Áp dụng công nghệ quản lý và điều khiển phụ tải bằng sóng điều khiển tối ưu dung lượng bù trong lưới phân phối

Với hệ thống điều khiển phụ tải bằng sóng Ripple Control cho phép thu thập được các thông số tại nút phụ tải cũng như trên các nhánh đường dây, đây là cơ sở và điều kiện thuận lợi để quả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙ TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

Hà Nội – Năm 2010

MỤC LỤC

Trang

Chương 1 Mở đầu

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Khái niệm về điều khiển phụ tải bằng sóng Ripple Control 2

1.3 Điều khiển tụ bù bằng sóng Ripple Control 7

Chương 2 Hệ thống điều khiển phụ tải bằng sóng Ripple Control lưới điện trung áp 22KV Hà Nội 2.1 Hệ thống điều khiển 9

2.1.1 Bộ điều khiển trung tâm MPC 9

2.1.2 Bộ điều khiển khu vực MLC 16

2.2 Máy phát sóng SFU-K 17

2.3 Mạch ghép nối song song 21

2.4 Máy thu sóng ROA 21

2.5 Mã điều khiển sóng Decabit 23

2.6 Hệ thông tin song song PCS 26

Chương 3 Điều khiển tối ưu dung lượng bù trong lưới phân phối theo thông tin đo lường 3.1 Đặt vấn đề 28

3.2 Xác định tổn thất công suất, tổn thất điện năng và vấn đề vận hành tối ưu theo mục tiêu tổn thất điện năng nhỏ nhất 28

3.3 Xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu dung lượng bù theo thông tin đo lường trong lưới phân phối điện 30

3.3.1 Sơ đồ lưới điện đơn giản 30

3.3.2 Sơ đồ lưới điện đơn giản có điện dung đường dây 32

3.3.3 Sơ đồ lưới điện phức tạp hình tia 34

3.4 Điều khiển tối ưu thiết bị bù khi dung lượng thay đổi nhảy cấp .36

3.4.1 Sơ đồ lưới điện đơn giản 36

3.4.2 Sơ đồ lưới điện phức tạp hình tia 39

Chương 4 Ví dụ tính toán lựa chọn, lắp đặt và điều khiển tối ưu dung lượng bù lưới điện phân phối 41

4.1 Xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu theo suất giảm chi phí tổn thất của thiết bị bù trong hệ thống cung cấp điện 41

4.1.1 Suất giảm chi phí tổn thất của thiết bị bù 41

4.1.2 Xác định vị trí và dung lượng bù tại các nút đảm bảo thời gian thu hồi vốn nhỏ hơn thời hạn đã chọn 45

4.2 Ví dụ tính toán xác định vị trí và điều khiển tối ưu dung lượng bù 47

4.3 Cài đặt điều khiển tối ưu dung lượng bù bằng hệ thống Ripple Control 53

4.3.1 Điều khiển tối ưu dung lượng bù 53

4.3.2 Cài đặt điều khiển theo thời gian (time program) 54

4.3.2 Cài đặt mở rộng điều khiển tụ bù 59

KẾT LUẬN CHUNG LUẬN VĂN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Phụ lục 1 Đánh giá hiệu quả bù theo đường cong tổn thất

P.1 Tổn thất điện năng và đường cong tổn thất

P.2 Xác định tổn thất điện năng theo đường cong tổn thất

P.3 Đánh giá hiệu quả bù theo đường cong tổn thất

Phụ lục 2 Kết quả tính tổn thất công suất theo chương trình CONUS

Chương 1

MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Trong tình hình lưới điện hiện nay, nhu cầu phụ tải điện ngày càng tăng cao đặt ra cho ngành điện lực Việt Nam nhiều thách thức về vốn đầu tư để phát triển nguồn điện, chi phí cho sản xuất và phân phối đến các hộ tiêu thụ cũng như

là đảm bảo lưới điện vận hành an toàn với chất lượng ngày càng được nâng cao

Công nghệ quản lý phụ tải bằng sóng (Ripple Control) là một giải pháp kỹ thuật trong chương trình quản lý nhu cầu (DSM-Demand Side Management) giúp các nhà quản lý và kinh doanh điện năng điều khiển trực tiếp lượng điện năng tiêu thụ của các phụ tải Ripple Control giúp cho việc sử dụng điện năng tại các phụ tải có hiệu quả và kinh tế nhất Ripple Control góp phần làm giảm phụ tải đỉnh, chuyển dịch phụ tải….từ đó làm giảm áp lực về vốn đầu tư để phát triển nguồn điện, lưới điện

Với hệ thống điều khiển phụ tải bằng sóng Ripple Control cho phép thu thập được các thông số tại nút phụ tải cũng như trên các nhánh đường dây, đây là

cơ sở và điều kiện thuận lợi để quản lý và điều khiển phụ tải theo nhu cầu (Demand Side Management) cũng như áp dụng các giải pháp kỹ thuật về điều khiển, vận hành hệ thông điện Một trong những ứng dụng đó là điều khiển tối ưu

tụ bù bằng sóng theo thông tin đo lường nhằm tối thiểu tổn thất công suất, tổn thất điện năng

Với lưới điện làm việc với hệ số Cosϕ thấp thì phương án lắp đặt tụ bù tại các trạm phân phối điện và điều khiển tối ưu tụ bù theo sóng Ripple Control sẽ nâng cao hệ số Cosϕ, giữ cho điện áp tại phụ tải không bị xuống thấp từ đó góp phần làm giảm tổn thất điện năng và nâng cao chất lượng điện năng

1.2 Khái niệm về điều khiển phụ tải bằng sóng (Ripple Control)

Hệ thống điều khiển phụ tải bằng sóng là công nghệ sử dụng lưới cung cấp điện như một phương tiện truyền thông tin Các thông tin này dưới dạng các lệnh được dùng để điều khiển các phụ tải nối vào lưới điện Thông tin được đưa trực tiếp vào lưới điện dưới dạng sóng nhỏ, tần số âm thanh (150 - 2000Hz) mang các

mã lệnh điều khiển Các sóng này được tính toán sao cho không làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng

Điều khiển phụ tải bằng sóng (Ripple Control) là một kỹ thuật chồng những sóng nhỏ lên sóng điện áp (hay dòng) hình sin của lưới điện phân phối Sự chồng lên sóng điện áp (hay dòng) bằng một sóng có tần số cao hơn nhiều so với tần số định mức của lưới điện (50/60Hz) và có cùng biên độ của sóng 50/60 Hz

sẽ tạo nên một sóng hình sin có “gợn sóng” như hình vẽ 1.1

Hình 1.1 : Sự chồng sóng điều khiển trên sóng hình sin

Hệ thống điều khiển phụ tải bằng sóng là một hệ thống thông tin một chiều bao gồm máy phát, kênh truyền và máy thu Máy phát được đặt ở trạm trung tâm

và gửi tín hiệu đến vô số máy thu ở khắp mọi nơi trong lưới điện thông qua kênh truyền là lưới phân phối 22KV

Một đặc điểm của lưới điện phõn phối là đường cong phụ tải luụn thay đổi theo giờ, theo ngày và theo năm do nhu cầu điện năng luụn luụn thay đổi Trong thực tế đường cong phụ tải cú thể được san bằng nhờ hệ thống điều khiển bằng súng theo nhiều cỏch :

- Điều khiển giỏn tiếp phụ tải thụng qua việc thay đổi mức giỏ điện : Nhu cầu sử dụng điện năng của các phụ tải thường được phân bố không

đều theo thời gian Một cách tự nhiên, theo tập quán sinh hoạt, làm việc và sản xuất sẽ xuất hiện các cao điểm và thấp điểm trong đồ thị phụ tải của hệ thống Tại khoảng thời gian cao điểm, hệ thống phải huy động mọi khả năng phát điện

để đáp ứng nhu cầu phụ tải và đôi khi vẫn không tránh khỏi phải cắt điện nếu không xây dựng thêm các nguồn điện cũng như các hệ thống truyền tải mới Rõ ràng chi phí thực để đáp ứng nhu cầu điện năng trong thời điểm này sễ rất cao Ngược lại trong khoảng thời gian thấp điểm, nhu cầu tiêu thụ điện năng thường rất bé khiến các nhà máy điện phải ngừng phát điện hoặc chạy vơí công suất hạn chế theo điều kiện kỹ thuật, đôi khi vẫn phải xả bớt hơi quá nhiệt Trong các hệ thống có tỷ trọng thuỷ điện cao sẽ không tránh khỏi phải xả nước vô ích vào các mùa mưa Vốn đầu tư xây dựng hệ thống truyền tải không được khai thác hợp lý, các máy biến áp vận hành non tải sẽ làm gia tăng tổn thất tổn thất trong hệ thống Tại các thời điểm này nếu có thêm nhu cầu dùng điện sẽ rất kinh tế và thuận lợi cho công tác vận hành hệ thống Tại nhiều nước, giá bán điện không thay đổi trong suất thời gian cung cấp đã tạo ra những hạn chế đáng kể đối với việc khuyến khích sử dụng điện năng hiệu quả và không phản ánh đúng thực chất giá trị của điện năng tại các thời điểm khác nhau

Trong các nước phát triển, giá bán điện được sử dụng như một công cụ rất hiệu quả để điều hoà nhu cầu dùng điện Biểu giá bán điện thay đổi một cách linh hoạt phụ thuộc vào từng mùa, từng thời điểm cấp điện, khả năng đáp ứng của hệ thống, trị số công suất và điện năng yêu cầu, địa điểm tiếp nhận, đối tượng khách hàng

Nhờ vậy điện năng đã được sử dụng một cách hiệu quả đem lại lợi ích cho cả người cung cấp lẫn ngươì sử dụng

- Điều khiển trực tiếp dũng điện :Mục tiêu chính của giải pháp này là san bằng đồ thị phụ tải của hệ thông điện nhằm giảm tổn thất, dễ dàng định được phương thức vận hành kinh tế hệ thống, giảm nhẹ vốn đầu tư phát triển nguồn và lưới điện, cung cấp cho khách hàng linh hoạt, tin cậy, chất lượng cao và giá thành

rẻ Trên hình 1.2 trình bày các biện pháp điều khiển trực tiếp dòng điện

Hỡnh 1.2 Điều khiển trực tiếp dũng điện

1 Cắt giảm đỉnh 2 Lấp thấp điểm

3 Chuyển dịch phụ tải 4 Biện pháp bảo tồn

5 Tăng trưởng dòng điện 6 Biểu đồ linh hoạt

a Cắt giảm đỉnh

Đây là biện pháp khá thông dụng để giảm phụ tải đỉnh trong các giờ cao

điểm của hệ thống điện nhằm giảm nhu cầu gia tăng công suất và tổn thất điện năng Có thể điều khiển dòng điện của khách hàng để giảm đỉnh bằng các tín hiệu

điều khiển từ xa hoặc trực tiếp tại hộ tiêu thụ Ngoài ra bằng chính sách giá điện cũng có thể đạt được mục tiêu này Tuy nhiên khi áp dụng biện pháp này các khách hàng thường được thoả thuận hoặc thông báo trước để tránh những thiệt hại

do ngừng cung cấp điện

b Lấp thấp điểm

Đây là biện pháp truyền thống thứ 2 để điều khiển dòng điện Lấp thấp

điểm là tạo thêm các phụ tải vào thời gian thấp điểm Điều này đặc biệt hấp dẫn nếu như giá điện cho các phụ tải dưới đỉnh nhỏ hơn giá điện trung bình.Thường

áp dụng biện pháp này khi công suất thừa được sản xuất bằng nhiên liệu rẻ tiền Hiệu quả thực là gia tăng tổng điện năng thương phẩm nhưng không tăng công suất đỉnh, tránh được hiện tượng xả nước (thuỷ điện) hoặc hơi (nhiệt điện) thừa,

có thể lấp thấp điểm bằng các kho nhiệt (nóng, lạnh), xây dựng các nhà máy thuỷ

điện tích năng, nạp điện cho ắc quy, ô tô điện

c Chuyển dịch phụ tải

Chuyển phụ tải từ thời gian cao điểm sang thời gian thấp điểm Hiệu quả thực là giảm được công suất đỉnh song không làm thay đổi điện năng tiêu thụ tổng Các ứng dụng phổ biến trong trường hợp này là các kho nhiệt, các thiết bị tích năng lượng và thiết lập hệ thống giá điện thật hợp lý

d Biện pháp bảo tồn

Đây là biện pháp giảm tiêu thụ, cuối cùng dẫn tới giảm tiêu thụ điện năng tiêu thụ tổng nhờ việc nâng cao hiệu năng của các thiết bị dùng điện

e Tăng trưởng dòng điện

Tăng thêm các khách hàng mới (chương trình điện khí hoá nông thôn là một ví dụ) dẫn tới tăng cả công suất đỉnh và tổng điện năng tiêu thụ

f biểu đồ phụ tải linh hoạt

Biện pháp này xem độ tin cậy cung cấp điện như một biến số trong bài toán lập kế hoạch tiêu dùng Và do vậy đương nhiên có thể cắt điện khi cần thiết Hiệu quả thực là công suất đỉnh và cả điện năng tiêu thụ tổng có thể suy giảm

Ngoài ra Ripple Control cũn cú thể thực hiện nhiều dịch vụ khỏc nhau như điều khiển đốn đường chiếu sỏng, cảnh bỏo phụ tải vv

Hệ thống điều khiển phụ tải cú những ưu điểm sau:

- Tốc độ, tớnh linh hoạt và độ tin cậy: Kỹ thuật điều khiển phụ tải bằng súng cho phộp chuyển đổi nhanh chúng, linh hoạt và chớnh xỏc phụ tải trong vũng 6,6 giõy (sử dụng mó decabit) Ripple Control với mức mó hoỏ cao cho phộp kiểm soỏt tới 20000 lệnh điều khiển phụ tải nờn cú thể chuyển đổi cú chọn lọc và linh hoạt cỏc phụ tải thớch hợp với độ tin cậy cao để đạt được biểu đồ phụ tải mong muốn

- Khả năng truyền tớn hiệu: Vỡ sử dụng hệ thống cung cấp điện làm kờnh truyền thụng tin nờn Ripple Control cú khả năng truyền thụng cao, tớn hiệu điều khiển cú thể nhận bất cứ nơi nào trong lưới điện điện phõn phối Về đặc điểm này cụng nghệ truyền tin trờn lưới điện hơn hẳn cụng nghệ dựng súng radio

- Quản lý dễ dàng: Vỡ sử dụng lưới điện làm kờnh truyền thụng tin nờn nhà cung cấp điện là nhà quản lý duy nhất về dải tần số truyền tớn hiệu

- Tớnh kinh tế: Ripple Control khụng cần vốn đầu tư xõy dựng kờnh truyền, cỏc thiết bị được lắp đặt đơn giản; sự phỏt triển điều khiển phụ tải khụng hạn chế Ngoài ra Ripple Control giải quyết được vấn đề đường cong phụ tải khụng bằng phẳng làm trỏnh hoặc trỡ hoón những khoản đầu tư lớn để nõng cấp lưới điện hiện

cú (tăng cụng suất đường dõy, mỏy biến ỏp, mỏy cắt, …)

1.3 Điều khiển tụ bù bằng sóng Ripple Control

Hiện nay tại Công ty Điện lực TP Hà Nội, cụ thể là trạm 110KV Giám đang được trang bị hệ thống điều khiển phụ tải bằng sóng có thể điều khiển nhiều phụ tải khác nhau.Qua khảo sát các trạm biến áp trung thế 22KV lấy nguồn từ hai thanh cái 22KV trạm Giám thường vận hành với hệ số công suất Cosϕ < 0,9 Để nâng cao hệ số Cosϕ nhằm giảm tổn thất điện năng tại các trạm biến áp thì phương án lắp đặt tụ bù và điều khiển từ xa theo sóng là phù hợp; mang lại nhiều lợi ích về kinh tế, kỹ thuật và có tính khả thi cao

Phương án lắp đặt tụ bù và điều khiển từ xa bằng sóng là sử dụng công nghệ điều khiển phụ tải bằng sóng tại lưới điện 22KV hiện có; các bộ thu tín hiệu điều khiển sóng sẽ chuyển mạch và điều khiển đóng cắt tụ tại các trạm phân phối

ở các thời điểm khác nhau theo yêu cầu của người vận hành

Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống điều khiển phụ tải bằng sóng như hình 1.3

Máy cắt

Tụ ghép nối Cuộn kháng điều chỉnh Máy biến áp Cách ly

Bộ điều khiển trung tâm MPC (Trung tâm Điều độ lưới điện Hà Nội)

Hệ thống thông tin song song PCS 400/230V supply

Hình 1.3 : Sơ đồ nguyên lý điều khiển tụ bù bằng sóng Ripple Control

22 KV

2.1.1 Bộ điều khiển trung tâm (MPC) :

MPC là bộ điều khiển trung tâm cung cấp tất cả các mã điều khiển sóng cho hệ thống điều khiển sóng MPC được lắp đặt tại trung tâm điều độ lưới điện

Hà Nội, nó là bộ điều khiển chính có khả năng điều khiển 32 thiết bị điều khiển sóng lắp đặt tại 32 trạm tương ứng MPC được ứng dụng để chuyển mạch, điều chỉnh phụ tải trong hệ thống điện MPC cho phép điều khiển các đối tượng trực tiếp trên màn hình, cài đặt điều khiển theo thời gian và điều khiển theo sự kiện Những file dữ kiện sẽ được phân tích trong suốt quá trình điều khiển Mọi dữ liệu cơ sở và sự kiện được hiển thị trên màn hình máy tính, nạp và lưu trữ trong ổ cứng hoặc được in ra

MPC bao gồm bộ xử lý trung tâm PS và máy tính cá nhân PC..Bộ xử lý trung tâm PS được thiết kế sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, thực hiện chức năng điều khiển sóng Máy tính cá nhân làm việc như một giao diện thông minh; tất cả các dữ liệu được cấu trúc rõ ràng và hiển thị trên màn hình; các dòng chữ được hiển thị theo ngôn ngữ lựa chọn; các thông số có thể được in ra

Phần mềm MPC dùng để giám sát vận hành hàng ngày cũng như để lập trình cho hệ thống điều khiển sóng Phương thức lập trình hướng tới đối tượng kết hợp với các menu đơn cho phép người sử dụng vận hành hệ thống một cách

Hình 2.2 : Phần mềm điều khiển MPC

Đặc điểm chính của phần mềm MPC :

- Cài đặt và điều khiển 20 nhóm đối tượng

- Cài đặt và điều khiển 200 đối tượng

- Cung cấp 10 chương trình cài đặt và điều khiển theo thời gian cho mỗi đối tượng hoặc nhóm đối tượng

- Cung cấp 10 chương trình cài đặt và điều khiển theo sự kiện cho mỗi đối tượng hoặc nhóm đối tượng

- Hiển thị trạng thái làm việc của các trạm, các đối tượng được điều khiển

- Cảnh báo, lưu giữ sự kiện tại các trạm và các đối tượng được điều khiển

Các phương thức vận hành hệ thống thông qua phần mềm MPC :

- Điều khiển bằng tay (kích chuột)

- Vận hành theo thời gian (giờ, ngày, tháng, năm, mùa… cố định)

- Điều khiển theo sự kiện (kích hoạt đầu vào, tín hiệu từ bên ngoài)

- Điều hoà phụ tải

Thiết bị điều hoà phụ tải : Là một bộ điều khiển phụ tải mạch vòng kín dựa trên các loại phụ tải có thể điều khiển được và hoạt động theo giá trị tức thời của tổng công suất phhụ tải thực tế trên lưới Mục tiêu công suất phụ tải có thể được đặt bằng lập trình thời gian hoặc bằng lập trình theo sự kiện Giá trị công suất tức thời được lấy từ các bộ chuyển đổi đo điện độc lập tại mỗi thanh cái; tín hiệu đầu vào là điện áp và dòng điện trên thanh cái, tín hiệu đầu ra từ 0 đến 20mA được đưa tới tủ MLC và truyền qua kênh truyền analog của PCS tới đầu vào của thiết bị điều hoà phụ tải của MPC

Các thanh công cụ chính (main menus) trong màn hình điều khiển MPC :

- Objects (Đối tượng) : Thanh công cụ này cho phép hiển thị ra màn hình tên và trạng thái của đối tượng được điều khiển; cài đặt các chương trình vận hành cho dối tượng như trạng thái hiện tại của đối tượng, cho phép điều khiển đối tượng tại chỗ, cài đặt chương trình thời gian (time program) cho đối tượng…

- Object Groups (Nhóm đối tượng) : Tương tự như đối tượng, thanh công

cụ này hiển thị và cài đặt các chương trình cho các nhóm đối tượng được điều khiển ( Hình 2.3)

Hình 2.3 Cài đặt đối tượng và nhóm đối tượng điều khiển

- Substation (Trạm khu vực) : Hiển thị các đối tượng và trạng thái của

chúng tại các trạm khu cực được lựa chọn, cài đặt các chương trình vận hành cho

các đối tượng, cài đặt và hiển thị mã điều khiển của các đối tượng (Hình 2.4)

Hình 2.4 Cài đặt thông số trạm khu vực

- Signals (Tín hiệu) : Hiển thị và cài đặt các tín hiệu trên màn hình, các tín hiệu cài đặt như tín hiệu điều khiển tại chỗ, tín hiệu quá tải, quá nhiệt…

Hình 2.5 Cài đặt tín hiệu điều khiển

- System (Hệ thống) : Hiển thị trạng thái làm việc của hệ thống MPC như đang ở chế độ làm việc (run) hay chế độ dừng (halt0

- Load Control (Điều khiển phụ tải) : Hiển thị trạng thái của phụ tải như công suất đỉnh, công suất trung bình, đường cong phụ tải, thiết bị được đóng cắt theo điều khiển phụ tải

Sử dụng chức năng điều khiển phụ tải sẽ cắt được phụ tải đỉnh bằng cách

xa thải các phụ tải kém quan trọng và được đăng ký giảm tải từ trước (hình 2.6)

Đường cong phụ tải (Load curve) hiển thị công suất tổng và công suất các thiết bị được điều khiển theo phụ tải (hình 2.7)

Hình 2.6 Điều khiển phụ tải

Hình 2.7 Đường cong phụ tải

2.1.2 Hệ thống điều khiển khu vực MLC :

Bộ điều khiển khu vực MLC lắp đặt tại trạm Giám hoạt động như bộ điều khiển dự phòng của bộ điều khiển trung tâm MPC

Bộ điều khiển MLC có nhiệm vụ :

- Cài đặt các thông số hệ thống điều khiển sóng và điều khiển phụ

tải tại khu vực (trạm Giám)

- Tự động vận hành độc lập khi có sự cố ở bộ điều khiển trung tâm

MPC hoặc đường truyền giữa MPC và MLC

- Điều khiển khẩn cấp phụ tải qua các phím bấm mà không cần tới

máy tính

- Chuyển đổi chế độ hoạt động tại chỗ (Local), từ xa (Remote) hoặc

dừng (Halt) từ trạm điều khiển trung tâm hoặc tại chỗ bằng máy tính hoặc các phím bấm

Phần mềm MPL dùng để giám sát vận hành hàng ngày và lập trình cho hệ thống điều khiển sóng tại một trạm khu vực Cũng như MPC, phương thức lập

Hình 2.8 : Bộ điều khiển MLC

trình của MLC hướng tới đối tượng kết hợp với các menu đơn cho phép người sử dụng vận hành hệ thống một cách dễ dàng và an toàn

2.2 Máy phát sóng SFU – K (Static Frequency Converters)

Máy phát sóng SFU-K phát tín hiệu điều khiển sóng để truyền qua mạch ghép nối song song vào thanh cái 22KV tại trạm Giám và dựa vào công nghệ IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) hiện đại Máy phát có những ưu điểm tiên tiến như độ tin cậy cao, đầu ra không bị ngắn mạch, ít tổn thất v.v…; Lập trình và phục hồi số liệu nạp của máy phát được thực hiện tại bảng điều khiển hoặc từ xa qua moderm và phần mềm máy tính

Hình 2.9 : Phần mềm điều khiển MLC

Thông số kỹ thuật của máy phát sóng SFU-K 330 :

- Điện áp đầu vào : 3 x 400VAC ± 15%

- Tần số đầu vào : 50/60 Hz

- Số đầu ra : 4

- Điện áp đầu ra : 4 x 150…400 VAC, có thể lập trình

- Tần số đầu ra 100…2000 Hz, có thể lập trình (tần số được chọn cho hệ thống điều khiển sóng tại Trạm Giám là 317 Hz)

Hình 2.10 : Máy phát sóng SFU-K 330

- Công suất/ dòng : 120 KVA/ 180 A

- Kích thước : 650 x 1915 x 600 mm

- Khối lượng : 175 Kg

- Môi trường làm việc : 10 oC…+55 oC

- Loại bảo vệ : IP 20 (DIN 40050)

SFU-K có thể cài đặt và phát hiện lỗi và hiển thị trên màn hình Màn hình cho phép người sử dụng dễ dàng cài đặt và phát hiện lỗi thông qua những thông tin được hiển thị ở dạng text Hệ thống phát hiện lỗi lưu lại những sự kiện cùng với những giá trị vận hành tương ứng Phần mềm cài đặt, phát hiện lỗi và điều khiển từ xa SFP cho phép dễ dàng cài đặt các thông số và phát hiện lỗi từ xa và tại chỗ Hơn nữa, những giá trị vận hành và tín hiệu truyền sẽ được lưu liên tục ở máy tính PC

Máy phát sóng SFU-K bao gồm bảng đi khiển, bộ điều khiển, bộ chỉnh

lưu, bộ chuyển đổi và các Output đầu ra

- Control panel (Bảng điều khiển) : bao gồm bàn phím, màn hình hiển thị

và cổng kết nối

+Bàn phím cho phép cấu hình và vận hành SFU-K

+Màn hình hiển thị màu 4x20 ký tự: được dùng để hiển thị các thông số vào, hiển thị trạng thái vận hành và đọc các sự kiện, cảnh báo từ bộ nhớ

+Cổng kết nối RS232 : cho phép kết nối SFU-K với máy tính để cài đặt chương trình và đọc các thông số vận

hành

- Controller (Bộ điều khiển) :

+ Nhận tín hiệu từ bảng điều khiển

và truyền những thông số vận hành quan trọng như điện áp, dòng điện, công suất

và các sự kiện ra màn hình hiển thị

+ Liên tục giám sát dòng điện, điện áp, nhiệt độ không được vượt quá giới hạn

+ Lưu các sự kiện trong bộ nhớ đệm

+ Điều khiển IGBT power semiconductors

- Rectifier (Bộ chỉnh lưu) : biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha từ nguồn cấp

chính sang điện điện áp 1 chiều

- Inverter (Bộ chuyển đổi) : Biến đổi điện áp 1 chiều sang điện áp xoay

chiều 3 pha cùng vớp công nghệ IGBT Tần số được truyền đi tuỳ thuộc vào sự cài đặt của SFU-K

- Outputs (Đầu ra) : Điện áp truyền tới mạch đóng cắt Coupling thông qua

đầu ra output:

+ Tất cả các kết nối tới các đầu ra output có thể được ngắt bởi dao cách ly đầu ra (output disconnector)

Vận hành chế độ khẩn cấp (Emergency Operation) : Chế độ vận hành khẩn cấp là rất quan trọng nếu như có sự cố ở hệ thống điều khiển tại chỗ hoặc từ xa SFU-K cung cấp hai cách thức vận hành đó là ấn nút điều khiển khẩn cấp hoặc một tín hiệu được truyền độc lập từ bảng điều khiển

Bảo vệ mạch ghép nối : Trong hệ thống điều khiển sóng, mạch ghép nối thường rất nhạy cảm trong điều kiện truyền dòng điện và xung cùng thời điểm Máy phát sóng SFU-K có thể điều chỉnh giới hạn dòng điện và xung ở đầu ra nhằm mục đích bảo vệ các phần tử trong mạch ghép nối

2.3 Mạch ghép nối song song

Hai mạch ghép nối song song có nhiệm vụ truyền tín hiệu điều khiển sóng vào mạng 22KV lưới điện từ máy phát sóng SFU-K Bên cạnh độ tin cậy cao và chi phí bảo dưỡng thấp, ưu điểm chính của phương thức ghép nối là tính độc lập của mức tín hiệu điều khiển sóng đối với dao động phụ tải trong lưới

Mạch ghép nối bao gồm :

- Một máy biến áp cách ly loại R&S T24/60/III/317

- Ba cuộn kháng điều chỉnh loại T72DK/130/3060

- Ba tụ ghép nối loại Rod Phafo 425 A

- Ba van chống sét loại BHF 7DC

Cuộn điều chỉnh và các tụ ghép nối tạo nên một mạch cộng hưởng được điều chỉnh tới tần số 317 Hz, có hệ số chất lượng Q>100, và hệ số hấp thu tín hiệu đủ lớn

Các tụ ghép được trang bị điện trở bên trong đảm bảo thoát tải nhanh trong vòng vài phút sau khi ngắt mạch ghép nối

2.4 Máy thu ROA

Máy thu ROA có nhiệm vụ nhận và giải mã tín hiệu điều khiển được

truyền từ trung tâm tới, nó được lắp đặt trong mạng hạ thế để điều khiển trực tiếp

và gián tiếp phụ tải, khi nhận được mã lệnh điều khiển của riêng nó thì nó sẽ chuyển mạch một hay một số công tắc chuyển mạch, từ đó điều khiển đóng cắt phụ tải

Để phân biệt một lệnh điều khiển với sóng hài và các tín hiệu nhiễu khác trên đường dây, bộ lọc của máy thu cần phải có độ chọn lọc và độ nhạy cao Với nguyên tắc mã hoá decabit, máy thu sẽ phân biệt được rõ lệnh điều khiển và nhiễu trong đường truyền

Máy thu sóng ROA gồm có loại 3 phần tử và 5 phần tử Máy thu ROA có thể cài đặt và đọc các thông số qua cổng kết nối quang dễ dàng Để cài đặt thông

số vận hành cho máy thu ROA sử dụng thiết bị ROH với phần mềm ROP như hình 2.12

Hình 2.11 : Máy thu sóng điều khiển ROA

2.5 Mã điều khiển sóng DECABIT

DECABIT là hệ thống điều khiển sóng hữu hiệu nhất, có những đặc tính sau :

- Độ tin cậy truyền sóng cao do hệ thống phát hiện lỗi bên trong (mã cân bằng 5 trên 10 tín hiệu) và xung tương đối dài

- Hệ thống linh hoạt gọi tới 100 phụ tải hay nhóm phụ tải với một lệnh đơn (hay 20000 phụ tải với một lệnh kép)

- Truy cập nhanh tới bất kỳ lệnh và thực hiện lệnh trong vòng 6,6 giây với lệnh đơn và 13,8 giây đối với lệnh kép

- Tính linh hoạt cao với 100 cặp lệnh đóng cắt với lệnh đơn, 19 cặp lệnh đóng cắt với lệnh chủ, 20000 cặp lệnh đóng cắt với lệnh kép

Hình 2.12 : Phần mềm ROP cài đặt cho ROA

Hình 2.13 là ví dụ về dạng mã điều khiển phụ tải bằng sóng Kỹ thuật mã hoá này giảm thiểu tác động của nhiễu do sóng hài trong hệ thống điện gây ra đối với tín hiệu điều khiển và máy thu

Hình 2.13 Thứ tự thời gian của một lệnh m∙ hoá DECABIT

Dãy xung mã decabit đ−ợc sử dụng để mã hoá lệnh điều khiển phụ tải bằng sóng nh− hình 2.5 bao gồm 5 dấu và 5 khoảng trống Để phân biệt đ−ợc tín hiệu

và nhiễu quá độ, xung khởi động và mỗi khoảng thời gian tiếp theo sau đó có độ dài 600ms nên toàn bộ dãy xung kể cả xung khởi động 6,6 giây Cuối dãy xung mã là bit stop sẽ làm cho trạng thái máy phát và thu trở về trạng thái đợi Với độ dài xung là 600 ms, tốc độ truyền tín hiệu của điều khiển phụ tải bằng sóng là 1,7 baud (baud = bit/giây) Tốc độ truyền này khá thấp so với các kỹ thuật điều khiển phụ tải từ xa khác nh− hệ thống điện thoại hai hệ thống vô tuyến…

Mục tiêu đầu tiên trong việc mã hóa tín hiệu là tạo nên một số l−ợng lênh lớn nhất với số bit ít nhất Về mặt lý thuyết, số lệnh lớn nhất có thể có là 2n lệnh

nếu tổ hợp n bit được sử dụng Đối với những ứng dụng đơn giản của việc điều khiển bằng sóng thì yêu cầu khoảng 50 đến 100 cặp lệnh ON/OFF, tương ứng 100

đến 200 lệnh Số lượng lệnh này có thể tạo nên từ tín hiệu 8 bit, 28 = 256 lệnh Tuy nhiên tất cả các tổ hợp bit đều được dùng hết trong trường hợp này Do vậy, một tổ hợp bit tương ứng với một lệnh nếu có một dấu hay một khoảng trống

được thêm vào hoặc bớt đi thì sẽ tạo một tổ hợp bit khác (tương ứng với một lệnh khác) Hệ thống mã hóa như vậy vẫn có khả năng tác động nhầm giống như hệ thống xung cách quãng Độ tin cậy của hệ thống sẽ được cải thiện nếu chỉ sử dụng tổ hợp của một lớp, tức là những dãy xung có cùng số dấu và khỏang trống

Điều này làm giảm số lệnh có thể có, nhưng bù lại có thể tăng thêm số bit lên Ví

dụ như không sử dụng mã 8 bit mà sử dụng mã 10 bit (decabit) nhưng chỉ có những dãy xung của lớp thứ 5 được dùng sẽ có được 252 lệnh, gần bằng với số lệnh khi sử dụng tất cả 8 bit, tuy nhiên việc sử dụng chỉ những dãy mã của một lớp sẽ chắc chắn ngăn chặn được những thao tác nhầm

Nếu chỉ những dãy mã với 5 dấu và 5 khoảng trống được sử dụng tìhì số lệnh sẽ bằng với số tổ hợp của lớp thứ 5 từ 10 phân tử:

)!

!.(

!

k n k

n C

ư

=Với n là số khoảng thời gian, k là số lớp, C là số lệnh

Nếu n = 10, k = 5 thì 252

!5

điều khiển một nhóm máy thu bất kỳ đặt ở cùng một dãy mã và làm cho chúng thực hiện tao tác chuyển mạch trong 6,6 giây

2.6 Hệ thống thông tin song song PCS

Hệ thống thông tin song song (PCS) được thiết kế để truyền tín hiệu giữa

bộ điều khiển trung tâm (MPC) và bộ điều khiển khu vực (MLC) PCS có hai cổng giao diện đó là cổng giao diện qua đường điện thoại công cộng (2 hoặc 4 dây) và cổng giao diện RS-232 Cổng RS-232 cho phép kết nối thông qua các đường truyền nối tiếp sẵn có như cáp quang, radio, thông tin tải ba, v.v…

Hình 2.14 : Thiết bị kết nối song song PCS

Đặc điểm chính của bộ kết nối song song PCS :

- Hệ thống đường truyền đa năng cho điều khiển sóng

- Giao diện cho đường truyền qua cổng RS-232 hoặc modem

- Truyền được 5 tín hiệu trên 1 đường truyền

- Kênh analogue (tương tự) được sử dụng cho việc truyền các giá trị năng lượng

- Hai khối độc lập giữa trạm trung tâm và trạm khu vực

- Chương trình cài đặt được thực hiện bởi máy tính

- Tất cả các kết nối được truy cập trên bề mặt

Hình 2.15 : Sơ đồ chức năng kết nối song song PCS

Khối PCS Trung tâm

Modem Kết nối

2 hoặc 4 dây

RS-232 Kết nối

kỹ thuật số

Khối PCS Khu vực

Kết nối

tương tự

0 20 mA

Kết nối tương tự

0 20 mA

Chương 3

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG BÙ TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI

THEO THÔNG TIN ĐO LƯỜNG 3.1 Đặt vấn đề

Với hệ thống điều khiển phụ tải bằng sóng Ripple Control cho phép chúng

ta thu thập được các thông số tại nút phụ tải cũng như các nhánh đường dây, đó là

cơ sở và điều kiện hết sức thuận lợi để quản lý và điều khiển phụ tải theo nhu cầu (Demand Side Management) Những thông thu thập được từ nút phụ tải phụ tải

và nhánh đường dây đó là điện áp, công suất, hệ số Cosφ, dòng điện, phân bố công suất trên các nhánh đường dây, là công suất phản kháng và tác dụng trên đường dây

Trong chương này trình bày khả năng sử dụng hệ thống điều khiển sóng Ripple Control vào việc điều khiển tối ưu dung lượng bù trong lưới phân phối theo thông tin đo lường nhằm cực tiểu hoá chi phí tổn thất công suất, tổn thất điện năng

Trước hết ta cần nghiên cứu các phương pháp xác định tổn thất công suất

Xác định tổn thất công suất thực chất là phân tích chế độ xác lập của hệ thống cung cấp điện : tính phân bố dòng, áp, công suất trên các phần tử của lưới điện Tổn thất sẽ được tính chính xác nếu tính đầy đủ các yếu tố của phần tử Mọi thông số của các phần tử đều trực tiếp hay gián tiếp liên quan đến trị số tổn thất công suất tổng trong lưới như tổn thất có tải và không tải các máy biến áp, dung dẫn đường dây, dung lượng bù vào các nút phụ tải vv

Tổn thất công suất trên đường dây phụ thuộc vào điện trở R và dòng điện I chạy trên đường dây :

2

2 2 2

2 2

3

dm

Q P R U

S R RI

P = = = +

Trong đó :

R là điện trở đường dây

S là công suất biểu kiến : S(t) = P(t) + jQ(t)

P,Q là công suất tác dụng, phản kháng 3 pha trên đường dây

Udm là điện áp định mức đường dây

Tổn thất điện năng được xác định theo nhiều cách khác nhau, cách tính phổ biến tổn thất điện năng là theo tổn thất công suất cực đại :

- Ta tính được ∆Pmax khi biết được đồ thị phụ tải

- Thời gian tổn thất công suất lớn nhất τ được tính theo nhiều cách khác nhau :

Theo công thức kinh điển : τ = (0,124+Tmax.10-4)8760

P

P1(P

P28760

T1

T87608760

T2

max min

max

min max

max

−+

−+

−

=τ

Theo công thức Valendel : τ = 8760[0,13(Tmax/8760)+0.87(Tmax/8760)2] Tra theo đường cong : τ = f(Tmax , cosϕ)

Xác định tổn thất công suất và điện năng là gắn liền với nhau; ta lần lượt xét đến tổn thất công suất trước và sau khi đặt thiết bị bù và vấn đề vận hành tối theo mục tiêu tổn thất điện năng nhỏ nhất với những sơ đồ lưới điện khác nhau

Ta sử dụng chỉ tiêu tổn thất điện năng làm điều kiện để tính toán, điều khiển tối ưu Thiết bị bù được điều khiển tối ưu nếu tổn thất điện năng nhỏ nhất

3.3 Xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu dung lượng bù theo thông tin đo lường trong lưới điện phân phối

Để nghiên cứu thuật toán bù tối ưu ta xét với sơ đồ từ đơn giản đến phức phạp như sau :

3.3.1 Sơ đồ lưới điện đơn giản

Ta xét sơ đồ lưới điện đơn giản bao gồm nhánh có điện trở R và điện kháng X

Công suất truyền tải trên đường dây khi chưa có bù là : St=Pt+jQt

Công suất truyền tải sau khi có bù công suất phản kháng là : St=Pt+j(Qt-Qb)

Trong đó Qb là công suất phản kháng bù vào phụ tải

Bài toán đặt ra là tìm quy luật thay đổi dung lượng bù để tổn thất điện năng

∆A đạt giá trị nhỏ nhất khi cho trước biểu đồ phụ tải cuối đường dây Trước hết

ta đi thiết lập biểu thức tính tổn thất công suất

Tổn thất công suất tác dụng khi chưa xét đến bù :

2 2 2

2 2

1 3

dm

t t

dm

t

U

Q P R U

S R RI

2

2 2

2

) (

3

dm

b t t dm

t

U

Q Q P R U

S R RI

( ] ) (

[

2

2 2

2 2

2 1

dm

b b t dm

b t t

U

Q Q Q R U

Q Q Q R P P

Q Q Q R Q Q

Vậy chênh lệch tổn thất lớn nhất (hiệu quả giảm tổn thất cao nhất) khi

Qb=Qt, đây là trường hợp bù hoàn toàn

Như vậy nếu ta sử dụng thiết bị bù có phạm vi điều chỉnh công suất đủ lớn

và điều khiển trơn đặt ở cuối đường dây thì quy luật điều khiển cho thiết bị bù là :

) ( ) (t Q t

3.3.2 Sơ đồ lưới đơn giản có điện dung đường dây

Giả sử đường dây đơn giản có điện trở R, trở kháng X và điện dung lđường dây

2 / 2 2 / 1

t U jB Q

Q b = b = (3.7)

Tổn thất công suất khi chưa bù là :

2

2 2 / 2

2 2

1

) (

3

dm

b t t

U

Q Q P R RI

2 2

2

) (

3

dm

b b t t

U

Q Q Q P R RI

/ 2

2 2 / 2 2

1

] ) (

) [(

dm

b b

t b

t

U

Q Q

Q Q

Q R P P

2 2 ( ) ] [

dm

b b t b

U

Q Q Q Q

t dm b

b b t dm b b

Q Q

Q U

R Q

Q Q Q U

R Q Q

P

δ

2 / 2

( ) (

2 t BU t Q t

Vậy hiệu quả giảm tổn thất sẽ là tối đa nếu công suất bù thoả mãn biểu thức (3.11); cụ thể nếu ta sử dụng thiết bị bù trơn SVC thì công suất thay đổi tối

ưu là :

2

) ( )

( )

( ) (

2 2

/ 2

t BU t Q Q

t Q t

Ta dễ nhận thấy rằng để điều khiển tối ưu thiết bị bù trong trường hợp này

ta cần đo công suất phản kháng cuối đường dây Qt(t), và điện áp biến thiên theo thời gian U(t) Khi đó ta xác định được dung lượng bù tối ưu cho thiết bị bù cần thoả mãn biểu thức (3.12)

3.3.3 Sơ đồ lưới phức tạp hình tia

Với sơ đồ phức tạp hình tia bao gồm nhiều nhánh kết nối với nhau theo hình tia Ta ký hiệu các thông số trên sơ đồ như sau :

+ Tên nhánh và nút cuối nhánh là trùng nhau tính theo hướng công suất + Tổng dẫn nhánh i : Zi = Ri + jXi

Trong đó Ri là điện trở, Xi là điện kháng đường dây i + Công suất đang truyền dẫn trên nhánh i : Si = Pi + jQi

+ Công suất phụ tải nút i : Sti = Pti + jQti

+ Dòng điện trên nhánh i : Ii

Giả thiết có thiết bị bù đặt tại nút j với công suất phản kháng là : Qbj

Tổng tổn thất công suất khi chưa có bù là :

2

2 2 2

dm

i i i i

i i

U

Q P R I

R P

2 2

) (

3

dm

bj i i i i

i i

U

Q Q P R I

R P

Q b4

) 2

2 2

dm

i D i

U

R P

Chênh lệch tổn thất công suất lớn nhất khi đạo hàm riêng δPj theo Qbj bằng

i

D

i D

i dm bj i bj

i

bj bj

Q R Q

R

Q Q U

R Q

Q Q U

R Q

R

Q R

Dế nhận thấy rằng chênh lệch tổn thất công suất có dạng bậc 2 theo dung lượng bù tại nút j (Qbj) và đạt giá trị cực đại tại tại Qbjmax thoả mãn biểu thức (3.16).Như vậy ở mỗi thời điểm cũng tồn tại một trị số dung lượng bù tối ưu cho nút j

Khi có nhiều dung lượng bù đặt ở các nút khác nhau cùng được xem xét thì dung lượng bù tối ưu tại một nút có ảnh hưởng lẫn nhau nhiều hay ít phụ thuộc vào sơ đồ Tuy nhiên đối với mỗi dung lượng bù thì trị số tối ưu của nó vẫn hoàn toàn xác định theo phân bố công suất đo được trên con đường D từ nguồn đến vị trí nó

3.4 Điều khiển tối ưu thiết bị bù khi dung lượng thay đổi nhảy cấp

Hiện nay trong lưới phân phối đa số thiết bị bù có dung lượng bù thay đổi nhảy cấp nên việc thực hiện điều khiển tối ưu liên tục như trình bày ở trên không

áp dụng được Trong mục này xét quy luật điều khiển tối ưu dung lượng bù dạng nhảy cấp

3.4.1 Sơ đồ lưới đơn giản

Hình 3.7 Sơ đồ lưới điện đơn giản

Trước hết xét sơ đồ đơn giản như trên hình vẽ giả thiết:

- Phụ tải cuối đường dây là St(t) = Pt(t) + jQt(t) với công suất tác dụng Pt(t) và công suất phản kháng Qt(t) thay đổi đồng thời với hệ số Cosφ không thay đổi

- Tổng trở đường dây biết trước với Z=R+jX

- Thiết bị có n nấc điều khiển với công suất bù là Qb1, Qb2

Giả sử xét với thiết bị bù đóng ở nấc k tương ứng với công suất bù Qbk khi

đó ta có :

Biểu thức tính tổn thất công suất trên nhánh đường dây trước khi bù là :

2

2 2 2

1 ( ) 3

dm

t t t

U

Q P R RI S

3 ) (

dm

bk t t t

Qbk

U

Q Q P R RI S

2

2 2 1

) (

) ( )

( )

(

dm

bk t t

dm

t t t

Qbk t

t

U

Q Q P R U

Q P R S P S

P S

) sin

2 (

2 )

2 2

2

bk t bk

dm dm

b t bk

U

R U

Q Q Q R S

Từ biểu thức (3.19) cho thấy rằng :

+ Với một nấc bù cố định thì chênh lệch tổn thất công suất trước và sau bù khi phụ tải biến thiên có dạng hàm bậc 1, cắt trục hoành tại 1 điểm xác định tương ứng với

ϕ

ϕ 2 sin sin

Q Q

Q

S = = ; S0 chính là điểm bắt đầu bù hiệu quả Thiết

bị bù hiệu quả khi đường thẳng nằm trên trục hoành (δP(St) > 0); nếu tải bé St <

S0 thì hiệu quả bù âm, lúc này bù thừa công suất phản kháng làm tăng thêm tổn thất

+ Với những nấc bù khác nhau ta có họ đường thẳng δP(St) như hình 3.8;

họ đường thẳng này cắt nhau tại các điểm có hoành độ Sb1, Sb2, Sb3 ; những điểm giao cắt này chính là điểm chuyển nấc bù