Giám sát online thông số vận hành lưới điện vạn ninh tỉnh khánh hòa theo công nghệ gis và web thích nghi

Xuất phát từ nhu cầu trên, đề tài này nghiên cứu kết hợp phương pháp tính toán tổn thất điện năng lưới phân phối và ứng dụng công nghệ công nghệ GIS và công nghệ Web thích nghi để xây dự

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HOÀNG THIÊN CA

GIÁM SÁT ONLINE THÔNG SỐ

VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN VẠN NINH

TỈNH KHÁNH HOÀ THEO CÔNG NGHỆ GIS

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ THỊ TỊNH MINH

Phản biện 1: GS.TS LÊ KIM HÙNG

Phản biện 2: PGS.TS VÕ NGỌC ĐIỀU

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện họp tại

Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 10

năm 2017

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa, ĐHĐN

MỞ ĐẦU

Áp dụng công nghệ và các thành tựu mới của khoa học kỹ thuật vào lưới điện, nhiều trạm biến áp đã chuyển dần thành trạm không người trực, công nghệ Scada trong nhà máy và trong điều độ được vận dụng ngày càng hiệu quả Chính vì vậy, việc giám sát online lưới điện cũng phải được kể đến như phần không thể thiếu trong lưới điện Smart grid ngày nay Tuy nhiên, đối với hệ thống lưới điện phân phối, do tính chất của bán kính cấp điện, phân bố các

hộ phụ tải cũng như cấu trúc lưới phức tạp, nên việc giám sát online cho lưới điện này còn nhiều hạn chế, đặt biệt là về vấn đề tổn thất công suất và điện năng Xuất phát từ nhu cầu trên, đề tài này nghiên cứu kết hợp phương pháp tính toán tổn thất điện năng lưới phân phối

và ứng dụng công nghệ công nghệ GIS và công nghệ Web thích nghi

để xây dựng chương trình có thể cảnh báo tổn thất online lưới điện phân phối 22kV

Đề tài đề xuất áp dụng thực tế cho lưới điện phân phối Vạn Ninh – Khánh Hòa Kết quả của đề tài mong muốn thể hiện việc nâng cao công tác quản lý vận hành, độ tin cậy cung cấp điện và giảm tổn thất điện năng một cách hiệu quả dựa trên việc giám sát online trào lưu công suất của lưới điện 22kV cho khu vực

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Tổn thất điện năng trong sản xuất kinh doanh ngành điện bị tác động bởi nhiều yếu tố, trong đó được chia thành 2 yếu tố chính là yếu tố kỹ thuật và yếu tố phi kỹ thuật Để giảm tổn thất điện năng một cách hiệu quả, cần nghiên cứu, phân tích các nguyên nhân, yếu

tố tác động cũng như khoanh vùng vị trí gây nhiều tổn hao một cách chính xác

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài này đề xuất việc cảnh báo tổn thất online cho lưới điện Vạn Ninh bằng công nhệ công nghệ GIS

và công nghệ Web thích nghi nhằm hạn chế nhược điểm hiện tại và nâng cao giải pháp quản lí và vận hành lưới điện

2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: lưới điện phân phối 22kV

- Phạm vi nghiên cứu: tính toán phân tích tổn thất điện năng lưới phân phối và các giải pháp công nghệ quản lý trực quan tổn thất điện năng xuất tuyến trung áp 22kV khu vực huyện Vạn Ninh

3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu đánh giá phương pháp tính toán tổn thất điện năng bằng phương pháp mới [1] So sánh với phương pháp tính hiện tại trên phần mềm PSS/Adept

- Áp dụng tính toán cho xuất tuyến 476 – EVG khu vực Vạn Ninh

- Đề xuất giải pháp công nghệ xây dựng hệ thống quản lý tổn thất online theo công nghệ GIS và công nghệ Web thích nghi

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC THỰC TIỄN

- Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được sử dụng như tài liệu tham khảo cho công tác vận hành, quản lý lưới điện phân phối 22kV

- Đề tài nghiên cứu xuất phát từ thực tế hiện tại của lưới điện phân phối huyện Vạn Ninh, kết quả sau khi nghiên cứu tính toán có ý nghĩa thực tiễn và có thể áp dụng trong quản lý và vận hành Cụ thể, vấn đề quản lý tổn thất hiện nay được thực hiện thủ công mang tính chủ quan nhiều nên việc nghiên cứu và xây dựng hệ thống cảnh báo tổn thất online giai đoạn hiện nay mang lại hiệu quả thiết thực trong công tác giảm tổn thất điện năng, tiết kiệm chi phí quản lý góp phần nâng cao hiệu quả kinh doanh điện năng và phù hợp với xu thế đổi mới của lưới điện hiện đại

5 TÊN ĐỀ TÀI

“GIÁM SÁT ONLINE THÔNG SỐ VẬN HÀNH LƯỚI

ĐIỆN VẠN NINH TỈNH KHÁNH HOÀ THEO CÔNG NGHỆ

GIS VÀ WEB THÍCH NGHI”

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Đề tài nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán tổn thất điện năng kết hợp giải pháp công nghệ thông tin nhằm xây dựng chương trình quản lý trực quan ứng dụng vào lưới điện phân phối huyện Vạn Ninh

7 TỔ CHỨC BIÊN CHẾ ĐỀ TÀI

Căn cứ mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu đề tài được đặt tên là: “Giám sát online thông số vận hành lưới điện Vạn Ninh tỉnh Khánh Hoà theo công nghệ GIS và Web thích nghi”

Luận văn gồm các chương sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về tình hình tổn thất điện năng lưới điện 22kV Vạn Ninh

Chương 2: Cơ sở tính toán tổn thất điện năng

Chương 3: Giám sát thông số vận hành bằng công nghệ kết nối hiển thị online

Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN 22KV VẠN NINH 1.1 Thông số vận hành lưới điện phân phối và tổng quan lưới điện 22kV Vạn Ninh

1.1.1 Điện áp

1.1.2 Hệ số công suất

1.1.3 Tần số

1.1.4 Tổn thất điện năng

1.1.5 Tổng quan lưới điện phân phối huyện Vạn Ninh

1.2 Tình hình TTĐN lưới điện Vạn Ninh

a) Cấp 22kV:

b) Cấp 0,4kV:

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến TTĐN khu vực huyện Vạn Ninh

1.3.1 Tổn thất kỹ thuật

1.5.1 Thành tựu trong giảm TTĐN Tính đến tháng 07/2017, Điện lực

Vạn Ninh không còn TBA nhóm 1 có tổn thất ≥ 4,5% và nhóm 2

≥6,5%

1.5.2 Các tồn tại và yếu tố ảnh hưởng

TTĐN trung áp khu vực huyện Vạn Ninh có dấu hiệu chững lại, do đặc thù vị trí địa lý, các xuất tuyến trung áp có chiều dài trên 40km, chỉ có thể giải quyết giảm TTĐN bằng giải pháp đầu tư TBA 110kV

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

2.1.Tính trào lưu công suất trong lưới điện phân phối

2.1.1 Dùng phần mềm Pss/adept

2.1.2 Lập trình Matlab theo thuật toán của D.DAS D.Das et al đã

đề xuất một phương pháp tính toán trào lưu công suất cho lưới phân phối bởi việc đánh giá một biểu thức đại số của điện áp, có thể xử lý các loại đặc tính tải khác nhau và đòi hỏi ít bộ nhớ máy tính hơn Các bước thực hiện xây dựng thuật toán để lập trình:

- Thành lập công thức tính toán, tính điện áp tại các nút xác định

- Thành lập thuật toán để xác định nút, nhánh và tính toán lưu lượng dòng tải

a) Thành lập công thức tính toán, tính điện áp tại các nút

xác định Bất kỳ xuất tuyến nào có thể biểu diễn bằng giản đồ đơn

giản thu gọn gồm 2 nút, nút chuyển đại diện cho nguồn và nút nhận đại diện cho tải như Hình 2.1

Hình 2.1 Giản đồ thu gọn của mạng 15 nút

Từ giản đồ thu gọn trên ta có các phương trình sau:

| (1) | (1) | (2) | (2) (1)

ta có:

|V(1) | |V(2) | |V(2) | P(2) (1)R Q(2)X(1) P(2)X(1) Q(2) (1)R (2.8) Hay:

1/ 2 2

1/ 2 2

b) Thành lập các thuật toán để xác định nút, nhánh và tính toán

lưu lượng dòng tải

*Thuật toán 1 "Xác định nút và nhánh tương đương” (Hình 2.2)

Để xác định cụ thể các nút và nhánh theo thứ tự phù hợp ta thực hiện bằng cách sử dụng một thuật toán như Hình 2.2

Trong đó:

- Dữ liệu đầu vào: nút chuyển, nút nhận và tổng số nút

- Dữ liệu thu được: xác định chính xác các nút và nhánh nằm ngay sau nút đó

Hình 2.2 Thuật toán để xác định nút, nhánh

*Thuật toán 2 “Tính toán lưu lượng dòng tải”

Thuật toán tính lưu lượng dòng tải được thể hiện bằng sơ đồ

khối như Hình 2.3 Điều kiện hội tụ của phương pháp tính này là: nếu sự sai khác giữa hai bước lặp về tổng công suất thực và tổng công suất phản kháng phân phối từ đầu xuất tuyến nhỏ hơn ε (kW, kVAr) thì coi là hội tụ

Hình 2.3 Thuật toán để tính toán lưu lượng dòng tải

2.2 Áp dụng tính toán đối với lưới nghiên cứu

Hình 2.4 Sơ đồ lưới điện 15 nút – 11 kV

Lưới nghiên cứu được thiết kế dựa trên lưới điện 15 nút 11 kV

tại Ấn Độ nhưHình 2.4được cấp điện từ trạm biến áp (hay được coi

là nguồn cung cấp) là nút 1 Hình 2.5 và Hình 2.6 là dữ liệu của hệ thống lưới điện được đưa ra

Hình 2.5 Thông số đường dây của lưới điện 15 nút

Hình 2.6 Thông số phụ tải của lưới điện 15 nút

Giải thích áp dụng phương pháp D.Das cho lưới điện nghiên cứu

2.1.3 Các bước thực hiện áp dụng thuật toán 1

Xác định số thứ tự nhánh, nút chuyển và nút nhận của xuất tuyến

Định nghĩa các biến và thực hiện phương thức nhận diện nút, nhánh nằm sau mỗi nút

a) Số thứ tự nhánh, các nút chuyển và nút nhận của xuất tuyến

Bảng 2.1 Số thứ tự nhánh, nút chuyển và nút nhận tương ứng của

được cho bởi nhánh i trên

LL(ip) Biến lưu trữ nút chuyển của hàng thứ i trên

KK(ip) Biến lưu trữ nút nhận của hàng thứ i trên

N(j) Tổng số nút ngay sau nút IR(j) và chính nó

c) Giải thích ý nghĩa của IB(j, ip+1) và IE(j,ip+1):

Xem xét nhánh đầu tiên trên Hình 2.4, i.e j=1, nút nhận của nhánh 1 là nút 2, do đó IB(1,ip+1) và IE(1,ip+1) sẽ xác định tất cả các nhánh và nút ngay sau nút 2 và chính nó

Tương tự, xem xét nhánh 2, i.e j=2, nút nhận của nhánh 2 là nút 3 Do đó, IB(2,ip+1) và IE(2,ip+1) sẽ xác định các nút và nhánh

ngay sau nút 3 và chính nó

d) Minh họa phương thức nhận diện:

Đối với j=1, (nhánh đầu tiên trên Hình 2.4), IR(j) = 2, kiểm tra IR(j) = IS(i) hay không với i=2,3,…,LN1-1 Ta thấy với các giá trị i

= 2, 5 và 7 thì IR(j) = IS(i) Cụ thể: IR (j) = IS (2) = 2; IR (j) = IS (5)

= 2; IR (j) = IS (7) = 2; tương ứng nút nhận là IR (2) = 3; IR (5) = 9

và IR (7) = 6

Do đó IB (j, 1) = 1, IE (j, 1) = 2; IB (j, 2) = 2, IE (j, 2) = 3; IB (j, 3) = 2; IE (j, 3) = 9; IB (j, 4) = 2, IE (j, 4) = 6 Các nút nhận được lưu trong cùng một biến, KK (ip), tức là KK (1) = 2, KK (2) = 3, KK (3) = 9 và KK (4) = 6

Ta thấy rằng nút 2 là nối với các nút 3, 9 và 6 và các nhánh tương ứng là nhánh 2, (2 → 3), nhánh 5 (2 → 9) và nhánh 7 (2 → 6) Tương tự, phương thức nhận diện sẽ xác định các nút và các nhánh được kết nối với nút 3, 9 và 6:

Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi tất cả các nút và các nhánh ngay nút 2 được xác định

2.1.4 Kết quả tính toán theo phương pháp D.Das

Kết quả tổng tổn thất các nhánh khi sử dụng phương pháp D.Das được tính toán

+ Tổn thất công suất tác dụng : ∆P = 61,7944 kW

+ Tổn thất công suất phản kháng : ∆Q = 57,2977 kVAr

2.2 Kiểm tra tính chính xác của thuật toán

Để xác minh được độ chính xác của phương pháp của D.Das,

ta tiến hành tính toán tổn thất công suất lưới 15 nút như trình bày ở mục trên Hình 2.4 bằng phần mềm PSS/ADEPT và so sánh kết quả với kết quả tính toán theo phương pháp của D Das

2.2.1 Kết quả tính toán theo phần mềm PSS/ADEPT

Sau khi thực hiện các bước thiết lập và nhập thông số vào phần mềm tính toán PSS/ADEPT để phân bố công suất đồng thời tính toán điện áp từng nút, tổng tổn thất và tổn thất từng nhánh như mục 2.2 đã

trình bày, ta sẽ vẽ được một sơ đồ lưới điện 15 nút – 11kV

Kết quả tổng tổn thất các nhánh khi dùng phần mềm PSS/ADEPT:

+ Tổn thất công suất tác dụng: ∆P = 61,7937 kW

+ Tổn thất công suất phản kháng: ∆Q = 57,2971 kVAr

2.2.2 So sánh kết quả tính toán của phương pháp D.Das với phần mềm PSS/ADEPT

Từ các kết quả tính toán trên, ta thành lập biểu đồ sai số bằng excel để minh họa so sánh kết quả tính toán tổn thất của phương pháp D.Das thông qua chương trình Matlab với phần mềm PSS/ADEPT Dựa vào đồ thị so sánh tổn thất công suất, ta nhận thấy rằng ở cả 2 đồ thị đường màu xanh gần như trùng khít với đường màu cam Như vậy chứng tỏ, khi sử dụng phương pháp D.Das hay phần mềm PSS/ADEPT thì tổn thất công suất tác dụng ∆P hay tổn thất công suất phản kháng ∆Q được tính toán trên các nhánh đều có mức chênh lệch nhau rất ít dẫn đến việc đạt giá trị sai số rất nhỏ

2.3.Thuận lợi và hạn chế của các phương pháp tính toán trào lưu

2.3.2 Thuận lợi và hạn chế trong tính toán với phương pháp D.Das

Phương pháp của D.Das với ưu điểm vượt trội là tốc độ xử lý vòng lặp nhanh hơn Khả năng lưu trữ tăng cao Tuy nhiên thuật toán của D.Das chưa hoàn thiện khi với lưới điện hiện nay có cấu trúc phức tạp Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu giới thiệu thuật toán cải tiến D.Das

2.4.Tính toán trào lưu công suất theo phương pháp D.DAS cải tiến

2.4.1 Cơ sở toán học và sơ đồ tổng quát thuật toán của phương pháp

Chương trình tính toán trào lưu công suất của mạng điện hình tia áp dụng thuật toán cải tiến được xây dựng trong đề tài này được

phát triển trên nền tảng của phương pháp của Das et al với một số

cải tiến Thuật toán cải tiến đã xem xét việc mô hình hóa tụ bù, nguồn phát phân tán và máy biến áp hạ thế trong mạng Thuật toán cải tiến không phụ thuộc vào thứ tự đánh số nút và nhánh

Mô hình toán học các thiết bị sử dụng

a) Mô hình hóa tụ bù:

b) Mô hình hóa máy biến áp

c) Mô hình hoá nguồn phân tán:

2.4.2 Các bước thực hiện của thuật toán cải tiến

Dựa trên thuật toán tính toán phân bố công suất nguyên bản

của Das et al., thuật toán cải tiến được phát triển gồm 5 bước:

- Bước 1: Đọc dữ liệu đầu vào và biến đổi topology mạng phù hợp

- Bước 2: Xác định các nút và nhánh nằm ngay sau một nút bất kỳ

- Bước 3: Xác định thứ tự nút phù hợp để tính toán

- Bước 4: Tính toán lặp sao cho đến khi đạt được điều kiện hội tụ

- Bước 5: Tổ chức sắp xếp dữ liệu đầu ra phù hợp với yêu cầu Chương trình tính toán được viết dưới dạng script của Matlab sau đó được đóng gói thành một ứng dụng excel độc lập, có thể chạy trên những máy tính khác nhau (không đòi hỏi máy tính đó đã cài đặt phần mềm Matlab)

2.4.3 Áp dụng thuật toán cải tiến cho lưới điện 15 nút

a) Bước 1: Đọc dữ liệu đầu vào và biến đổi phù hợp

Dữ liệu đầu vào của xuất tuyến xem xét (ví dụ mạng 15 nút Hình 2.4) được lưu dưới dạng các file Excel bao gồm:

- File Excel lưu trữ topology của mạng ()

- File Excel chứa cơ sở dữ liệu đường dây (Hình 2.8– bên trái) và cơ

sở dữ liệu máy biến áp (Hình 2.8– bên phải)

- File Excel lưu trữ dữ liệu công suất các nút và điện áp tại đầu xuất tuyến (Hình 2.9)

Hình 2.7 File Excel lưu trữ topology mạng 15 nút

Hình 2.8 File Excel chứa CSDL đường dây (hình trái) và máy

biến áp (hình phải)

Hình 2.9 File Excel lưu trữ dữ liệu công suất tại các nút và điện áp

đo được tại đầu xuất tuyến của mạng 15 nút

b) Bước 2:Xác định nút và nhánh nằm ngay sau một nút bất kỳ

c) Bước 3: Xác định thứ tự nút phù hợp để tính toán

Để tăng tính linh hoạt của chương trình tính toán trong trường hợp chỉ số nút và nhánh mạng được đánh không theo quy luật tuần

tự, bước 3 đã được bổ sung vào thuật toán nguyên bản của Das et el

Hình 2.10 Sơ đồ khối thuật toán bước 3

d) Bước 4: Thực hiện tính toán

e) Bước 5: Tổ chức sắp xếp dữ liệu đầu ra phù hợp với yêu

cầu

Kết quả tính toán nhận được sau bước 4 bao gồm: biên độ điện

áp phía MV của tất cả các nút, biên độ điện áp phía LV của nút có

máy biến áp (nếu có), tổn thất trên từng đoạn dây, tổn thất máy biến

áp MV/LV (nếu có) và tổng tổn thất của mạng điện xem xét

Dữ liệu thu được được biểu diễn bằng file Excel như Hình

2.26

Hình 2.26 Kết quả tính toán phân bố công suất mạng 15 nút

Kết luận: Thuật toán cải tiến vẫn có thể nhận biết thứ tự tính

toán phù hợp để có thể cho ra kết quả trùng khớp như trường hợp đánh số theo quy luật Điều này cho thấy thuật toán cải tiến có tính mềm dẻo và linh hoạt hơn so với thuật toán nguyên bản của Das et

al Do đó, nội dung luận văn chỉ đề cập đến giải pháp tính toán trào lưu công suất theo thuật toán cải tiến dựa theo phương pháp của D.Das để áp dụng tính toán, giám sát online cho xuất tuyến thực tế

CHƯƠNG 3 GIÁM SÁT THÔNG SỐ VẬN HÀNH BẰNG CÔNG NGHỆ

KẾT NỐI HIỂN THỊ ONLINE

3.1 Khảo sát và lựa chọn công nghệ

3.1.1 Giải pháp thu thập dữ liệu:

Công nghệ được lựa chọn là Selenium - một thư viện đã được xây dựng để các nhà kiểm thử phần mềm kiểm tra lại một trang web sau khi đã phát triển xong

3.1.2 Lựa chọn máy chủ:

Có nhiều giải pháp có thể lựa chọn máy chủ như: mua máy