 đặt tại nút gốc thì vùng của máy đo m0 là toàn bộ

đường dây Từ một số liệu máy đo này chúng ta phải xác định tất cả những dòng

công suất nhánh Pni (i =1 ÷ 8)

Nếu như ta đặt thêm hai máy đo m1 và m2 như hình vẽ Như vậy từ số liệu máy

đo m2 ta xác định các Pni (i =6 ÷ 8), số liệu từ máy đo m1 ta xác định các Pni (i =3

÷ 5), còn lại số liệu từ máy đo m0 ta chỉ cần xác định Pn1 và Pn2 Vùng của máy đo

càng thu hẹp lại nếu ta đặt thêm những máy đo và số lượng dòng công suất nhánh

cần xác định từ mỗi máy đo càng giảm đi Do đó ước lượng dòng công suất nhánh

sẽ được chính xác hơn

II Xây dựng phương pháp ước lượng dòng công suất nhánh

Xét một đường dây phân phối hình tia đơn giản như hình vẽ 2.5:

Nếu xét tại một thời điểm ta có các Pi là các giá trị trung bình phụ tải tại nút thứ i

Các tải Pi dao động quanh giá trị trung bình này ta có được các giá trị tải thực

Dựa vào phương pháp phân tích dòng công suất ta nhận được dòng công suất thực

trên nhánh thứ i Giả sử đặt máy đo tại nút gốc thì:

th i

P

th ni

Trang 39

Trong đó th là công suất đọc từ máy đo khi tải là các giá trị thực tế

Hình 2.5 Đường dây phân phối hình tia

Khi cho các tải Pi dao động quanh giá trị trung bình của nó n lần (n mẫu) Ta lấy

được:

n

P P

n 1 j

th nij th

n 1 j

th mdj th

Các giá trị là các giá trị chưa biết, ta chỉ biết được giá trị đo thực tế Vậy

ta cần ước lượng các giá trị

m ni

m niP

th TBmd

th TBni th md m niP

P P

Trang 40

III Vị trí đặt máy đo

Kết quả khảo sát cho thấy các máy đo trong cùng một hệ thống phụ thuộc nhau

Điều này có nghĩa là những máy đo phải được đặt tại những vị trí thích hợp trong

hệ thống Nếu không sẽ dẫn đến việc dư thừa máy đo không kinh tế Để máy đo

được đặt trong hệ thống tại những vị trí có lợi nhất thì khi đặt máy đo phải xét

tổng thể trên toàn hệ thống Nếu đặt máy đo đi từ nút lá đến nút gốc thì chỉ xét

được sai số ước lượng trạng thái cục bộ trên từng nhánh Do đó giải thuật này

chọn phương pháp đặt máy đo đi từ nút gốc đến nút lá và quan tâm nhiều đến

dòng công suất trên các nhánh chính, ít quan tâm hơn dòng công suất trên các

nhánh rẽ và nhánh cuối của đường dây vì những dòng công suất nhánh này ít ảnh

hưởng đến trạng thái vận hành của hệ thống

Sau khi xác định ta lặp lại phương pháp ước lượng và tìm sai số cho n mẫu

ngẫu nhiên ta có được (j = 1 ÷ n)

iσijσ

Ta có được sai số trung bình của nhánh thứ i trong n mẫu

n ij

j 1 in

=

σ

(2.6) i

σ được tính theo từng giờ trong ngày nên ta có được σ (k = 1 ÷ 24) ik

Xác định sai số lớn nhất cho từng σ i

i max max ik

Bắt đầu đi từ nút gốc đến nút lá tìm vị trí có σi max > β để đặt máy đo Sau đó

kiểm tra lại sai số nếu thỏa mãn điều kiện thì máy đo được đặt Nếu chưa thỏa

mãn điều kiện thì di chuyển máy đo xuống một nhánh Tiếp tục thực hiện cho

đến khi thỏa mãn điều kiện đặt ra Nếu trong quá trình di chuyển máy đo mà sai

số ước lượng những dòng công suất nhánh trên những nhánh phía sau vi phạm

điều kiện thì quay trở lại đặt máy đo và yêu cầu phải bổ sung thêm máy đo

Lưu đồ giải thuật như hình 2.6

Định dạng
Số trang	131
Dung lượng	1,48 MB