Điện áp và tần số là hai thông số quan trọng ảnh hưởng đến việc duy trì ổn định của hệ thống điện. Bài báo này đề xuất phương pháp sa thải tải dựa trên tần số và điện áp là tín hiệu đầu vào. Mức độ nhiễu loạn được ước tính bằng cách sử dụng tốc độ thay đổi tần số, và xác định vị trí, số lượng tải bị sa thải tại mỗi thanh góp đã được quyết định dựa trên độ nhạy điện áp tính toán tại mỗi vị trí tải ở chế độ xác lập. Chương trình sa thải phụ tải có xét đến tầm quan trọng và vị trí của phụ tải, chi phí phụ tải, và các điều kiện ràng buộc dựa trên thuật toán phân tích hệ thống phân cấp AHP để xử lý khi hệ thống có nhiều loại phụ tải khác nhau. Key words: Load shedding, voltage sensitivities, AHP, LP
Trang 11
NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI
PGS.TS Quyền Huy Ánh, Lê Trọng Nghĩa – Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
Tóm tắt
Điện áp và tần số là hai thông số quan trọng ảnh hưởng đến việc duy trì ổn định của hệ thống điện Bài báo này đề xuất phương pháp sa thải tải dựa trên tần số và điện áp là tín hiệu đầu vào Mức độ nhiễu loạn được ước tính bằng cách sử dụng tốc độ thay đổi tần số, và xác định vị trí, số lượng tải bị sa thải tại mỗi thanh góp đã được quyết định dựa trên độ nhạy điện áp tính toán tại mỗi vị trí tải ở chế độ xác lập Chương trình sa thải phụ tải có xét đến tầm quan trọng và vị trí của phụ tải, chi phí phụ tải, và các điều kiện ràng buộc dựa trên thuật toán phân tích hệ thống phân cấp AHP để xử lý khi hệ thống có nhiều loại phụ tải khác nhau
Key words: Load shedding, voltage sensitivities, AHP, LP
Abstract
Voltage and frequency are the two important parameters affecting the maintenance of stability of the power system This paper presents the methodology used for the proposed load shedding algorithm includes frequency and voltage as the inputs The disturbance magnitude is estimated using the rate of change of frequency and the location and the amount of load to be shed from each bus is decided using the voltage sensitivities which calculated at each load in the steady state The load shedding program taking into account the importance and position of the load, load costs, and the constraint conditions based on Analytic Hierarchy Process (AHP) algorithm to process when the system there are many different types of load
I GIỚI THIỆU
Hai thông số quan trọng nhất phải theo dõi
trong hệ thống điện là điện áp và tần số hệ thống
Điện áp tại tất cả các thanh góp và tần số, cả hai
đều phải được duy trì trong giới hạn quy định được
thiết lập Tần số bị ảnh hưởng bởi sự chênh lệch
giữa công suất phát và nhu cầu phụ tải Nếu các
máy phát điện khác trong hệ thống không thể cung
cấp đủ công suất cần thiết, thì tần số hệ thống bắt
đầu giảm Để phục hồi lại tần số trong giới hạn định
mức, một chương trình sa thải tải cần được áp dụng
cho hệ thống Trường hợp sự cố lâu dài, hệ thống
điện không thể đáp ứng nhu cầu công suất trong
thời gian dài, việc sa thải phụ tải tối ưu cần xét đến
các chỉ tiêu kinh tế và tầm quan trọng của phụ tải
Khi tần số giảm đến điểm nhận đầu tiên chắc
chắn được xác định trước phần trăm của tổng phụ
tải được sa thải Nếu có một sự giảm tiếp trong tần
số và nó đạt đến điểm nhận thứ hai, tỷ lệ phần của
tải còn lại được sa thải Quá trình này diễn ra tiếp
tục cho đến khi tần số tăng trên giới hạn dưới của
nó Để xem xét sự ổn định điện áp, độ nhạy điện áp
từ các phân tích QV tại các thanh góp tải sẽ là thành
phần chính của giải thuật Ngoài ra, việc sa thải phụ
tải có xét đến tầm quan trọng của tải, chi phí tải, sự
thay đổi của tải theo giờ trong ngày và các điều
kiện ràng buộc về giảm bớt phụ tải cũng được trình
bày
Trên cơ sở những kết quả của các công trình
nghiên cứu trước đây đã đạt được, đề tài “Nghiên
cứu các phương pháp sa thải phụ tải” với mục
đích xây dựng giải thuật sa thải phụ tải tối ưu có xét đến tầm quan trọng của tải nhằm giải quyết những hạn chế của các công trình nghiên cứu trước đây
II PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN II.1 Chương trình sa thải phụ tải dựa trên tần
số và độ nhạy điện áp
Chương trình sa thải tải đề xuất kết hợp hai tham số: tần số và độ nhạy điện áp tại thanh góp, cho quyết định tức thời, số lượng và vị trí của tải phải sa thải
Bước đầu tiên của thuật toán là ước tính tổng chênh lệch giữa công suất máy phát và công suất phụ tải bằng cách sử dụng các phương trình chuyển động của rotor
o
eq
P P P dt
df f
H
2
(2.1) Bước tiếp theo tính toán dV/dt để quyết định thứ
tự sa thải Thanh góp với độ lớn dV/dt lớn nhất được liệt kê ở đầu danh sách và sau đó xếp theo thứ
tự giảm dần Các phương trình cho công suất phản kháng, công suất tác dụng, và độ nhạy điện áp là:
) cos(
1
ij ij n
j
ij j i
(2.2)
n
j
ij ij ij j i
Q
1
) sin( (2.3)
Trang 2
i j
ij ij ij j ii
ii
ii
i
dV
dQ
# 1
) sin(
) cos(
Độ nhạy điện áp của từng thanh góp so với tổng độ
nhạy điện áp:
)
(
2 2 1
1
n n i
i
dQ
dV dQ
dV dQ
dV
dQ dV
(2.5)
Khi đó, lượng tải được sa thải từ mỗi thanh
góp, sẽ dựa vào công thức sau:
n
i i i
dQ dV dQ dV S
1
(2.6)
Lưu đồ thuật toán sa thải được đề xuất trình bày
ở Hình 2.1
Bắt đầu
Đo điện áp thanh góp Đo tần số và mức
độ thay đổi của tần số Kiểm tra tần số và điện áp Nếu tần số <59.7Hz và(hoặc) nếu điện áp <0.97p.u.
Tính toán giá trị trung bình df/dt
cho sự nhiễu loạn, tại điểm ở đó
tần số giảm đúng dưới 59.7Hz
Bắt đầu chương trình sa thải tải
Xếp loại các bus tải dựa trên giá trị dV/dt
của bus, bắt đâu với giá trị âm lớn nhất
Tải được sa thải theo thứ tự của danh sách
này
Không sa thải tải
Đúng
Sai
Tải không cân bằng ban đầu được tính
toán bằng phương trình chuyển động quay
của rotor và giá trị df/dt.
diff o p dt df f H
2
diff P
Tính toán số lượng tải bị sa thải tại mỗi thanh
góp tải trong danh sách ở trên, sử dụng công thức
thực nghiệm dựa trên độ nhạy điện áp
diff n
i i i
dQ dV dQ dV S
1
) (
Hình 2.1: Thuật toán sa thải tải theo tần số và
độ nhạy điện áp
II.2 Chương trình sa thải phụ tải có xét đến tầm
quan trọng của phụ tải, chi phí tải, sự thay đổi
của tải theo giờ trong ngày và các điều kiện ràng
buộc về giảm bớt phụ tải
II.2.1 Hàm mục tiêu
) ( 1 i
H
Max
K ND
j
ij ij
ij v x
w (2.7)
Ở đây: xijlà biến số quyết định (tính bằng 0 hoặc 1)
trên thanh dẫn tải j ở mức thời gian thứ i; ND(k) là
tổng số lượng các vị trí tải ở trung tâm phụ tải k; wij
là độ ưu tiên phụ tải chứng tỏ tính quan trọng của vị
trí phụ tải thứ j ứng với mức thời gian thứ i; vij là
giá trị tải (hoặc chi phí) của phụ tải thứ j ở mức thời
gian i ($/kW hoặc $/MW); H là hàm mục tiêu
II.2.2 Thuật toán AHP
Các bước của thuật toán AHP có thể được trình bày như sau:
Bước 1: Thiết lập mô hình hệ thống phân cấp
Bước 2: Xây dựng ma trận phán đoán PI và
A-LD thể hiện tầm quan trọng giữa các trung tâm tải
và giữa các tải với nhau trong mỗi trung tâm tải
Giá trị của các thành phần trong ma trận phán đoán phản ánh tri thức của người sử dụng về tầm quan trọng mối liên hệ giữa các cặp hệ số
Ma trận phán đoán A-PI được viết như sau:
Kn Kn K2 Kn K1 Kn
Dn K2 K2 K2 K1 K2
Kn K1 K2 K1 K1 K1
/w w
/w w /w w
.
.
/w w
/w w /w w
/w w
/w w /w w
PI
Ở đây: wki là chưa biết; wki /wkj mô tả tương đối quan trọng của tâm phụ tải thứ i được so sánh với tâm phụ tải thứ j
Ma trận phán đoán A-LD được viết như sau:
Dn Dn D2 Dn D1 Dn
Dn D2 D2 D2 D1 D2
Dn D1 D2 D1 D1 D1
/w w
/w w /w w
.
.
/w w
/w w /w w
/w w
/w w /w w
LD
Trong đó: wDi là chưa biết; wDi/wDj mô tả tương đối tầm quan trọng phụ tải thứ i được so sánh với tải thứ j
Bước 3: Tính toán trị riêng lớn nhất và vector riêng
tương ứng của ma trận phán đoán
Bước 4: Sắp xếp phân cấp và kiểm tra tính nhất
quán của các kết quả.
III TÍNH TOÁN, THỬ NGHIỆM, MÔ PHỎNG TRÊN HỆ THỐNG
III 1 Nghiên cứu trường hợp mất một máy phát điện, sử dụng chương trình sa thải tải dựa trên tần số và độ nhạy điện áp
Nghiên cứu trường hợp hệ thống 37 thanh góp 9 máy phát, xem xét mất một máy phát điện tại thanh góp số 4
Sử dụng phương trình chuyển động của rotor, xác định là giảm khoảng 185MW Kết quả đồ thị thay đổi tần số khi không sa thải tải được thể hiện trong Hình 3.1
(3.19)
Trang 33
Hình 3.1 Tần số hệ thống trong trường hợp sự cố máy
phát tại bus số 4
Khi không có sa thải tải, tần số giảm xuống giá trị
59.6 Hz thấp hơn so với giới hạn chuẩn yêu cầu Do
đó, cần có biện pháp để khôi phục tần số hệ thống
trở về giá trị giới hạn cho phép
Các giá trị dV/dt tại các thanh góp tải được tính
toán và sắp xếp theo thứ tự bắt đầu với giá trị âm
lớn nhất Tải sẽ lần lượt được sa thải theo thứ tự của
danh sách này
Bảng 3.1: Thứ tự sắp xếp theo dV/dt tại các thanh góp
Giá trị công suất sa thải tại các thanh góp sẽ dựa
trên các độ nhạy điện áp của nó Công suất sa thải
tại mỗi thanh góp được trình bày ở Bảng 3.2
Hình 3.2: Tần số hệ thống sau khi áp dụng chương trình
sa thải phụ tải dựa trên tần số và độ nhạy điện áp
Bảng 3.2: Công suất sa thải tại mỗi thanh góp khi áp
dụng chương trình sa thải phụ tải đề xuất
Đồ thị tần số sau khi áp dụng chương trình sa thải phụ tải trình bày ở Hình 3.2
Trường hợp sa thải phụ tải không theo thứ tự giá trị sắp xếp dV/dt, tổng lượng tải sa thải là 185MW chiếm khoảng 23,28% so với công suất toàn bộ phụ tải 794,62MW Tải được sa thải theo thứ tự: tải có giá trị nhỏ nhất được sa thải trước và theo thứ tự tăng dần Đồ thị tần số sau khi áp sa thải phụ tải trình bày ở Hình 3.3
Hình 3.3: Tần số hệ thống sau khi áp dụng chương trình
sa thải phụ tải không theo thứ tự dV/dt
Trường hợp sa thải phụ tải theo các bước dựa trên
sự suy giảm của tần số Các bước tần số, thời gian
và số lượng của tải bị sa thải trình bày ở Bảng 3.3
Bảng 3.3: Sa thải phụ tải theo các bước dựa trên sự suy
giảm của tần số
Trang 4Tần số hệ thống khi áp dụng chương trình sa thải
theo các bước được trình bày ở Hình 3.4
Hình 3.4: Tần số hệ thống sau khi sa thải phụ tải theo
các bước dựa trên sự thay đổi của tần số.
Kết quả tổng hợp các trường hợp sa thải phụ tải
trình bày ở Bảng 3.4
Bảng 3.4: Kết quả so sánh giữa các phương pháp sa thải
phụ tải trong trường hợp mất một máy phát
Kết luận: Chương trình sa thải phụ tải theo tần số
và độ nhạy điện áp có thời gian hồi phục nhanh
hơn, tổng công suất sa thải ít hơn so với các phương
pháp sa thải truyền thống
III.2 Nghiên cứu trường hợp mất một máy phát
điện, sử dụng chương trình sa thải tải dựa trên
thuật toán AHP
Nghiên cứu trường hợp hệ thống 37 bus 9 máy
phát Tổng công suất phát của nguồn và nhu cầu
của tải ở các khoảng thời gian được trình bày ở
Hình 3.5
Đầu tiên, thành lập các ma trận phán đoán A-PI và
A-LD Sau khi tính toán các giá trị hệ số quan trọng
tổng hợp của mỗi đơn vị phụ tải tại mỗi thời đoạn
có được từ tính toán AHP, tiến hành sắp xếp các
đơn vị phụ tải theo thứ tự ưu tiên giảm dần được
trình bày ở Bảng 3.5 Phụ tải quan trọng hơn thì có
hệ số Wij lớn hơn
Bảng 3.5: Sắp xếp các đơn vị phụ tải theo giá trị hệ số
quan trọng của phụ tải W ij giảm dần
Phương pháp AHP được sử dụng để quyết định việc sắp xếp các đơn vị phụ tải theo thứ tự ưu tiên tại các thời đoạn và hệ thống cơ sở tri thức quyết định việc duy trì tải hoặc ngắt tải ra Dãy thứ tự ưu tiên trên chưa bao gồm những ràng buộc về công suất khi tăng tải hoặc giảm tải Vì vậy, kết quả cuối cùng của việc duy trì tải hoặc ngắt tải ra có được thông qua việc phối hợp giữa sắp xếp theo AHP và kiểm tra các điều kiện ràng buộc Kết quả tính toán được trình bày ở Bảng 3.6
Trong Bảng 3.6, biến quyết định xij = 1 có nghĩa là tải được duy trì tại thời đoạn t, và x = 0 có nghĩa là tải được sa thải (ngắt) tại thời đoạn t
Bảng 3.6: Sa thải phụ tải tại các thời đoạn
Trang 55
So sánh với việc sử dụng chương trình sa thải phụ
tải thông thường mà không xét đến các hệ số ưu
tiên tải Wij được xác định bởi AHP, áp dụng phụ tải
có công suất nhỏ hơn và chi phí thấp thì được xét
đến sa thải tải trước tiên
Bảng 3.7: So sánh giữa sa thải phụ tải theo AHP và LP
Bảng 3.8: Tổng hợp kết quả giữa phương pháp sa thải
phụ tải thông thường (LP) và phương pháp sa thải phụ tải
theo AHP
Kết luận: Phương pháp sa thải phụ tải thông thường
không đề cập đến tầm quan trọng các phụ tải cũng
như mối liên hệ của các vị trí tải với nhau Kết quả
so sánh chỉ ra rằng phương pháp sa thải phụ tải theo
AHP thì tối ưu hơn Nó không chỉ tối đa lợi ích của
tải mà còn quan tâm đến tầm quan trọng và vị trí
của tải Ví dụ như tại vị trí nút tải 14, và 37 thì luôn
luôn bị sa thải theo phương pháp thông thường khi
nguồn phát của hệ thống bị giới hạn, nhưng tại nút
tải 14, và 37 không bị sa thải khi sử dụng phương
pháp AHP tại các thời đoạn t3 (nút tải 14) và t3, t4,
t6 (nút tải 37) mặc dù nó có chi phí thấp
(220$/kWh) và công suất nhỏ (12,43 MW và 14
MW)
IV KẾT LUẬN
Bài báo này giới thiệu chương trình sa thải tải
không chỉ dựa trên tần số và tốc độ thay đổi tần số
các mà còn dựa trên độ nhạy điện áp tại các thanh
góp tải Nó đã được chứng minh là thành công
trong việc khôi phục lại các tần số trong giới hạn của nó được xác định trước
Chương trình sa thải phụ tải đề xuất sử dụng thuật toán AHP còn xem xét bài toán sa thải phụ tải có tính đến tầm quan trọng của phụ tải, chi phí tải, vị trí tải, sự thay đổi của tải theo giờ trong ngày và các điều kiện ràng buộc Chương trình đề xuất cơ bản đơn giản và không liên quan đến tính toán phức tạp
Tài liệu tham khảo
[1] PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt, Bảo Vệ Rơle &
Tự Động Hóa Trong Hệ Thống Điện, Nhà
xuất bản ĐHQG Tp,HCM
[2] PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt, PGS.TS Phan Thị
Thanh Bình, Ngắn Mạch & Ổn Định Trong Hệ
Thống Điện, Nhà xuất bản ĐHQG Tp,HCM
[3] Jizhong Zhu, Optimization of Power System
Operation, IEEE Press 2009
[4] Prof.P.S.R.Murthy, Power Systems Analysis,
Berlin 2007
[5] Florida Reliability Coordinating Council, (2001) FRCC standards handbook
[6] Hamish H Wong, Joaquin Flores, Ying Fang, Rogelio P Baldevia,Jr, (2000) Guam Power Authority Under Frequency Load Shedding Study
[7] ERCOT, Underfrequency Load Shedding 2006 Assessment and Review
[8] Emmanuel J Thalassinakis, Evangelos N Dialynas, Demosthenes Agoris, (2006) Method
Combining ANNs and Monte Carlo Simulation
for the Selection of the Load Shedding Protection Strategies in Autonomous Power
Systems, IEEE Transactions on Power Systems, Vol 21, No 4
[9] Ying Lu, Wen-Shiow Kao, Associate Member, IEEE, Yung-Tien Chen, (2005) Study of Applying Load Shedding Scheme With Dynamic D-Factor Values of Various Dynamic Load Models to Taiwan Power System, IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS, VOL 20, NO 4
[10] Leehter Yao, Senior Member, IEEE, Wen-Chi Chang, and Rong-Liang Yen, (2005) An Iterative Deepening Genetic Algorithm for Scheduling of Direct Load Control, IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS, VOL 20, NO 3
Trang 6BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh