Ứng dụng phần mềm PSSE vào vận hành, qui hoạch và đầu tư lưới điện cao thế TP HCM

TÓM TẮT Mục đích của đề tài là sử dụng phần mềm PSS/E xây dựng chương trình tính toán trào lưu công suất cho lưới điện truyền tải khu vực TP.HCM.. Xây dựng chương trình phân bổ trào lưu

MAI THANH TUẤN

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSS/E VÀO VẬN HÀNH, QUI HOẠCH VÀ ĐẦU TƯ LƯỚI ĐIỆN

MAI THANH TUẤN

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSS/E VÀO VẬN HÀNH, QUI HOẠCH VÀ ĐẦU TƯ LƯỚI ĐIỆN

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PSG.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 12 tháng 03 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT

Họ và tên Chức danh Hội đồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được hiệu chỉnh theo góp ý

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN

PGS.TS Quyền Huy Ánh

_ _

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 8 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Mai Thanh Tuấn Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 13/04/1975 Nơi sinh: Tỉnh Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện MSHV: 1441830028

I- Tên đề tài: Ứng dụng phần mềm PSS/E vào vận hành, qui hoạch và đầu tư lưới điện cao thế TP.HCM

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tham khảo tài liệu (sách, báo, tạp chí và tài liệu có liên quan)

- Tìm hiểu phần mềm PSS/E

- Thu thập số liệu, xây dựng sơ đồ kết lưới của khu vực TP.HCM

- Cập nhật các thông số nguồn, đường dây, trạm và mô hình hóa trên phần mềm PSS/E

- Xử lý số liệu, mô phỏng tính toán phân bố công suất lưới điện TP.HCM

- Phân tích kết quả thu được về các thông số nút và nhánh, so sánh đối chiếu thực tế và đề xuất ứng dụng

III- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2015

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 31/12/2015

V- Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS TS Nguyễn Thanh Phương

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS TS Nguyễn Thanh Phương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Mai Thanh Tuấn

LỜI CÁM ƠN Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thanh Phương đã tận

tình hướng dẫn, hổ trợ tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn quý Thầy/Cô trong Phòng Quản lý khoa học và đào tạo sau đại học và quý Thầy/Cô tham gia giảng dạy trong niên khóa 14SMD11 đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện tại Trường Đại Học Công Nghệ TP HCM

Tôi xin cảm ơn quý Thầy/Cô trong Hội đồng đánh giá Luận văn đã nhiệt tình góp ý chỉnh sửa để luận văn được hoàn chỉnh hơn

Tôi xin cảm ơn các anh chị học viên và các đồng nghiệp đã hổ trợ và đóng góp

ý kiến để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Chân thành cảm ơn và trân trọng!

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Mai Thanh Tuấn

TÓM TẮT

Mục đích của đề tài là sử dụng phần mềm PSS/E xây dựng chương trình tính toán trào lưu công suất cho lưới điện truyền tải khu vực TP.HCM Kết quả cuối cùng đã được kiểm chứng thông qua chương trình mô phỏng là phần mềm PSS/E Cũng trên cơ sở phần mềm này chúng ta cũng đánh giá được khả năng cung cấp điện của lưới điện TP.HCM

Tính toán phân bố công suất là bài toán quan trọng để xác định chế độ vận hành tốt nhất trong mọi tình huống của lưới điện hiện hữu và phục vụ qui hoạch, phát triển hệ thống điện trong tương lai Việc lựa chọn và xây dựng chương trình PSS/E cho lưới điện TP.HCM là phù hợp với hệ thống điện Việt Nam hiện nay và tương thích với các trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia (A0) và các điều độ miền (A1, A2, A3)

Đề tài bao gồm 5 chương, giới thiệu về cơ sở lý thuyết và giải quyết được các vấn đề sau:

- Tìm hiểu về hệ thống điện TP.HCM, các mối quan hệ với hệ thống điện miền và hệ thống điện quốc gia

- Giới thiệu cơ sở lý thuyết về phân bố trào lưu công suất, tìm hiểu về các thuật toán và phương pháp lặp Gauss – Seidel, Newton – Raphson

- Tìm hiểu về cách sử dụng phần mềm PSS/E

- Thu thập cơ sở dữ liệu của hệ thống điện TP.HCM, Miền Nam và các thông số hệ thống của hệ thống điện quốc gia Xây dựng chương trình phân bổ trào lưu công suất cho lưới điện TP.HCM, thiết lập sơ đồ một sợi, cập nhật cơ sở dữ liệu của hệ thống điện vào chương trình

- Thực hiện mô phỏng, phân tích kết quả mô phỏng và rút ra kết luận của

đề tài

ABSTRACT

The purpose of this essay is to use the software PSS/E construction program power flow calculation for regional transmission grid HCMC The end result was verified through simulation program is software PSS/E Also on the basis of this software we evaluated the ability of the grid, the power supply HCMC

The program power flow calculation is an important problem to determine the best operating mode in every situation of the existing grid and for planning and development of the power system in the future The selection and construction program PSS/E for HCMC grid system is in line with Vietnam's current electricity and is compatible with the National Load Dispatch Centre (A0) and the regional Load Dispatch Centre (A1, A2, A3)

The essay include five chapters, introduces the theory and address the following issues:

- Learn about the power system HCMC, the relationship with the regional electrical system and the national electrical system

- Introduction to the theoretical basis of program power flow, learn about algorithms and iterative methods Gauss - Seidel, Newton - Raphson

- Learn how to use the software PSS/E

- Collect data base of power system HCMC, Southern and system parameters of the national electricity system Construction program power flow of HCMC, setting a single diagrams, database update of the electrical system in the program

- Perform simulation, analysis and simulation results to draw conclusions

of the thesis

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ĩ CHƯƠNG 1:MỞ ĐẦU 1

1.1.Tổng quan về đề tài: 1

1.1.1.Hướng nghiên cứu của đề tài: 1

1.1.2.Tầm quan trọng của việc lựa chọn PSS/E để tính toán phân bố công suất: 1 1.2.Tính cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn của đề tài: 5

1.3.Phạm vi nghiên cứu của đề tài: 6

1.4.Phương pháp nghiên cứu của đề tài: 6

CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT 7

2.1.Giới thiệu chung: 7

2.2.Khảo sát phân bố công suất dùng ma trận Ybus bằng phép lặp Gauss – Seidel: 7 2.3.Khảo sát phân bố công suất dùng ma trận Zbus bằng phép lặp Gauss – Seidel: 10

2.4.Phân bố công suất dùng phương pháp Newton – Raphson: 12

CHƯƠNG 3:NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM PSS/E 14

3.1.Giới thiệu chung: 14

3.1.1.Giao diện phần mềm: 14

3.1.2.Cách tạo 1 chế độ làm việc của hệ thống điện (Working case): 15

3.1.3.Dữ liệu vào của các thiết bị cơ bản: 16

3.2.Chuyển các thông số của hệ thống điện sang đơn vị tương đối: 17

3.3.Mô hình các phần tử trong PSS/E: 18

3.3.1.Đường dây: 18

3.3.2.Máy biến áp 2 cuộn dây: 19

3.3.3.Máy biến áp 3 cuộn dây: 21

3.3.4.Máy phát: 25

3.3.5.Thiết bị bù (kháng, tụ): 25

3.4.Nhập dữ liệu vào PSS/E: 26

3.4.1.Các thông số nút (Bus): 26

3.4.2.Các thông số của nhà máy (Plant): 27

3.4.3.Các thông số của máy phát (Machine): 28

3.4.4.Các thông số của phụ tải (Load): 29

3.4.5.Các thông số của thiết bị bù tĩnh (Fixed Shunt): 30

3.4.6.Các thông số của thiết bị bù động (Switched Shunt): 31

3.4.7.Các thông số của đường dây (Branch): 31

3.4.8.Các thông số nhập vào máy biến áp 2 cuộn dây (2 Windings): 32

3.4.9.Các thông số nhập vào máy biến áp 3 cuộn dây (3 Windings): 34

3.5.Chạy chương trình và xem kết quả phân bố công suất: 36

3.5.1.Phương pháp Newton: 36

3.5.2.Phương pháp Gauss: 38

3.5.3.Kết quả chạy được: 39

CHƯƠNG 4:ỨNG DỤNG PSS/E VÀO TÍNH TOÁN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT CHO LƯỚI ĐIỆN TP.HCM 42

4.1.Xây dựng sơ đồ một sợi cho lưới điện: 42

4.2.Thu thập và xử lý thông số nút và nhánh của lưới điện: 43

4.2.1.Thông số trạm biến áp: 43

4.2.2.Thông số nhánh: 46

4.3.Tính toán phân bố công suất: 46

4.3.1.Thông số nút: 47

4.3.2.Thông số máy phát: 47

4.3.3.Thông số tải: 47

4.3.4.Thông số nhánh: 48

4.3.5.Thông số máy biến áp 2 cuộn dây: 48

4.3.6.Thông số máy biến áp 3 cuộn dây: 49

4.4.Trình bày kết quả và kết luận: 51

4.4.1.Kết quả chạy chương trình: 51

4.4.2.Một số cảnh báo: 52

4.4.3.Mô phỏng sự cố n-1: 55

CHƯƠNG 5:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 63

5.1.Kết luận: 63

5.2.Hướng phát triển: 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 142

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 3.1: Giao diện của PSS/E 15

Hình 3.2: Các lựa chọn khi tạo một chế độ làm việc trong PSS/E 16

Hình 3.3: Giao diện bảng nhập dữ liệu trong PSS/E 16

Hình 3.4: Sơ đồ thay thế đường dây 19

Hình 3.5: Sơ đồ thay thế đầy đủ của máy biến áp 2 cuộn dây 20

Hình 3.6: Sơ đồ thay thế của máy biến áp 2 cuộn dây trong hệ tương đối 20

Hình 3.7: Sơ đồ thay thế đầy đủ của máy biến áp 3 cuộn dây 22

Hình 3.8: Sơ đồ thay thế của máy biến áp 3 cuộn dây trong hệ tương đối 23

Hình 3.9: Các thông số nút (Bus) 26

Hình 3.10: Các thông số của nhà máy (Plant) 27

Hình 3.11: Các thông số của máy phát (Machine) 28

Hình 3.12: Các thông số của phụ tải (Load) 29

Hình 3.13: Các thông số của thiết bị bù tĩnh (Fixed Shunt) 30

Hình 3.14: Các thông số của thiết bị bù động (Switched Shunt) 31

Hình 3.15: Các thông số của đường dây (Branch) 31

Hình 3.16: Các thông số nhập vào máy biến áp 2 cuộn dây (2 Windings) 32

Hình 3.17: Các thông số nhập vào máy biến áp 3 cuộn dây (3 Windings) 34

Hình 3.18: Giải bài toán bằng phương pháp Newton 36

Hình 3.19: Giải bài toán bằng phương pháp Gauss 38

Hình 3.20: Bảng kết quả chạy PSS/E ở chế độ xác lập 39

Hình 3.21: Chọn nút cần xem dòng công suất và các thông số của nút 40

Hình 3.22: Các dòng công suất trên các nhánh nối với nút 1 và thông số nút 41

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Trạng thái đóng mở của các đường dây 64

Bảng 2: Thông số các trạm biến áp 74

Bảng 3: Thông số các nhánh 106

Bảng 4: Điện áp của các nút thu được 124

Bảng 5: Công suất phát của các máy phát 141

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan về đề tài:

1.1.1 Hướng nghiên cứu của đề tài:

Lưới điện khu vực TP.HCM nhận nguồn cung cấp từ 2 TBA 500/220/110kV Phú Lâm, Nhà Bè; 6 TBA 220/110kV Hóc Môn, Cát Lái, Tao Đàn, Thủ Đức, Bình Chánh, Củ Chi 2 do Công ty Truyền tải điện 4 quản lý và 3 TBA 220/110kV Bình Tân, Vĩnh Lộc, Hiệp Bình Phước do Tổng công ty Điện lực TP.HCM quản lý Ngoài ra phụ tải của Tổng công ty Điện lực TP.HCM còn được cung cấp nguồn từ TBA 110kV Thủ Đức Bắc do Tổng công ty Điện lực Miền Nam quản lý Lưới điện truyền tải do Tổng công ty Điện lực TP.HCM quản lý là 665km đường dây 110kV (trong đó có 35km cáp ngầm 110kV) và 45km đường dây 220kV (trong đó có 1km cáp ngầm 220kV) cung cấp cho 47 TBA 110kV với tổng dung lượng MBA là 4.969MVA

Công suất hệ thống trung bình ngày là 2.650MW, cao điểm là 3.000MW Sản lượng bình quân 57 triệu kWh/ngày sản lượng điện TP.HCM chiếm khoảng 40% toàn miền nam và 15% của cả nước

Tính toán phân bố công suất là bài toán quan trọng để xác định chế độ vận hành tốt nhất trong mọi tình huống của lưới điện hiện hữu và phục vụ qui hoạch, phát triển hệ thống điện trong tương lai

1.1.2 Tầm quan trọng của việc lựa chọn PSS/E để tính toán phân bố công

suất:

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của công nghệ máy tính đã cho ra đời nhiều phần mềm giúp việc tính toán phân bố công suất dễ dàng hơn như PSS/E, PSS/Adept, Power Word, Matlab…

1.1.2.1 Phần mềm PSS/ADEPT:

PSS/ADEPT (The Power System Simulator / Advanced Distribution Engineering Productivity Tool) là sản phẩm của công ty phần mềm PowerTech Inc

Phần mềm được xây dựng nhằm phục vụ cho các kỹ sư và nhân viên kỹ thuật trong ngành điện, để thiết kế và phân tích lưới điện phân phối Phần mềm này có một số tính năng chính như sau:

- Với giao diện đồ họa trực quan, PSS/ADEPT cho phép người dùng thiết kế,

chỉnh sửa và phân tích sơ đồ lưới và các mô hình lưới điện một cách trực tiếp trên màn hình

- Khả năng tính toán không hạn chế số nút do tận dụng các tính năng quản lý

bộ nhớ rất mạnh của HĐH Window, vấn đề này không phụ thuộc vào khả năng của phần mềm mà phụ thuộc vào cấu hình phần cứng

- Có thể trao đổi dữ liệu với các phần mềm khác cùng chạy trên môi trường

Windows như Excel, Access…

- Các module và tiện ích hỗ trợ của PSS/ADEPT rất đầy đủ cho công tác quản

lý lưới phân phối

* PSS/ADEPT có các module chính như sau:

- Tính toán trào lưu công suất (Load Flow): phân tích và tính toán điện áp,

dòng điện, công suất thực và công suất phản kháng cũng như góc pha trên từng nhánh và từng phụ tải cụ thể

- Tính ngắn mạch (Short Circuit): tính toán ngắn mạch tại tất cả các nút trên

lưới hoặc một nút được chọn, bao gồm các loại ngắn mạch như ngắn mạch 1 pha, 2 pha và 3 pha

- Tính toán khởi động động cơ (Motor Starting Analysis - MSA): tính dòng

điện, điện áp và cho biết độ sụt áp tại tất cả các nút và nhánh trong mạng điện khi khởi động một động cơ trong mạng điện

- Xác định vị trí đặt tụ bù (Optimal Capacitor Placement - CAPO): tìm ra

những điểm tối ưu để đặt các tụ bù cố định và tụ bù ứng động sao cho đạt hiệu quả kinh tế cao nhất

- Phân tích điểm dừng tối ưu (Tie Open Point Optimization - TOPO): tìm ra

những điểm dừng có tổn hao công suất nhỏ nhất trên lưới và đó chính là điểm dừng lưới trong mạng vòng 3 pha

- Phân tích độ tin cậy trên lưới điện (Distribution Reliability Analysis - DRA):

tính toán các thông số độ tin cậy trên lưới điện như SAIFI, SAIDI, CAIFI, CAIDI…

- Phân tích sóng hài (Harmonics): phân tích các thông số và ảnh hưởng của

các thành phần sóng hài trên lưới

* Các tiện ích hỗ trợ

- Line constants: Hỗ trợ người dùng tính toán thông số của đưòng dây dẫn trên

không Nó có giao diện đồ họa cho phép thiết kế sơ đồ hành lang lưới điện

và nhập số liệu về dây dẫn, khoảng cách tương quan giữa các dây, độ võng…

- Cơ sở dữ liệu thiết bị bảo vệ: PSS/ADEPT cung cấp một thư viện thiết bị

bảo vệ rất phong phú dưới dạng tập tin cơ sở dữ liệu Access đầy đủ thông tin của nhiều hãng lớn trên thế giới (Cooper, Bundy, Chance, Westinghouse…) bao gồm recloser, cầu chì và relay

- Công cụ báo cáo: Đây là công cụ hỗ trợ người dùng lập report báo cáo về tất

cả các thông tin liên quan đến lưới điện đang phân tích

1.1.2.2 Phần mềm PowerWorld

PowerWorld® Simulator là chương trình được thiết kế mô phỏng và phân tích hệ thống điện dựa trên giao tiếp đồ họa Chương trình mô phỏng này có thể giải bài toán phân bố công suất cho các hệ thống tới 100.000 nút Dựa trên giao tiếp đồ họa, các thông số các phần tử trong hệ thống có thể được nhập trực tiếp Chương trình đồ họa cho phép người sử dụng quan sát trực tiếp phân bố công suất trên sơ đồ đơn tuyến và có các công cụ để điều độ kinh tế, phân tích các giao dịch kinh tế trong thị trường điện, tính toán hệ số phân bố công suất truyền tải, phân tích ngắn mạch, phân tích sự cố …

Ngoài ra, còn có một số công cụ thêm vào như sau:

- Voltage Adequacy and Stability Tool (PVQV): cho phép người sử dụng phân

tích đặc tính ổn định điện áp của một hệ thống

- Optimal Power Flow Tool (OPF): tính toán cực tiểu hàm chi phí thỏa mãn

các ràng buộc hệ thống sử dụng quy hoạch tuyến tính

- Security Constrained Optimal Power Flow Tool (SCOPF): cũng giống như

OPF nhưng SCOPF xem xét thêm các sự cố có thể xảy ra trong quá trình vận hành và bảo đảm rằng ngoài vấn đề cực tiểu chi phí không để xảy ra tình trạng sự cố mà khôn g có tiên liệu

- Optimal Power Flow Reserves (OPFR): được sử dụng để phục vụ các dịch

vụ kèm theo trong thị trường điện

- Available Transfer Capability Analysis Tool (ATC): xác định công suất thực

tối đa có thể truyền giữa hai phần của một hệ thống điện mà không có sự vi phạm nào

- Topology Processing: cho phép giải các bài toán có mô hình topo, công cụ

này hữu ích cho những người quy hoạch để chạy trong thời gian thực

- Transient Stability (TS): cho phép phân tích đáp ứng động của hệ thống đối

với một sự cố trong hệ thống

1.1.2.3 Matlab toolbox (Matpower)

Các file dữ liệu được sử dụng trong Matpower là một file dạng Matlab được format theo một định dạng có sẵn

Thực thi phân bố công suất: Dùng lệnh: runpf(‘tenfile’) Trong đó, tenfile.m

là tên file chứa dữ liệu của hệ thống cần thực hiện phân bố công suất

Thực thi phân bố công suất tối ưu: Dùng lệnh: runopf(‘tenfile’) Trong đó, tenfile.m cũng giống như trong thực thi phân bố công suất, nhưng có thêm những thông số cần cho bài toán phân bố công suất tối ưu…

1.1.2.4 Phần mềm PSS/E

PSS/E là phần mềm hội đủ những chức năng tính toán của các phần mềm khác nêu trên và giải quyết được bài toán thực tế của hệ thống điện Việt Nam đó là việc cấu hình và mô phỏng được các loại máy biến áp ba cuộn dây đang tồn tại trên lưới điện truyền tải

Hiện nay, trung tâm điều độ HTĐ quốc gia (A0) và các trung tâm điều độ miền (A1, A2, A3) đang sử dụng phần mềm PSS/E để tính toán trào lưu công suất

và mô phỏng lưới điện, nên việc lựa chọn phần mềm PSS/E để thực hiện tính toán trào lưu công suất cho lưới điện TP.HCM vừa thể hiện tính đồng bộ và an toàn cho

hệ thống điện

1.2 Tính cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Mặc dù Trung tâm Điều độ HTĐ TP.HCM đã tiếp nhận quản lý vận hành lưới điện truyền tải trong khu vực TP.HCM từ năm 2000, nhưng đến nay vẫn chưa

có chương trình tính toán phân bố công suất chuyên dùng Khi cần thay đổi phương thức vận hành, xử lý hay điều tra sự cố lưới điện, Trung tâm Điều độ HTĐ TP.HCM chỉ vận dụng kinh nghiệm và sử dụng các bảng tính Excel hoặc nhờ A2 hỗ trợ Điều này không còn phù hợp với yêu cầu ngày càng cao của hệ thống điều độ nói chung và nhu cầu cung cấp điện liên tục ổn định cho khách hàng trên địa bàn TP.HCM

Trong quá trình đầu tư lưới điện trên địa bàn TP.HCM, Tổng Công ty Điện lực TP.HCM (EVNHCMC) chủ yếu thực hiện việc đầu tư theo đúng các định hướng trong đề án Qui hoạch phát triển điện lực đã được Bộ Công Thương phê duyệt Tuy nhiên, trong trường hợp tiến độ đầu tư không đảm bảo hoặc nhu cầu sử dụng điện chưa thực sự cần thiết thì việc đánh giá sự cần thiết đầu tư các dự án này hoàn toàn phụ thuộc vào kinh nghiệm của các chuyên gia là chính, mà chưa có một công cụ, phần mềm nào được áp dụng để tính toán, làm cơ sở vững chắc để đưa ra quyết định

Thêm vào đó, trong quá trình vận hành, cải tạo, hoàn thiện lưới điện cao thế

và lập đề án qui hoạch phát triển lưới điện trên địa bàn thành phố, để đánh giá được trào lưu công suất của lưới điện khi thêm hoặc bớt một phần tử (đường dây/ trạm) hay để đánh giá được tác động của việc kéo dài tiến độ đầu tư đến vận hành thì nhất thiết cần phải chạy được bài toán trào lưu công suất mà không cần phải đợi, cũng như phụ thuộc vào tính toán của các đơn vị tư vấn hay A2 và A0

Do đó, để chủ động trong công tác xây dựng phương thức vận hành, điều tra

xử lý sự cố lưới điện, cũng như vận hành, cải tạo, hoàn thiện lưới điện cao thế và lập đề án qui hoạch phát triển lưới điện trên địa bàn thành phố, đề tài “Ứng dụng

phần mềm PSS/E vào vận hành, qui hoạch và đầu tư lưới điện cao thế TP.HCM” là hết sức cần thiết và phù hợp với tình hình vận hành của HTĐ quốc gia và thuận lợi cho Trung tâm Điều độ HTĐ TP.HCM trong việc khai thác chung cơ sở dữ liệu trong thời điểm hiện nay

1.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Tham khảo tài liệu, cơ sở lý thuyết về hệ thống điện, tham khảo áp dụng thực

tế tại các Trung tâm Điều độ A0, Trung tâm Điều độ A2 Xây dựng cơ sở dữ liệu,

sử dụng phần mềm chuyên dụng để tiến hành kiểm chứng

Không ngoài mục đích nghiên cứu và thực hiện đề tài phục vụ thiết thực cho hoạt động sản xuất của đơn vị, đề tài “Ứng dụng phần mềm PSS/E vào vận hành, qui hoạch và đầu tư lưới điện cao thế TP.HCM“ không đi sâu vào cơ sở lý thuyết

mà chỉ nghiên cứu sản phẩm ứng dụng

1.4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài:

Đề tài nghiên cứu “Ứng dụng phần mềm PSS/E vào vận hành, qui hoạch và đầu tư lưới điện cao thế TP.HCM“ tập trung chủ yếu vào các nội dung sau:

- Tham khảo tài liệu (sách, báo, tạp chí và tài liệu có liên quan)

- Tìm hiểu phần mềm PSS/E

- Thu thập số liệu, xây dựng sơ đồ kết lưới của khu vực TP.HCM

- Cập nhật các thông số nguồn, đường dây, trạm và mô hình hóa trên phần mềm PSS/E

- Xử lý số liệu, mô phỏng tính toán phân bố công suất lưới điện TP.HCM

- Phân tích kết quả thu được về các thông số nút và nhánh, so sánh đối chiếu thực tế và đề xuất ứng dụng

- Dựa vào kết quả thực hiện công tác tính toán trào lưu công suất, xác định được phương thức vận hành cho từng thời điểm, thực hiện công tác qui hoạch và đầu tư lưới điện cao thế TP.HCM một cách hợp lý, hiệu quả nhất

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN PHÂN BỐ CÔNG

SUẤT 2.1 Giới thiệu chung:

Phân bố công suất là bài toán quan trọng trong quy hoạch, thiết kế phát triển

hệ thống trong tương lai cũng như trong việc xác định chế độ vận hành tốt nhất của

hệ thống hiện hữu Thông tin chính có được từ khảo sát phân bố công suất là trị số điện áp và góc pha tại các thanh cái, dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trên các nhánh Trong luận văn này do nghiên cứu thực tế ứng dụng nên chỉ nêu sơ lược về các phương pháp phân bố công suất

2.2 Khảo sát phân bố công suất dùng ma trận Y bus bằng phép lặp Gauss –

- Bước 3: Tính U2(1) theo các điện áp giả thiết ban đầu

- Bước 4: Tính U3(1) theo U2(1) vừa mới tính được ở trên và các điện áp còn lại

- Bước 5: Tính U2(1),…, Un(1) Luôn dùng các giá trị điện áp mới tính được trong bước trước Khi tính xong điện áp của n thanh cái là xong một lần lặp

- Bước 6: Lặp lại các quá trình từ bước 2 đến bước 4 cho đến khi sai số về điện áp giữa hai lần lặp nhỏ hơn một giá trị cho trước

Quá trình trên chỉ thích hợp với thanh cái phụ tải ở đó P và Q được biết và , góc δ đều được giả thiết và tính gần đúng qua phép lặp Trường hợp thanh cái k

là thanh cái máy phát hay thanh cái có tụ bù để hiệu chỉnh điện áp ở đó Pk và được biết còn Qk thì chưa biết, do đó phải tính gần đúng Qk theo công thức

Biết rằng:

Suy ra:

Trong đó: và lấy từ lần lặp hiện tại và lần lặp trước

Qk sẽ được thay vào phương trình tính điện áp thanh cái máy phát ngay trong lần lặp đó Giả sử tính được điện áp , như vậy trong lần lặp này thay bằng

nghĩa là chỉ dùng góc vừa tính được

Trong thực tế công suất Qk phát ra bởi máy phát k phải được giới hạn bởi bất đẳng thức:

Trong đó Qk,min là giới hạn tối thiểu và Qk,max là gới hạn tối đa của công suất kháng phát ra bởi máy phát Trong quá trình tính toán ở một bước lặp nếu Qk ở ngoài giới hạn nói trên thì Qk được lấy bằng giới hạn mà nó vi phạm, cụ thể

Khi đó nút máy phát (nút P,U) được xử lý như nút phụ tải (nút P,Q) và điện áp phải được tính toán lại

Khi bài toán phân bố công suất hội tụ, tính toán dòng công suất trên các nhánh theo sơ đồ thay thế hình π của các nhánh như sau:

Sơ đồ thay thế hình π Dòng điện vào nút p của nhánh pq:

Trong đó:

: là tổng dẫn thanh pq

: là dung dẫn toàn đường dây pq, nếu là nhánh máy biến áp cho

Công suất tác dụng và phản kháng đi vào đường dây ở thanh cái p

Hay:

Trong đó:

Ppq : là công suất tác dụng đi vào đường dây pq từ nút p

Qpq: là công suất phản kháng đi vào đường dây pq từ nút p

Tương tự, công suất đi vào đường dây qp từ nút q:

Tổn thất công suất trên đường dây pq (kể cả công suất nạp do điện dung đường dây) là tổng đại số công suất ở hai đầu p và q:

Tổn thất công suất toàn mạng điện bằng tổn thất công suất trên tất cả các nhánh:

2.3 Khảo sát phân bố công suất dùng ma trận Z bus bằng phép lặp Gauss –

- Bước 2: Giả thiết các điện áp ban đầu U1(0), U2(0),…, Un(0)

- Bước 3: Tính U1(1) theo các điện áp giả thiết ban đầu

- Bước 4: Thay giá trị U1(1) vào trở lại phương trình trên để tính lại U1(1) (coi như một bước phụ, bước này không cần tính)

- Bước 5: Tính điện áp U2(1) trong đó sử dụng U1(1) vừa tính được ở bước 3 Tương tự tính U3(1),…, Un(1)

- Bươc 6: Lặp lại các bước từ 2 đến 4, luôn luôn dùng các kết quả điện áp vừa tính được

Tiếp tục quá trình tính lặp này cho đến khi sai số giữa hai lần lặp đạt độ chính xác cho trước Bài toán khi đó được xem như hội tụ

Quá trình trên chỉ thích hợp với thanh cái phụ tải ở đó Pi và Qi của phụ tải tại thanh cái i hoàn toàn biết trước Trường hợp thanh cái k là thanh cái máy phát thì chỉ biết trước Pk và và cần phải tính gần đúng Qk trước khi thay vào phương trình tính điện áp Uk của thanh cái này

2.4 Phân bố công suất dùng phương pháp Newton – Raphson:

Phương trình công suất đi vào các thanh cái viết theo điện áp thanh cái và các phần tử trong ma trận tổng dẫn thanh cái được viết tổng quát như sau:

Phương trình công suất nút i :

Sai số giữa công suất tính toán và công suất qui định của phụ tải cho bởi:

Để đơn giản xét một hệ thống có bốn thanh cái, nút cân bằng là nút 1 Có thể khai triển các sai số trên như sau:

Tương tự tính:

Từ đó ta có được phương trình ma trận:

Các đạo hàm riêng tính tại:

Phương trình trên được giải bằng cách nghịch đảo ma trận Jacobi để xác định

Kế đó điều chỉnh lại góc và điện áp:

Và dùng các giá trị này cho lần lặp tiếp theo

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM PSS/E 3.1 Giới thiệu chung:

Phần mềm PSS/E (Power system Simulator for Engineering) là phần mềm

mô phỏng hệ thống điện của công ty Power Technologies Inc thuộc Siemens Chương trình giúp chúng ta mô phỏng, phân tích và tối ưu hóa các tính năng của hệ thống điện phục vụ công tác vận hành cũng như quy hoạch hệ thống điện, nó sử dụng phương pháp tính toán hiện đại để:

- Tính toán trào lưu công suất, tối ưu hóa trào lưu công suất

- Nghiên cứu các loại sự cố đối xứng và không đối xứng, cho phép tính toán chế độ làm việc của hệ thống ở tình trạng sự cố cũng như ngắn mạch, đứt dây

ở bất cứ điểm nào trong hệ thống Phục vụ cho công việc tính toán chỉnh định rơ le và tự động hóa lưới điện

- Tương đương hóa hệ thống, mô phỏng động Chương trình PSS/E cho phép tính toán mô phỏng các chế độ làm việc của hệ thống khi có dao động lớn xảy ra, nhằm khắc phục nguy cơ tan rã hệ thống điện khi mất ổn định

3.1.1 Giao diện phần mềm:

Trên Hình 3.1 bên dưới là giao diện của phần mềm khi khởi động Giao diện của phần mềm gồm các thành phần chính như sau:

- Quản lý dữ liệu kiểu cây (Tree View)

- Quản Lý dữ liệu kiễu bảng (Spreadsheet View)

- Quản lý dữ liệu kiểu sơ đồ (Diagram View)

- Cửa sổ hiển thị thông tin ra (Output View): hiển thị các thông tin về quá trình nhập, thay đổi, tính toán dữ liệu và các cảnh báo

- Thanh công cụ (ToolBars)

- Menu chính (Main menu)

- Thanh trạng thái (Status bar): cung cấp các thông tin về trạng thái làm việc của chương trình

- Cửa sổ con để nhập lệnh (Command line Interface Window)

Hình 3.1: Giao diện của PSS/E

3.1.2 Cách tạo 1 chế độ làm việc của hệ thống điện (Working case):

Để tạo một chế độ làm việc, chúng ta chọn File, rồi New Khi đó một cửa sổ con hiện ra như Hình 3.2 Nếu muốn nhập dữ liệu và quản lý dữ liệu kiểu bảng chúng ta chọn NetWork case Nếu muốn nhập dữ liệu và quản lý dữ liệu trên cả bảng và sơ đồ 1 sợi chúng ta chọn Diagram Sau khi chọn, một cửa sổ mới hiện ra

để chúng ta nhập công suất cơ bản (Base MVA), tần số cơ bản (Base Frequency), đơn vị cho công suất máy biến áp (Units for transformer Ratings) và đơn vị cho một

số đại lượng của đường dây (Units for transformers non - transformer branches) Các dòng Heading line 1 và 2 để nhập chú thích cho chế độ chúng ta tạo

Hình 3.2: Các lựa chọn khi tạo một chế độ làm việc trong PSS/E

3.1.3 Dữ liệu vào của các thiết bị cơ bản:

Các thông số như điện trở, điện kháng, dung dẫn, điện áp, công suất,… của các thiết bị trong hệ thống điện được mô phỏng trên chương trình PSS/E được nhập dưới dạng đơn vị tương đối (pu)

Như phần trên ta đã biết có nhiều cách để nhập dữ liệu vào chương trình PSS/E, trong đề tài này ta sử dụng cách nhập trực tiếp dưới dạng bảng Hình 3 dưới đây là giao diện bảng để nhập dữ liệu trong chương trình PSS/E

Hình 3.3: Giao diện bảng nhập dữ liệu trong PSS/E

Bảng nhập dữ liệu trong Hình 3.3 chứa các phần tử và những thông số của mỗi phần tử trong hệ thống điện mà ta cần nhập (Cách nhập cụ thể được diễn giải

và thực hiện trong Chương IV)

Sau đây là các dữ liệu của 1 số phần tử cơ bản trong hệ thống điện mà ta cần tính toán trong PSS/E:

- Các thông số của nút (Bus): Tên, điện áp, góc pha của từng nút

- Các thông số của máy phát (Machine): Công suất phát hiện tại và giới hạn công suất phát của máy phát (lớn nhất và nhỏ nhất của công suất tác dụng và công suất phản kháng), điện trở và điện kháng máy phát

- Các thông số của phụ tải (Load): Công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải

- Các thông số của đường dây (Branch): Giá trị điện trở, điện kháng, dung dẫn

- Các thông số máy biến áp 2 cuộn dây (2 Windings): Điện trở và điện kháng cuộn dây, hệ số điều chỉnh điện áp và công suất đặt của máy biến áp

- Các thông số máy biến áp ba cuộn dây (3 Windings): Điện trở và điện kháng giữa các cuộn dây, điện áp định mức của mỗi cuộn, hệ số điều chỉnh điện áp mỗi cuộn dây của máy biến áp

3.2 Chuyển các thông số của hệ thống điện sang đơn vị tương đối:

Phần mềm PSS/E sử dụng đơn vị tương đối để tính toán Do đó để mô phỏng được chế độ xác lập của 1 hệ thống điện bằng PSS/E, người sử dụng phải chuyển các thông số của lưới điện từ đơn vị có tên sang dạng không tên (tương đối)

Trị số trong đơn vị tương đối của một đại lượng vật lý nào đó là tỷ số giữa nó với một đại lượng vật lý khác cùng thứ nguyên được chọn làm đơn vị đo lường Đại

lượng vật lý chọn làm đơn vị đo lường được gọi đại lượng cơ bản

Muốn biểu diễn các đại lượng trong đơn vị tương đối trước hết cần chọn các đại lượng cơ bản như: S

* Một số tính chất của hệ đơn vị tương đối:

Các đại lượng cơ bản dùng làm đơn vị đo lường cho các đại lượng toàn phần cũng đồng thời dùng cho các thành phần của chúng

Trong đơn vị tương đối điện áp pha và điện áp dây bằng nhau, công suất 3 pha và công suất 1 pha cũng bằng nhau

Một đại lượng thực có thể có giá trị trong đơn vị tương đối khác nhau tùy thuộc vào lượng cơ bản và ngược lại cùng một giá trị trong đơn vị tương đối có thể tương ứng với nhiều đại lượng thực khác nhau

Thường tham số của các thiết bị được cho trong đơn vị tương đối với lượng

số cho trước của phần tử

3.3 Mô hình các phần tử trong PSS/E:

3.3.1 Đường dây:

Đối với đường dây chúng ta thường biết chiều dài của đường dây L (km) và các thông số trên 1 đơn vị chiều dài:

- Điện trở thứ tự thuận và thứ tự không là r1 và r0 (/km)

- Điện kháng thứ tự thuận và thứ tự không là x1và x0 (/km)

- Dung dẫn thứ tự thuận và thứ tự không là b và b ( S / km) 

- Điện dẫn thứ tự thuận và thứ tự không là g1 và g0 (1/ Ω.km)

Sơ đồ thay thế đầy đủ của đường dây (Hình 3.4):

G2

G2

B2

B2

Hình 3.4: Sơ đồ thay thế đường dây

Từ các dữ liệu trên ta tính được tổng trở của đường dây trong hệ tương đối với Scb và Ucb như sau:

cb cb

U b LB

cb cb

U g LG

3.3.2 Máy biến áp 2 cuộn dây:

Các thông số cho trước của máy biến áp thường là:

- Công suất định mức S [MVA]

- Điện áp định mức cuộn cao và cuộn hạ là UC [kV] và UH [kV]

- Tổn thất không tải P0 [kW] ; Tổn thất ngắn mạch PN [kW]

- Dòng điện không tải I0 [%] ; Điện áp ngắn mạch UN [%]

Sơ đồ thay thế máy biến áp hai cuộn dây dưới dạng có tên (Hình 3.5) bao gồm tổng trởZ = R +jXB B B, điện trở R0 và điện kháng X0 đặc trưng cho tổn hao từ

của máy biến áp, ngoài ra cần thêm một máy biến áp lý tưởng với hệ số biến áp Cdm

Hình 3.5: Sơ đồ thay thế đầy đủ của máy biến áp 2 cuộn dây

Cách chuyển sơ đồ trên về dạng tương đối khi công suất cơ bản là Scb, điện

áp cơ bản phía cao áp U cbC và phía hạ áp là UcbH Chú ý khi chọn các điện áp cơ bản cần thỏa mãn điều kiện:

Điện trở thứ tự thuận (pu):

Trong đó: [pu, %, kV, MVA, kV, MVA]

Điện trở và điện kháng thứ tự không có thể lấy bằng 0,8 lần điện trở và điện kháng thứ tự thuận:

3.3.3 Máy biến áp 3 cuộn dây:

Các thông số của máy biến áp 3 cuộn dây là:

- Công suất định mức từng cuộn dây SdmC, SdmT, SdmH [MVA]

- Điện áp định mức của từng cuộn dây: UdmC, UdmT và UdmH

- Tổn thất không tải P0 [kW] ; Công suất ngắn mạch C T T H T H  

P  , P  , P  kW

- Dòng điện không tải I0 [%] ; Điện áp ngắn mạch UC TN , UC HN , UT HN %

- Phía điều áp và số nấc điều chỉnh

Sơ đồ thay thế máy biến áp 3 cuộn dây dưới dạng có tên (Hình 3.7) bao gồm các tổng trở cao, trung, hạ lần lượt là Z = R +jXC C C, Z = R +jXT T T, Z = R +jXH H H; điện trở R0 và điện kháng X0 đặc trưng cho tổn hao từ của máy biến áp, ngoài ra cần thêm 2 máy biến áp lý tưởng:

Một máy được nối với phía trung của máy biến áp với hệ số biến áp C

T

U

k =U

Một máy được nối với phía hạ của máy biến áp với hệ số biến áp C

H

U

k =U

C T

U k=

U

C H

U k=

UC

T

HT

Hình 3.7: Sơ đồ thay thế đầy đủ của máy biến áp 3 cuộn dây

Khi tính toán trong PSS/E, các giá trị R, X, B, G cần chuyển về giá trị tương đối Sơ đồ thay thế máy biến áp 3 cuộn dây và các thông số trong hệ tương đối (Hình 3.8):

Hình 3.8: Sơ đồ thay thế của máy biến áp 3 cuộn dây trong hệ tương đối

Điện trở thứ tự thuận các cuộn cao, trung, hạ (pu):

Điện kháng thứ tự thuận của các cuộn: Cao - Trung; Cao - Hạ và Trung - Hạ (pu):

Điện kháng thứ tự thuận các cuộn cao, trung, hạ (pu):

Nấc biến áp quy đổi a = Nấc giữa nấc đặt

Tỷ số biến áp đặt hiện tại của máy biến áp là:

C (pu )

Khi đề bài chỉ cho C T

N

P  thì ta có thể lấy: PNC H = PNT H =

C T N

P 2

- Công suất phát cực đại và cực tiểu

- Các điện kháng ở dạng tương đối cơ bản Xd, '

d

X , '' d

3.4 Nhập dữ liệu vào PSS/E:

Sau khi chuyển các thông số của một hệ thống điện sang dạng tương đối chúng ta tiến hành nhập dữ liệu vào trong PSS/E Chúng ta có thể nhập dữ liệu vào PSS/E bằng các cách sau:

- Nhập dạng bảng

- Nhập ở dòng command

- Nhập theo file định dạng sẵn của PSS/E

Các cách nhập trên đều có 1 điểm chung là khi nhập chúng ta phải nhập theo từng phần tử (nút, nhánh, máy phát, máy biến áp, tải hay các thiết bị bù, )

Trong tính toán chế độ xác lập ta cần nhập các thông số về nút (Bus), đường dây (Branch), nhà máy (Plant), máy phát (Machine), phụ tải (Load), thiết bị bù tĩnh (Fixed Shunt), thiết bị bù động (Switched Shunt), máy biến áp 2 cuộn dây (2 Winding transformer), máy biến áp 3 cuộn dây (3 Winding transformer)

- Bus Name: Tên nút có nhiều nhất là 8 ký tự

- Base kV: Điện áp cơ bản của nút nhập dưới dạng có tên, nếu không cho hay cho dưới dạng đơn vị tương đối thì để trống và chương trình sẽ tự động nhập giá trị mặc định là 0

- Area Number/Name: Chỉ nút đó thuộc vào miền nào (ví dụ Nam, Trung, Bắc), nếu không cần phân biệt thì để trống và chương trình sẽ tự động nhập giá trị mặc định là 1

- Zone Number/ Name: Chỉ nút đó thuộc vào vùng nào, không có thì để trống

và chương trình sẽ tự động nhập giá trị mặc định là 1

- Owner Number/Name: Mã của đơn vị sở hữu: công ty điện, nhà máy

- Code: Có 4 loại nút, ứng với mỗi loại nút có một giá trị code khác nhau:

+ Nút phụ tải (không có máy phát ) nhập giá trị là 1

+ Nút máy phát hoặc nhà máy điện (nút PV) nhập giá trị là 2

+ Nút cân bằng (có điện áp không đổi) nhập giá trị là 3

+ Nút cô lập (nút đó tách khỏi hệ thống) nhập giá trị là 4

- Voltage (pu): Biên độ điện áp hiệu dụng của nút ở dạng đơn vị tương đối pu, nếu đề bài không cho số liệu hay là nút phụ tải thì không cần nhập và chương trình sẽ tự động nhập giá trị mặc định là 1, còn nút PV và nút cân bằng thì phải nhập

- Angle (deg): Góc pha của điện áp nút, nếu đề bài cho thì nhập, nếu không thì

để trống và chương trình sẽ tự động nhập giá trị mặc định là 0

- Các thông số còn lại không cần thiết cho tính toán chế độ xác lập, ta có thể

để trống và chương trình sẽ tự động nhập giá trị mặc định

3.4.2 Các thông số của nhà máy (Plant):

Hình 3.10: Các thông số của nhà máy (Plant)