Xây dựng phần mềm giao diện và xử lý thông tin trong thiết bị mô phỏng tính toán chế độ xác lập hệ thống điện

Nhờ những tiến bộ vượt bậc trong kỹ thuật máy tính, đặc biệt là tốc độ xử lý và ưu điểm của cấu trúc ngôn ngữ lập trình bậc cao, khả năng thực thi đa tuyến trong môi trường xử lý đơn của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TRƯƠNG NGỌC MINH

XÂY DỰNG PHẦN MỀM GIAO DIỆN VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN

TRONG THIẾT BỊ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN

CHẾ ĐỘ XÁC LẬP HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2004

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TRƯƠNG NGỌC MINH

XÂY DỰNG PHẦN MỀM GIAO DIỆN VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN

TRONG THIẾT BỊ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN

CHẾ ĐỘ XÁC LẬP HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành: Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Lã Văn Út

HÀ NỘI - 2004

Trang

MỞ ĐẦU

1.1 Yêu cầu về tính toán, phân tích các chế độ của hệ thống điện 1

1.2 Vấn đề sử dụng mô hình trong nghiên cứu, phân tích hệ thống 2

1.3 Một số đặc điểm của mô hình 4

1.4 Các dạng mô hình của đối tượng vật chất 6

1.5 Các thiết bị mô phỏng 10

11

2.1 Cấu tạo chung của thiết bị mô phỏng hệ thống điện 11

2.2 Các chức năng ứng dụng của TBMP hệ thống điện 13

2.2.1 Chức năng nghiên cứu trạng thái của HTĐ thông qua tác động điều khiển 13

2.2.2 Nghiên cứu hiệu quả tác động của các phơng tiện điều chỉnh, điều khiển 14

2.2.3 Chức năng mô phỏng hệ thống điện phức tạp bằng mô hình lai 14

2.3 Những khó khăn khi thực hiện thiết bị mô phỏng 14

2.4 Giới thiệu thiết bị mô phỏng xây dựng tại phòng thí nghiệm của bộ môn

2.4.2 Bàn điều khiển 16

2.4.3 Card chuyển đổi tín hiệu số 18

2.4.4 Giao diện người dùng 19

2.5 Cấu trúc và trao đổi thông tin trong thiết bị mô phỏng 21

2.6 Phương pháp tính toán nhanh CĐXL của hệ thống điện 23

3.1 Mô hình các phần tử của hệ thống điện 31

3.1.1 Mô hình các đường dây trên không và cáp 32

3.1.2 Mô hình các máy biến áp 36

3.1.3 Mô hình kháng điện và tụ điện 37

3.1.6 Máy phát điện 40

3.2 Các hệ phương trình chế độ xác lập 41

3.2.1 Hệ phương trình cân bằng dòng nút 41

3.2.2 Hệ phương trình cân bằng công suất nút 44

3.3 Biến số của hệ phương trình CĐXL 45

3.4 Phương pháp tính toán 47

3.4.1 Yêu cầu đối với phương pháp tính toán 47

3.4.2 Phương pháp Newton-Raphson 48

3.4.3 Tính dòng công suất bằng phương pháp Newton-Raphson 50

3.5 Xử lý dữ liệu động trên màn hình đồ hoạ cho sơ đồ hệ thống điện 52

4.1 Sơ đồ hoạt động trao đổi thông tin trong thiết bị mô phỏng 54

4.2 Xử lý thông tin điều khiển, cập nhật file dữ liệu 55

4.3 Định vị thông tin điều khiển 60

4.3.1 Định vị tín hiệu thông tin của các biến trở 62

4.3.2 Định vị tín hiệu thông tin của các nút bấm 63

4.4 Xử lý trong chương trình tính toán và phân tích chế độ hệ thống 64

4.5 Xử lý kết quả và thông tin hiển thị (sơ đồ động Hệ thống điện) 67

5.1 Miền vận hành cho phép của đường dây 500kV Bắc-Nam 70

Nhờ những tiến bộ vượt bậc trong kỹ thuật máy tính, đặc biệt là tốc độ xử lý và

ưu điểm của cấu trúc ngôn ngữ lập trình bậc cao, khả năng thực thi đa tuyến trong môi trường xử lý đơn của hệ điều hành Windows, ta có thể xác lập, phân tích và theo dõi các quá trình, hiện tượng phức tạp xảy ra trong hệ thống thực bằng các thiết bị mô phỏng Nhằm mục đích mở rộng khả năng ứng dụng công

cụ tiên tiến này trong thiết kế và vận hành hệ thống điện, luận văn thạc sỹ được thực hiện với đề tài:

Xây dựng phần mềm giao diện và xử lý thông tin trong thiết bị mô phỏng

tính toán chế độ xác lập hệ thống điện

Luận văn bao gồm các nội dung chính sau:

• Xây dựng một hệ thống liên kết giữa phần mềm tính toán CĐXL của HTĐ (mô hình toán) với mô hình vật lý các phương tiện điều khiển tạo

ra TBMP có khả năng tính toán, phân tích nhanh CĐXL của HTĐ;

• Nghiên cứu thuật toán xử lý và định vị thông tin điều khiển cho TBMP nhằm mở rộng khả năng ứng dụng của TBMP đối với HTĐ có cấu trúc phức tạp bất kỳ;

• Xây dựng phần mềm giao diện và hiển thị sơ đồ hoạt động on-line cho TBMP;

• Thực hiện một số nội dung tính toán, phân tích cụ thể cho sơ đồ HTĐ Việt Nam giai đoạn 2005-2010

Luận văn được kết cấu thành 5 Chương Chương 1 trình bày khái quát về mô hình hoá hệ thống Những vấn đề chung về Thiết bị mô phỏng hệ thống điện được thể hiện trong Chương 2 Chương 3 đề cập phần mềm tính toán chế độ xác lập trong Thiết bị mô phỏng Chương 4 trình bày nội dung thiết lập giao diện, trao đổi và xử lý thông tin trong Thiết bị mô phỏng và cuối cùng là một số kết quả ứng dụng Thiết bị mô phỏng được trình bày trong Chương 5

Các kết quả của luận văn có thể được sử dụng không chỉ để tính toán, phân tích trong thiết kế, vận hành hệ thống điện một cách tiện lợi, hiệu quả hơn mà còn góp phần phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học các vấn đề có nội dung liên quan

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi và hướng dẫn tận tình của GS.TS Lã Văn Út cùng sự giúp đỡ quý báu của toàn thể các thầy cô giáo trong Bộ môn Hệ thống điện trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Chương 1

Khái quát về mô hình hoá hệ thống

1.1 Yêu cầu về tính toán, phân tích các chế độ của hệ thống điện

Tính toán, phân tích các chế độ của hệ thống điện (HTĐ) nói chung và chế độ xác lập (CĐXL) nói riêng, có ý nghĩa hết sức quan trọng trong công tác thiết kế

và vận hành Chỉ sau khi tính toán, phân tích hàng loạt các tình huống chế độ khác nhau - ở điều kiện làm việc bình thường cũng như trong các điều kiện sự

cố, người thiết kế hệ thống mới có thể đưa ra quyết định cuối cùng về lựa chọn phương án Trong thiết kế dài hạn (quy hoạch phát triển), còn có thể phải thực hiện các tính toán tương ứng với sự thay đổi cấu trúc hệ thống theo thời gian (10

- 20 năm), khối lượng tính toán sẽ rất lớn nếu xét đến đầy đủ mọi phương án cần quan tâm Có những cách khác nhau được áp dụng nhằm giảm bởi khối lượng tính toán (như liệt kê các tình huống điển hình, suy diễn tương quan, phân tích giới hạn .) Những phương pháp này có thể đem lại hiệu quả đáng kể nhưng cũng có thể dẫn đến hiện tượng "lọt lưới" tình huống, bỏ sót phương án cần xét Trong vận hành, cấu trúc hệ thống ít thay đổi nhưng số lượng tình huống cần can thiệp, xử lý lại diễn ra thường xuyên, vì thế công việc tính toán phân tích hệ thống đòi hỏi rất nhiều, đồng thời còn yêu cầu phải đủ nhanh, kịp thời, để có thể đưa ra được những quyết định đúng đắn, gần với giải pháp tối ưu cho mỗi trường hợp cụ thể

Mặt khác, với sự phát triển không ngừng về kinh tế, xã hội, nhu cầu sử dụng điện năng tăng cao, hệ thống điện của mỗi quốc gia cũng không ngừng tăng trưởng,

cả về quy mô công suất lẫn tính phức tạp của sơ đồ Các hệ thống điện nhỏ có tính chất khu vực (miền) được hợp nhất thành HTĐ thống nhất (trong phạm vi quốc gia) Tiếp đến, HTĐ nhiều nước được liên kết trong mô hình HTĐ phức

tạp, có ý nghĩa quốc tế (liên quốc gia) Trong bối cảnh như vậy, các phương pháp và công cụ tính toán phân tích hệ thống ngày càng có ý nghĩa quan trọng hơn, trở thành một bộ phận không thể tách rời của HTĐ, gắn liền với các yêu cầu nhất thiết để đảm bảo cho sự hoạt động bình thường của hệ thống

Đối với HTĐ Việt Nam, sự tăng trưởng nhảy vọt về quy mô công suất và mở rộng không ngừng về phạm vi lưới cũng đã dẫn đến yêu cầu phải hợp nhất hệ thống Bắc-Trung-Nam (năm 1995) Sự hợp nhất này đã tạo ra những điều kiện hết sức thuận lợi cho sự phát triển các chủng loại và quy mô nguồn, đẩy nhanh quá trình điện khí hoá, cung cấp điện đến mọi miền đất nước, đồng thời cho phép phát huy hiệu quả các ưu thế của hệ thống điện lớn (nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, khai thác phối hợp tối ưu các nguồn .) Tuy nhiên, sự hợp nhất hệ thống cũng đặt ra hàng loạt những vấn đề phức tạp về kinh tế-kỹ thuật cần phải được quan tâm giải quyết như: vấn đề vận hành an toàn các trang thiết bị, vấn đề

ổn định hệ thống, vấn đề phát triển và khai thác tối ưu công suất nguồn Tất cả các nội dung này đều phải thực hiện một khối lượng lớn những tính toán, phân tích hệ thống Các công cụ tính toán phải đủ tin cậy, chuẩn xác và có năng suất cao

1.2 Vấn đề sử dụng mô hình trong nghiên cứu, phân tích hệ thống

Xét cho cùng thì mọi phương pháp nghiên cứu, phân tích hệ thống đều phải dựa trên cơ sở mô hình hoá Bởi vì ít có khả năng thực hiện các nghiên cứu trực tiếp trên đối tượng thực đang hoạt động - hoặc là vì hệ thống thực chưa tồn tại (giai đoạn thiết kế, vạch phương án), hoặc bởi các điều kiện thực tế không cho phép tiến hành các thao tác, thực nghiệm Mọi tính toán, phân tích cần được thực hiện trên mô hình (theo nghĩa rộng), nghĩa là thực hiện trên một đối tượng tương tự với đối tượng thực sẽ hoặc đang tồn tại Lý thuyết về các tiêu chuẩn tương tự và

mô hình đã được nghiên cứu trong hàng loạt các công trình khác nhau, trong đó vấn đề lựa chọn cách thức biểu diễn mô hình và phương pháp mô hình hoá có ý

nghĩa quan trọng đặc biệt Ngoài ra, để vận dụng hiệu quả các phương pháp cần phân biệt rõ các khái niệm về mô hình, đặc điểm và cách phân loại

Cũng cần nói thêm là, khái niệm mô hình (tiếng Anh: model, tiếng Pháp: modelle, tiếng Đức: modell, tiêng Ý: modello, tiếng Nga: ỡợọồởỹ ) hiện nay được mở rộng hơn rất nhiều - như một khái niệm về phương pháp nghiên cứu phân tích hệ thống so với ban đầu (hình mẫu) Giáo sư V A Venikov đã tổng kết các khái niệm về mô hình hiện đại và phân loại theo những cách khác nhau như trên hình 1.1

• Theo yêu cầu nghiên cứu được chia ra: mô hình đầy đủ, mô hình từng khía cạnh (không đầy đủ), mô hình gần đúng Mô hình gần đúng có thể bao trùm lên cả hai kiểu: mô hình đầy đủ hoặc từng phần;

.Tiền định

I Ý thức t1 Trong thời gian thực II Vật chất

 Ngẫu nhiên t2 Trong thời gian thay đổi

2 Vật lý 3 Toán học

MÔ HÌNH HỆ THỐNG

A Đầy đủ B Từng khía cạnh

C Gần đúng

Hình 1.1 Phân loại mô hình

1 Minh hoạ 2 Ký hiệu 3 Toán học 1 Tự nhiên

• Theo bản chất của đối tượng có hai loại: ý thức và vật chất;

• Theo quá trình hoạt động có các mô hình: tiền định, ngẫu nhiên, trong thời gian thực, trong thời gian thay đổi (co, giãn);

• Theo phương pháp mô phỏng: minh hoạ, ký hiệu, toán học, vật lý, tự nhiên;

• Theo hình thức mô phỏng: mô hình tương tự, mô hình số, sơ đồ thay thế,

mô hình thu nhỏ trong không gian, thời gian

1.3 Một số đặc điểm của mô hình

1 Theo mục đích và yêu cầu nghiên cứu có thể thực hiện mô hình đầy đủ hoặc

mô hình từng khía cạnh của đối tượng, nói chung cần nhận biết và chấp nhận tính gần đúng của mô hình

Ở đây cần đặc biệt nhấn mạnh là việc thực hiện mô hình không đầy đủ và gần đúng đối tượng không phải bao giờ cũng là hạn chế của phương pháp mô hình Việc lược bỏ những yếu tố không gây ảnh hưởng hoặc gây ảnh hưởng không đáng kể đến hoạt động của đối tượng sẽ cho phép không những thực hiện các nghiên cứu đơn giản hơn mà còn thể hiện mạch lạc rõ ràng hơn các đặc điểm cần quan tâm, thậm chí nâng cao độ chính xác của nội dung nghiên cứu Ví dụ khi nghiên cứu về ổn định động hệ thống điện, có thể bỏ qua ảnh hưởng của thành phần xoay chiều trong dòng điện của roto máy phát (dòng kích từ) Thành phần này xuất hiện do cuộn dây kích từ có cảm ứng với thành phần tự do tồn tại ở thời gian ngắn ban đầu của dòng điện stator máy phát Nó chỉ gây ra mô men rung nhỏ ở giai đoạn đầu trên trục quay, không ảnh hưởng đến đặc trưng ổn định hệ thống (vì momen trung bình không thay đổi)

Khi mô tả đầy đủ thành phần này, không những cấp phương trình vi phân của quá trình quá độ (QTQĐ) trong mô hình toán tăng cao mà trong kết quả còn thể hiện ra những đặc trưng rất phức tạp, không đáng quan tâm (hình

1.2) Những đặc trưng phụ còn ảnh hưởng (gây rối) đến việc nhận dạng phân tích các đặc trưng chính của quá trình đang cần quan tâm

Cũng cần nói thêm về khái niệm chính xác của mô hình Rõ ràng (theo những nội dung vừa nêu) độ chính xác của mô hình không đồng nghĩa với độ trùng khít của mọi kết quả đưa ra với mọi diễn biến trong đối tượng thực Vấn đề là, kết quả của mô hình cần phản ánh đúng bản chất của đối tượng

mà con người đang quan tâm nghiên cứu Sai số được coi là thoả mãn khi mô

hình luôn luôn đảm bảo được tính đúng đắn của các kết luận đưa ra về bản chất hoạt động của đối tượng theo mục tiêu nghiên cứu

2 Cùng một mô hình có thể mô phỏng các đối tượng khác nhau, ngược lại cùng một đối tượng có thể áp dụng các mô hình khác nhau

Đây chính là tính năng khái quát hoá của mô hình Nhờ đặc điểm này mà mô hình trở thành phương tiện hiệu quả trong nghiên cứu, phân tích hệ thống

3 Cùng một đối tượng, cùng loại mô hình, nội dung thiết lập cụ thể cho mô hình ứng dụng có thể khác nhau

Đặc điểm này thực chất là hệ quả của hai đặc điểm trên Đó là vì, tuỳ theo mục đích nghiên cứu, khía cạnh cần quan tâm của đối tượng sẽ liên quan đến những yếu tố khác nhau của mô hình Trong mỗi trường hợp cụ thể, một số yếu tố được xác định là rất ít có ảnh hưởng đến nội dung quan tâm có thể bỏ qua, nhưng chính những yếu tố này lại có thể trở thành rất quan trọng đối với các trường hợp xét khác, nhất thiết phải được đưa vào Thậm chí mô hình rất khác nhau ở từng giai đoạn của cùng một quá trình (hình 1.3)

1.4 Các dạng mô hình của đối tượng vật chất

Xad

Hình 1.3.Mô hình mạch điện và mạch từ máy phát điện trong các giai

đoạn khác nhau sau khi ngắn mạch

a) Giai đoạn siêu quá độ b) Giai đoạn quá độ a) Giai đoạn xác lập sau sự cố

X1

X2

X3d

Mô hình tự nhiên, mô hình vật lý có tỉ lệ, mô hình toán, mô hình lai là các dạng

mô hình ứng dụng cho các đối tượng vật chất

- Mô hình tự nhiên thực chất là một sản phẩm gốc được sử dụng cho mục đích

nghiên cứu Mô hình này có thể áp dụng cho những đối tượng vật lý không phức tạp lắm, kích thước tương đối nhỏ và có điều kiện hoạt động thử nghiêm Ưu điểm của mô hình này là ở tính xác thực về kết cấu, do đó dễ có điều kiện thực hiện dạng đầy đủ của mô hình Tuy nhiên, theo mục tiêu nghiên cứu người ta cũng có thể thực hiện ở dạng từng phần (theo chức năng hoạt động) Nhược điểm của mô hình này là phạm vi ứng dụng rất hạn chế, bởi đa số các đối tượng hoặc chưa tồn tại hoặc không cho phép các thử nghiệm, đo đạc

- Mô hình vật lý có tỉ lệ (thu nhỏ, phóng to), thực chất là một cấu trúc vật chất

tương tự với đối tượng được nghiên cứu Các tiêu chuẩn và nguyên lý tương tự trong trường hợp này có ý nghĩa quyết định chất lượng của mô hình Về hình thức, hai cấu trúc vật chất (nguyên gốc và mô hình) có thể tương tự hoặc khác hẳn nhau nhưng tính tương tự về các hiện tượng được quan tâm nghiên cứu thì nhất thiết phải được đảm bảo với độ chính xác cần thiết (theo ý nghĩa đã nêu)

Ưu điểm của mô hình vật lý có tỉ lệ cũng ở khả năng phản ảnh xác thực đầy đủ các hiện tượng diễn ra trong đối tượng (hệ thống) Nhược điểm chủ yếu của loại này là ở khâu chế tạo thực hiện, đảm bảo các định luật tương tự trong mô hình, nhất là đối với các hệ thống phức tạp Nhược điểm này cũng dẫn đến hạn chế nhiều về khả năng ứng dụng

- Mô hình toán thực chất là dựa vào các cách mô tả toán học các hiện tượng, quá

trình diễn ra trong đối tượng nghiên cứu Mức độ đầy đủ và chính xác của mô hình phụ thuộc rất nhiều vào hiểu biết ban đầu của người sử dụng đối với đối tượng nghiên cứu Sẽ có thể có nhiều sai số và sai sót chủ quan không lường hết được của người nghiên cứu Tuy nhiên, ưu điểm cơ bản nhất của mô hình này là

ở tính vạn năng Mọi hiện tượng, mọi quá trình diễn ra trong các đối tượng (đơn giản, phức tạp) nói chung đều có thể mô tả bằng toán học (hệ phương trình, bất

phương trình, quan hệ lôgic, với các biến thời gian, không gian, các yếu tố tiền định, ngẫu nhiên) Dựa trên cơ sở đó có thể xây dựng mô hình thực hiện Có hai loại mô hình thực hiện chủ yếu cho mô hình toán: mô hình số và mô hình tương

tự Mô hình số thực hiện giải hệ mô tả toán học trên máy tính số để xác định số

đo của các biến đặc trưng Quá trình giải kết thúc tương đương với việc thực hiện một phép thử trên đối tượng nghiên cứu Kết quả nhận được là những thông tin cần thiết để đánh giá, phân tích đối tượng Mô hình tương tự thực hiện giải hệ

mô tả toán học thông qua hoạt động của một cấu trúc mạch điện tử bao gồm các phần tử biến đổi khác nhau nối theo những cách nhất định Các phần tử của mạch thể hiện các quan hệ hàm toán học giữa các biến trong mô hình, còn cấu trúc mạch thể hiện các quan hệ ràng buộc theo hoạt động có tính chất hệ thống của đối tượng Kết quả của mô hình số và mô hình tương tự trong trường hợp này có ý nghĩa tương đương bởi cùng dựa trên một mô tả toán học Sự khác nhau chỉ ở khả năng thực hiện Trong thời đại hiện nay, với sự tiến bộ vượt bậc về kỹ thuật máy tính, mô hình số thường thể hiện khả năng ứng dụng vượt trội trong thực hiện mô hình toán Thực hiện trên các mạch tương tự ít được sử dụng hơn Bên cạnh ưu điểm của mô hình toán như đã nêu, nhược điểm cơ bản của mô hình này là tính phụ thuộc chủ quan Khi đối tượng chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng thì các mô tả toán học được thiết lập bởi người sử dụng dễ có nhiều thiếu sót Hơn nữa, các mô tả về không gian, thời gian có thể khác nhiều so với các đối tượng thực tế Một hiện tượng diễn ra trong vài giây ở đối tượng thực có thể phải tính toán hàng giờ trên máy tính

- Mô hình lai (Hybrid) là dạng kết hợp giữa mô hình vật lý và mô hình toán

Một phần cấu trúc hệ thống được xây dựng theo mô hình vật lý (tự nhiên hoặc tỉ lệ) nối liên kết với máy tính (có chứa mô hình toán của phần còn lại) Vấn đề then chốt cần giải quyết trong mô hình này là thông tin trao đổi qua cổng nối Các thông tin trao đổi phải được thực hiện đồng bộ và đầy đủ tương tự như trao đổi giữa hai nửa mô hình cùng loại Ví dụ, trường hợp đơn giản nhất, điện áp nút

và dòng điện liên thông là các thông tin liên kết giữa mô hình vật lý và mô hình toán Khi đó nút liên kết của mô hình vật lý cần được nối với phần tử tạo dòng (điều khiển được) Mô hình toán (của một nửa mô hình) được thực hiện theo chu

kỳ (đủ nhanh), trong đó thông tin về điện áp nút là một số liệu cần thiết Trước mỗi chu kỳ tính, điện áp đo được tại nút liên kết (trên mô hình vật lý) được biến đổi gần như tức thời thành tín hiệu số và cập nhật vào ô nhớ máy tính chứa thông tin này Quá trình ngược lại, kết quả tính toán về dòng liên thông, cùng với các đạo hàm của chúng được biến đổi sang tín hiệu Analog và sử dụng làm các tín hiệu điều khiển phần tử tạo dòng Thực chất mô hình toán đã tính toán và xác định quy luật biến thiên của dòng điện liên thông cho mô hình vật lý, ngược lại

mô hình vật lý cung cấp thông tin về điện áp nút cần thiết cho mô hình toán Khi dòng và áp liên thông diễn biến tương tự như trên đối tượng thực thì độ chính xác của mô hình lai (tổng thể) được đảm bảo Khó khăn thường nằm trong phần phối hợp thời gian, đảm bảo tính đồng bộ của quá trình trao đổi thông tin Quá trình vật lý thường diễn ra nhanh trong khi tốc độ tính toán phụ thuộc vào độ phức tạp của mô hình và máy tính

Trong kỹ thuật xử lý hiện nay, để giải quyết khó khăn trên thường có hai nội dung được quan tâm phối hợp: phương pháp tiệm cận hoá thông tin liên kết và tăng tốc độ xác định lời giải của mô hình toán

Tại thời điểm t 0 nếu sử dụng thông tin dòng điện và đạo hàm cấp 1 của nó thì độ chính xác tạo dòng có thể đảm bảo đến t 1 (hình 1.4) Nếu sử dụng thêm đạo hàm cấp 2, độ chính xác tiệm cận có thể kéo dài đến t 2 , tuy nhiên thời gian tính (trong phần mô hình toán) lại bị kéo dài (thậm chí vượt quá t 2 ) Lựa chọn phối hợp tối

ưu giữa chu kỳ tính và phương pháp tiệm cận thường cho phép thoả mãn được các yêu cầu về sai số và khả năng đồng bộ của mô hình lai Ngoài ra, việc giảm thời gian tính toán còn là một yếu tố quyết định khả năng áp dụng của mô hình lai Thật vậy, nếu thời gian tính lớn thì không thể chọn được cách tiệm cận nào thoả mãn được t 1 hay t 2 trong mô hình trên (sẽ trình bày thêm trong chương1)

Ưu điểm nổi bật của mô hình lai là khả năng mô phỏng hệ thống phức tạp Thử nghiệm hoạt động của các thiết bị thực làm việc trong hệ phức tạp có thể giải quyết được trong mô hình lai, khi mà sử dụng thuần tuý mô hình toán hoặc mô hình vật lý gặp rất nhiều khó khăn Tuy nhiên, xây dựng các mô hình lai lại đòi hỏi một trình độ chuyên môn rất cao đối với người thiết kế và vận hành mô hình

1.5 Các thiết bị mô phỏng

Về phương diện lý thuyết, thiết bị mô phỏng (Simulator) không nằm trong các dạng cơ bản của mô hình, bởi nó là ứng dụng tổ hợp của các loại mô hình vừa nêu nhằm phục vụ cho những mục đích nghiên cứu cụ thể Thiết bị mô phỏng (TBMP) gắn liền với tác động điều khiển của con người nên đôi khi còn gọi là

mô hình điều khiển (Cybernetic) Trong TBMP mục tiêu ứng dụng được đưa lên hàng đầu và được lấy làm tiêu chuẩn thiết kế Về cấu trúc, bộ phận quan trọng nhất là mô phỏng các thông tin điều khiển Bộ phận này có nội dung tương tự như phần vật lý trong mô hình lai Phần hiển thị và giao diện thường có tầm quan trọng đặc biệt (khác với các loại mô hình khác) Một ví dụ, thiết bị mô

phỏng huấn luyện lái xe Mục tiêu: tạo khả năng luyện tập cho người tập lái Phần mô hình vật lý: các vị trí tay lái và chân phanh Phần mô hình trong máy tính: tạo tình huống theo thông tin tác động của người điều khiển

Như vậy, thiết bị mô phỏng gần với một công cụ hơn là một phương tiện nghiên cứu mặc dù về cấu tạo TBMP là sự ứng dụng kết hợp của các loại mô hình

Để thực hiện các phần này cần phải hiểu cặn kẽ nguyên lý hoạt động của TBMP,

cả về phần cứng (điều khiển) và phần mềm tính toán Chương này sẽ trình bày

sơ lược (có tính chất giới thiệu) các nội dung trên Phương pháp tham số nhỏ được giới thiệu ở phần cuối thể hiện nguyên lý đơn giản nhất (nhưng có ý nghĩa phổ biến) làm giảm thời gian tính cho các phần mềm phân tích chế độ hệ thống

2.1 Cấu tạo chung của thiết bị mô phỏng hệ thống điện

So với các đối tượng khác, hệ thống điện có những thuận lợi và khó khăn riêng khi xây dựng TBMP Thuận lợi cơ bản nhất là các thông tin vốn có trong đối tượng đã là các tín hiệu điện, nhờ thế quá trình nhận dạng và biến đổi thông tin

có thể thực hiện tương đối dễ dàng (gần như bỏ qua được các bộ phận cảm biến) Ngược lại, tính phức tạp của sơ đồ, tính đa dạng của các quá trình diễn ra trong

hệ thống lại làm cho bài toán phức tạp hơn Trong trường hợp chung, TBMP hệ thống điện có thể bao gồm các khâu như trên hình 2.1

Hệ thống thực (đang hoạt động)

Bảng chỉ thị (sơ đồ động)

Mô hình vật lý

và các thiết bị ĐK

Máy tính (mô hình toán) A / D

D / A

Hình 2.1

Người sử dụng

Phần cơ bản nhất của thiết bị là mô hình vật lý nối với máy tính điều khiển qua

bộ biến đổi thông tin hai chiều A/D và D/A Về cấu tạo phần này gần giống với

mô hình lai Trên mô hình vật lý có thể bao gồm các thiết bị thực, mô hình thu nhỏ của một số phần tử của HTĐ và các phần tử tạo thông tin điều khiển Các phần tử có thể hoạt động rời rạc hoặc nối liên kết với nhau tuỳ theo mục đích nghiên cứu Đây cũng là đặc điểm khác biệt của TBMP với mô hình lai Các phần tử tạo thông tin điều khiển (gọi tắt là các phần tử điều khiển) trong TBMP

có ý nghĩa hết sức quan trọng, nó tạo điều kiện cho người sử dụng có thể tác động on-line vào mô hình toán HTĐ Ví dụ, bằng các thao tác đóng cắt (khoá điều khiển) có thể thay đổi sơ đồ hệ thống tương tự như đóng cắt các phần tử của

sơ đồ (đường dây, máy biến áp, máy phát điện, kháng điện, tụ điện ) Thao tác điều chỉnh (chiết áp) có thể tạo tín hiệu thay đổi liên tục trị số công suất nguồn, phụ tải các nút hoặc toàn hệ thống Các phần tử điều khiển là bộ phận không thể thiếu của TBMP (trong khi có thể không có các phần tử khác)

Phần máy tính cùng với phần mềm tính toán, khi sử dụng riêng biệt đã tương đương với các phần mềm tính toán phân tích hệ thống làm việc off-line Khi làm việc với TBMP các chức năng giao diện cần được thiết kế mở rộng hơn Bởi vì, một trong những ưu thế của TBMP chính là khả năng liên kết "con người-máy" Các kết quả của mô hình cần được thể hiện ở dạng hiệu quả nhất cho mục đích ứng dụng (thường là bằng trực quan) Ví dụ, hiệu quả thao tác đóng cắt cần được thể hiện tức thời bằng đổi mầu máy cắt trên sơ đồ; hệ số mang tải của các đường dây, máy biến áp thể hiện bằng biến đổi mầu theo quy ước Chẳng hạn, đường dây chuyển từ non tải sang quá tải tương ứng với sự thay đổi mầu từ xanh nhạt sang đỏ tía giúp người sử dụng có thể đánh giá nhanh được trạng thái làm việc của sơ đồ Ngoài ra, máy tính điều khiển còn phải thực hiện chức năng không kém phần quan trọng là trao đổi thông tin qua cổng liên kết Chức năng này thường được thực hiện bằng các module chương trình riêng

Trong trường hợp chung như trên sơ đồ, TBMP có khả năng nối với HTĐ thực thông qua các thiết bị SCADA (nếu đặt tại các Trung tâm điều độ HTĐ) Khi đó khả năng cập nhật thông tin để nghiên cứu on-line cho HTĐ thực tế sẽ được mở rộng Như vậy, khác với SCADA thông thường, trong TBMP còn có khả năng hiển thị các thông tin đầy đủ hơn (từ kết quả tính toán) ngoài các thông tin do đo lường nhận được

2.2 Các chức năng ứng dụng của TBMP hệ thống điện

Từ cấu trúc vừa nêu dễ thấy được các chức năng ứng dụng rất hiệu quả của thiết

bị mô phỏng

2.2.1 Chức năng nghiên cứu trạng thái của HTĐ thông qua tác động điều khiển

Đây là chức năng áp dụng phổ biến nhất của TBMP Bằng các tác động từ bàn điều khiển, người sử dụng có thể nghiên cứu hàng loạt các tình huống chế độ mà bằng các tính toán thông thường khó có thể thực hiện hết được Có hai loại thông tin điều khiển được tạo ra từ bàn điều khiển: các tín hiệu rời rạc (digital) và các tín hiệu thay đổi liên tục (analog) trong phạm vi nhất định Cần định vị các thông tin này cho các phần tử (trước khi tiến hành thí nghiệm) trong phần mềm điều khiển Mỗi thí nghiệm tình huống có thể được thực hiện bằng thao tác tạo ra một

tổ hợp tương ứng các thông tin thay đổi Ví dụ cắt máy cắt hai đầu một đường dây, nâng đầu phân áp, giảm công suất nhà máy - tương ứng với thay đổi 3 thông tin rời rạc, 1 thông tin liên tục Rõ ràng tổ hợp các tình huống tính toán có thể rất nhiều, có thể ứng dụng cho sơ đồ phức tạp bất kỳ Vấn đề xử lý và định vị các thông tin điều khiển trong chức năng này có ý nghĩa rất quan trọng (xem chi tiết hơn trong chương 4)

2.2.2 Nghiên cứu hiệu quả tác động của các phương tiện điều chỉnh, điều khiển

Tác động điều chỉnh, điều khiển của nhiều thiết bị tự động lắp đặt trong HTĐ có thể mô tả được trong mô hình toán, tuy nhiên hiệu quả làm việc của chúng không

dễ có thể quan sát được Đó là vì chúng chỉ tác động trong những tình huống

nhất định và thể hiện hiệu quả khi thông số hệ thống biến thiên liên tục Thiết bị

mô phỏng cho phép nghiên cứu rất thuận lợi trong trường hợp này, ví dụ hiệu quả giữ điện áp nút của SVC, tác động của thiết bị tự động điều chỉnh đầu phân

áp dưới tải, các máy biến áp điều chỉnh pha làm việc , thí nghiệm xác định khả năng tải của các đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh Một số kết quả bước đầu nghiên cứu về nội dung này sẽ được trình bày trong chương 5

2.2.3 Chức năng mô phỏng hệ thống điện phức tạp bằng mô hình lai

Về nguyên tắc TBMP có thể đảm nhận chức năng như mô hình lai Khi đó có thể tiến hành thử nghiệm các thiết bị thực (tác động của rơ-le trong HTĐ phức tạp, nghiên cứu hiệu quả các thiết bị điều chỉnh, điều khiển) Tuy nhiên, việc thực hiện chức năng này có rất nhiều khó khăn (xem phần dưới), không dễ tạo ra được các điều kiện tương tự cho mô hình

2.3 Những khó khăn khi xây dựng thiết bị mô phỏng

Xây dựng TBMP theo mô hình chung trên hình 2.1 có nhiều khó khăn Bởi vì nói chung quá trình biến đổi ngược D/A đòi hỏi các thiết bị khá phức tạp Để một phần tử vật lý hoạt động giống như nằm trong hệ thống ngoài việc đảm bảo các thông tin liên kết còn phải đảm bảo tính tương tự về công suất Chế tạo các

bộ khuếch đại và điều khiển công suất đưa đến từ nguồn ngoài thường phức tạp hơn nhiều so với các bộ biến đổi thông tin Với lý do trên, TBMP chế tạo tại bộ môn Hệ thống điện, trường Đại học Bách khoa Hà nội được thiết kế chủ yếu theo hướng biến đổi A/D

2.4 Giới thiệu thiết bị mô phỏng xây dựng tại phòng thí nghiệm của bộ môn

Hệ thống điện

Trường hợp đơn giản nhất, thiết bị mô phỏng hệ thống điện chỉ bao gồm hướng biến đổi thông tin A/D (tương tự - số) (hình 2.2) Khi đó thiết bị bao gồm: bàn điều khiển có bảng hiển thị, một card biến đổi tương tự-số (A/D card) và một

máy tính cá nhân có phần mềm tính toán và màn hình giao diện với người sử dụng (màn hình đồ hoạ) Thiếu mạch nối với hệ thống thực làm giảm bớt khả năng cập nhật thông tin on-line từ HTĐ thực, và các nghiên cứu on-line cho HTĐ đang vận hành Tuy nhiên, chức năng này rất dễ có thể bổ sung khi cần thiết Thiếu chiều biến đổi D/A, như trên đã nêu sẽ làm giảm khả năng thử nghiệm hoạt động của các phần tử vật lý trong sơ đồ HTĐ Thực tế TBMP trong trường hợp này không có khả năng hoạt động theo mô hình lai Đó cũng là hạn chế chính của TBMP đã được xây dựng tại bộ môn

Mục đích chủ yếu được đặt ra là thực hiện tính toán nhanh hàng loạt các tình huống chế độ của HTĐ trên TBMP, tiến hành được các thí nghiệm tương ứng với sự thay đổi liên tục về thông số chế độ Trên cơ sở đó đánh giá độ tin cậy làm việc của sơ đồ Đặc biệt có thể nghiên cứu hiệu quả của các trang thiết bị mới như các thiết bị FACTS trong sơ đồ HTĐ Việt Nam

Một số đặc điểm về trang thiết bị như sau

2.4.1 Máy tính cá nhân

Máy tính thực hiện các nhiệm vụ:

Máy tính (mô phỏng số hệ thống điện) D/A Bàn điều khiển

Hình 2.2 Cấu trúc đơn giản của thiết bị mô phỏng HTĐ

Bảng chỉ thị (Sơ đồ động hệ thống)

• mô phỏng các phần tử cơ bản của HTĐ thực phức tạp như đường dây trên không, máy biến áp điện lực bằng các mô hình toán học;

• tính toán nhanh CĐXL của HTĐ;

• phân tích trạng thái ổn định của hệ thống;

• hiển thị hoặc tạo các file kết quả

Như vậy, máy tính chính là phần tử thu thập và xử lý thông tin trong thiết bị mô phỏng Với vai trò quan trọng như vậy và để đảm bảo yêu cầu nhanh và chính xác tại mỗi thời điểm trao đổi thông tin, máy tính cá nhân của thiết bị mô phỏng được trang bị cấu hình: bộ vi xử lý Pentium IV 2,2 GHz, 256 Mbytes RAM, đĩa cứng 40 Gbytes, ổ đĩa mềm 1,2 Mbytes và màn hình hiển thị màu 15”

2.4.2 Bàn điều khiển

Bàn điều khiển là nơi đặt các thiết bị điều khiển và hệ thống chỉ thị là các đồng

hồ đo và đèn tín hiệu thể hiện thông tin trạng thái của các thiết bị điều khiển Nguồn cung cấp cho bàn điều khiển là một nguồn độc lập với máy tính

Phần thiết bị điều khiển và mô hình vật lý là một trong những phần cơ bản của thiết bị mô phỏng và cũng là phần luôn có sự thay đổi Tuy nhiên, với mục đích bước đầu nghiên cứu khả năng hoạt động của hệ thống mô phỏng ứng dụng cho

hệ thống điện nên phần này mới chỉ được thiết kế tương đối đơn giản, bao gồm

16 nút bấm đóng cắt và 8 biến trở điều chỉnh mô tả các phần tử sau của HTĐ:

• máy cắt điện làm việc ở trạng thái đóng/cắt theo lệnh của người dùng;

• máy phát điện làm việc ở CĐXL với hai trạng thái vận hành: trạng thái điều chỉnh module điện áp thanh cái và công suất tác dụng; trạng thái điều chỉnh công suất tác dụng, công suất phản kháng;

• phụ tải điện có công suất tác dụng và phản kháng đã cho, biến thiên chậm theo biểu đồ

Các thiết bị phức tạp hơn như máy phát có tự động điều chỉnh điện áp và tần số theo quy luật, các động cơ điện làm việc theo đặc tính mômen, các rơle bảo vệ chưa được thực hiện trong thiết bị mô phỏng này

Như vậy, các thiết bị điều khiển thay đổi trạng thái một số phần tử nào đó của HTĐ mô phỏng được bố trí nằm ngoài máy tính Các thiết bị điều khiển này khi hoạt động, thông số của chúng thay đổi nhanh nhưng có thể đo và điều khiển được Hiện tại, trong thiết bị mô phỏng này mới chỉ có trao đổi thông tin một chiều từ bàn điều khiển vào máy tính, phần ngược lại do phức tạp hơn nên chưa được thực hiện Do đó, máy tính hoàn toàn nhận biết được thông tin trạng thái của các phần tử này nếu bàn điều khiển có ghép nối với máy tính

Để ghép nối một thiết bị trao đổi thông tin với máy tính có ba phương pháp sau:

• ghép nối qua rãnh cắm mở rộng trên bản mạch chính;

• ghép nối qua cổng song song;

• ghép nối qua cổng nối tiếp

Ghép nối qua rãnh mở rộng là phương pháp chỉ sử dụng khi cắm thêm các card

mở rộng để thay đổi hoặc nâng cấp máy tính như card âm thanh, card màn hình

Do đó, phương pháp ghép nối này ảnh hưởng nhiều đến tính năng của máy tính

và hoàn toàn không phù hợp cho thiết bị mô phỏng HTĐ

Ghép nối qua cổng song song là phương pháp sử dụng truyền thông theo kiểu song song, nghĩa là các bit dữ liệu được truyền song song còn các byte truyền nối tiếp Khoảng cách cực đại giữa thiết bị ngoại vi và cổng song song của máy tính bị hạn chế vì điện dung ký sinh và hiện tượng cảm ứng giữa các đường dẫn

dữ liệu có thể làm biến dạng tín hiệu Khoảng cách giới hạn là 8m, thông thường chỉ khoảng 1,5-2m

Ghép nối qua cổng nối tiếp RS-232 hiện là một phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính như chuột, mođem, bộ biến đổi A/D Ghép nối qua cổng nối tiếp là phương pháp sử dụng truyền thông

theo kiểu nối tiếp, nghĩa là tại một thời điểm chỉ có một bit được gửi đi dọc theo một đường dẫn Chuẩn RS-232 chỉ cho phép sử dụng đường truyền ngắn với tốc

độ thấp Tuy nhiên, việc thiết kế cổng RS-232 lại dễ dàng và ưu điểm của phương pháp truyền nối tiếp so với phương pháp truyền song song là một đường dẫn được sử dụng để truyền dữ liệu còn một đường dẫn khác dùng để nhận dữ liệu

Với thiết kế hiện tại thì tín hiệu của bàn điều khiển bao gồm 8 tín hiệu đo độ lớn của các biến trở điều chỉnh có dạng thông tin liên tục và 16 tín hiệu của các nút bấm đóng cắt có dạng thông tin rời rạc (tín hiệu trạng thái chỉ có hai giá trị) Như vậy, số lượng và tín hiệu thông tin của bàn điều khiển là rất đa dạng

Máy tính mô phỏng phần phức tạp của hệ thống bằng các mô hình toán học luôn luôn trao đổi thông tin với bàn điều khiển để xác định và thực hiện tính toán nhanh CĐXL mới ứng với các tín hiệu thông tin của phần điều khiển nhận được

Do đó, máy tính và bàn điều khiển phải hoạt động đồng bộ với nhau trong mỗi quá trình trao đổi thông tin Tốc độ biến thiên của các thông số thực tế vào khoảng 1% trong thời gian 1 phút nên chu kỳ hiển thị thông tin của hệ thống mô phỏng đòi hỏi không vượt quá 5 giây, nghĩa là chu kỳ trao đổi thông tin trong hệ thống mô phỏng còn phải ngắn hơn Trong các phương pháp ghép nối máy tính nêu trên thì phương pháp truyền tin nối tiếp tỏ ra thích hợp hơn cả vì vừa đáp ứng được các yêu cầu về đồng bộ hoá trong quá trình trao đổi thông tin, lại dễ phân loại được các tín hiệu trong quá trình xử lý Do đó, bàn thí nghiệm đã được ghép nối với cổng nối tiếp COM2 của máy tính bằng một dây cáp và liên tục gửi tín hiệu đến máy tính bằng phương pháp truyền tin nối tiếp

2.4.3 Card chuyển đổi tín hiệu số

Một thiết bị quan trọng không thể thiếu để ghép nối bàn điều khiển với máy tính

là card chuyển đổi tín hiệu số (Analog/Digital Card) vì lý do các tín hiệu mô tả lệnh, trạng thái hoặc dữ liệu trên máy tính đều tồn tại dưới dạng số Do đó, các đại lượng đo bằng tín hiệu tương tự như điện áp và dòng điện cần được chuyển

đổi thành các tín hiệu số thích hợp trước khi đưa vào máy tính Thiết bị ghép nối trung gian để chuyển đổi các tín hiệu tương tự từ bàn thí nghiệm mô phỏng thành tín hiệu số gửi đến máy tính là card M86HC11 của MOTOROLA Card M86HC11 thực chất là một máy tính đơn giản (Microcomputer Unit) có EPROM, RS-232 cho phép nối với máy tính, các thiết bị đầu cuối và hệ thống điều khiển

2.4.4 Giao diện người dùng

Giao diện người dùng là một khái niệm thể hiện sự tương tác giữa người sử dụng

và phần mềm ứng dụng Nói chung, giao diện của bất kỳ phần mềm nào đều phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

• giúp người dùng sử dụng phần mềm thuận tiện;

• trình bày thông tin đầu vào và kết quả tính toán mạch lạc và dễ hiểu;

• cho phép người dùng dễ dàng nhập và sửa đổi số liệu;

• cho phép nhiều chương trình ứng dụng dùng một cơ sở dữ liệu;

• giúp người sử dụng hiểu rõ hơn thông tin kết quả

Hình 2.3 Minh hoạ giao diện module nhập dữ liệu dạng số

Phần mềm lập trình trong luận văn này cho phép người dùng vẽ sơ đồ hệ thống điện bằng một module đồ hoạ Để nhập dữ liệu dạng số, người dùng chuyển sang module số liệu Module này có rất nhiều bảng biểu giúp cho người dùng dễ dàng

và thuận tiện khi nhập dữ liệu hệ thống Khi người sử dụng hoàn thành việc nhập

dữ liệu, dữ liệu mới sẽ được ghi lại thành các file dữ liệu

Mỗi khi kết thúc quá trình tính toán và phân tích, phần mềm sẽ cung cấp cho người sử dụng lựa chọn chỉ xem hoặc in kết quả ra giấy Ngoài ra, phần mềm này còn thể hiện một cách thức mới trong việc trình bày kết quả tính toán Đó là

vì phần mềm còn có một module thể hiện màu đường dây phụ thuộc công suất truyền tải trên đường dây đó, ví dụ như khi đường dây bị quá tải thì màu thể hiện của đường dây sẽ là màu đỏ

Một số ngôn ngữ lập trình bậc cao như C, BASIC, PASCAL, DELPHI đều có thể sử dụng để phát triển phần mềm mô phỏng nhưng rõ ràng là có một số ngôn ngữ phù hợp hơn với mỗi ứng dụng riêng biệt BASIC bị loại đầu tiên vì mặc dù mạnh về khả năng đồ họa nhưng lại hạn chế về kích cỡ chương trình và các module con viết trên ngôn ngữ BASIC khó giao tiếp với các module viết bằng ngôn ngữ khác PASCAL cũng bị loại bởi khả năng tính toán hạn chế của nó Ngôn ngữ C rất khó trong các công việc xử lý màn hình Trong khi đó, đây lại là công việc rất cần thiết khi hiển thị các thông tin trạng thái của hệ thống hoặc vẽ

đồ thị Cuối cùng, DELPHI được lựa chọn bởi nó có khả năng vào/ra dữ liệu và cấp phát bộ nhớ tốt (phù hợp cho các hệ thống nghiên cứu có kích cỡ lớn), dễ kết nối với module viết bằng ngôn ngữ khác, hơn nữa lại dễ xây dựng giao diện cho phần mềm

Hiện nay, FORTRAN là ngôn ngữ lập trình được lựa chọn cho hầu hết các bài toán giải quyết nhiều phép tính phức tạp trong lĩnh vực kỹ thuật bởi những ưu điểm vượt trội của nó so với các ngôn ngữ khác về tốc độ thời gian xử lý Do đó, module tính toán của thiết bị mô phỏng được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN

2.5 Cấu trúc và trao đổi thông tin trong thiết bị mô phỏng

Như đã trình bày ở mục 1.4.2 thì các tín hiệu thông tin rất quan trọng chứa đựng thông số trạng thái và tác động của các phần tử ở bàn điều khiển sẽ truyền liên tục đến máy tính theo phương pháp truyền tin nối tiếp Tuy nhiên, để đồng bộ hoá và phân loại được các tín hiệu thông tin tương ứng của các phần tử điều khiển tại mỗi chu kỳ trao đổi thông tin (diễn ra rất nhanh) trước khi đưa vào mô hình toán trên máy tính, đòi hỏi mẫu tin truyền phải có cấu trúc hợp lý và có xử

lý lỗi Điều này là rất cần thiết để máy tính có thể tái đồng bộ lại hệ thống mỗi khi quá trình truyền tin có lỗi Do đó, thông tin giá trị của các biến trở điều chỉnh (hiển thị trên các đồng hồ chỉ thị) khi qua card chuyển đổi tín hiệu số được chọn

là các thông tin kiểu byte (nhận giá trị từ 0 đến 255) Nghĩa là phải dùng 1 byte

để biểu diễn thông tin của mỗi biến trở Do đó, tương ứng với 8 biến trở điều chỉnh thì sẽ có 8 byte thông tin biểu diễn Đối với thông tin của 16 nút bấm đóng cắt (hiển thị trạng thái bằng các đèn chỉ thị), thông tin trạng thái của mỗi nút bấm chỉ cần 1 bit thông tin nhận giá trị 0 hoặc 1 để biểu diễn (ví dụ 1 tương ứng với trạng thái nút bấm cắt) Ngoài ra, để giải quyết vấn đề đồng bộ hoá và xử lý lỗi, mẫu tin gửi đi từ bàn thí nghiệm còn có thêm 3 byte đồng bộ và 1 byte tính tổng phục vụ kiểm tra lỗi

Công việc đầu tiên thiết bị mô phỏng thực hiện mỗi khi mô phỏng đó là đọc các file dữ liệu về cấu trúc và thông số trạng thái của hệ thống File dữ liệu dạng số của hệ thống bao gồm:

• Các thông tin thiết lập phục vụ cho tính toán CĐXL bằng phương pháp Newton-Raphson;

• Thông tin về các nút trong hệ thống như tên nút, loại nút (nút tải, nút nguồn, nút cân bằng, nút giữ điện áp ) và các thông số trạng thái của mỗi loại nút (ví dụ như giá trị công suất tải, giá trị điện áp nút, );

• Số liệu về các nhánh đường dây, máy biến áp như loại đường dây, giá trị điện kháng, điện trở, thông số máy biến áp, trạng thái làm việc

File hình vẽ sơ đồ chứa đựng thông tin về mã số (ID) của các phần tử của hệ thống, kiểu đường vẽ (đường thẳng, hình tròn ) và một số thông tin khác phục

vụ chủ yếu cho quá trình vẽ của module đồ hoạ Đối với thiết bị mô phỏng thì thông tin cần quan tâm nhất đó là mã số của các phần tử vì nó sẽ giúp đơn giản hoá thao tác thể hiện các thông tin cần quan tâm trực quan trên màn hình (như màu sắc, các giá trị điện áp hay dòng công suất) trong quá trình mô phỏng

File hình

vẽ sơ đồ

File số liệu dạng số

Định vị thông tin

cập nhật

Module đồ hoạ vẽ sơ đồ

Tính toán CĐXL

File kết quả

Mẫu tin từ bàn

điều khiển

Thao tác điều khiển

Hình 2.4 Trao đổi thông tin trong thiết bị mô phỏng

Khởi động theo chu kỳ Khởi động

theo sự kiện

cập nhật

Màn hình đồ hoạ (sơ đồ HTĐ)

Ngoài những file dữ liệu trên còn một file dữ liệu nữa chứa đựng thông tin về vị trí các máy cắt và vị trí các nút thay đổi công suất Phải có những thông tin này, thiết bị mô phỏng mới nhận biết được có sự thay đổi về thông số hoặc cấu trúc của hệ thống khi người dùng thao tác mở máy cắt ở một đường dây truyền tải hoặc thay đổi giá trị công suất của một nút nào đó Có thể thấy file dữ liệu này rất hữu ích khi thực hiện quá trình mô phỏng Vì cứ mỗi chu kỳ trao đổi thông tin, file này sẽ được đọc để xác định các thông số chế độ mới của hệ thống trong mẫu tin dữ liệu gồm 14 byte truyền từ bàn điều khiển qua thiết bị chuyển đổi tín hiệu số đến máy tính Với các thông tin nhận được, máy tính mô phỏng phần hệ thống phức tạp bằng các mô hình toán học sẽ thực hiện tính toán nhanh CĐXL với độ chính xác theo yêu cầu vào thời gian trao đổi thông tin bằng cách gọi module tính toán CĐXL Và nếu có bất kỳ thay đổi nào trong hệ thống, người dùng sẽ được thông báo trên màn hình Khi có sự cố, trên màn hình sẽ có thêm cảnh báo để người dùng biết và thực hiện các thao tác giải trừ

2.6 Phương pháp tính toán nhanh CĐXL của hệ thống điện

Như đã nêu trong chương 1, vấn đề nâng cao tốc độ tính toán trong TBMP có ý nghĩa quan trọng đặc biệt Trong nhiều trường hợp thời gian tính còn là yếu tố giới hạn cho phép thực hiện được (hay không được) TBMP Trong phần này trình bày nguyên lý cơ bản nhất được áp dụng nhằm nâng cao tốc độ tính toán cho TBMP Điều kiện để áp dụng được phương pháp này là chỉ xét sự biến thiên nhỏ của thông số chế độ, xuất phát từ một chế độ đang tồn tại Nói chung điều kiện này luôn luôn là đúng cho hoạt động của TBMP Thật vậy, khi nghiên cứu

sự thay đổi liên tục của các thông số chế độ, trước khi chuyển sang một chế độ mới tiếp theo thiết bị phải đang ở một chế độ nhất định gần đó Chế độ tiếp theo

có thể xác định nhanh được theo các thông số chế độ trước đó nhờ phương pháp thông số nhỏ Tinh thần của phương pháp như sau

Giả thiết chế độ xác lập hệ thống mô tả được bằng hệ các phương trình đại số phi tuyến dạng tổng quát:

x 1 ,x 2 x n : biểu thị các thông số trạng thái hệ thống

P: một thông số chế độ có thể thay đổi trị số trong một phạm vi tương đối hẹp nào đó

Với thông số <P> cố định hệ phương trình có nghiệm duy nhất xác định trạng thái của hệ thống ứng với chế độ có <P> Có thể ký hiệu các thông số trạng thái

hệ thống trong trường hợp này là x i (<P>) hay gọn hơn là <x i > Khi P biến thiên liên tục (với tốc độ chậm) các thông số trạng thái hệ thống cũng thay đổi liên tục như một hàm phụ thuộc P, có thể ký hiệu là x i (P) hay x i Do tính liên tục, khả vi của hàm x i đối với P có thể sử dụng khai triển chuỗi Taylo :

sau khi nhận được thông tin đo lường về P, biểu thức giải tích hệ (2.2) sẽ cho phép xác định x i gần như tức thời

Để xác định các hệ số tiệm cận a i , b i cần thiết lập các hệ phương trình biến phân xuất phát từ hệ (2.1)

Với giả thiết các hàm f i đều liên tục và khả vi với mọi x i và P, đạo hàm 2 vế hệ (2.2) theo P có thể nhận được :

P

f P

x x

f n

1

j

i j

j



 +

x

f

a x

f a

x

f

a x

f a

x

f

P

f a

x

f

a x

f a

x

f

n n

n

n 2

2

n 1 1

n

2 n

n

2 2

2

2 1 1

2

1 n

n

1 2

2

1 1 1



 +



 +



 +





(2.4)

Các đạo hàm riêng trong hệ phương trình được tính với <xi> và <P> đã biết, do

đó là những hệ số hoàn toàn xác định Giải hệ phương trình đại số tuyến tính (2.4) sẽ tìm được đầy đủ các hệ số tiệm cận a i

Tương tự như trên nếu đạo hàm 2 lần các vế của hệ (2.1) theo P ta nhận được hệ phương trình biến phân cấp 2, cho phép xác định các hệ số b i :

0 P

f P

x x

f P

x P x

f 2 P

x P

x x x

f

2 i 2 n

1

j

2 j 2

j

i j j i

2 j

n

1 k

k k j i

2

=



 +

1 j

j j i 2 n

1 k

k j k j i 2 n

1

j

j j

i

P

f a

P x

f 2 a

a x x

f b

Hệ phương trình (2.5) có cùng cấu trúc như hệ (2.4), chỉ khác ở biểu thức vế phải Với các hệ số a i đã xác định được sau khi giải hệ (2.4) vế phải là những trị

số đã biết nên giải hệ phương trình tuyến tính (2.5) sẽ xác định được đầy đủ các

<U i >, < i >: mođun và góc pha điện áp nút, ứng với công suất tải <P>

P: độ biến thiên công suất đo được P = P - <P>

L Ui , M Ui , L i , M i : các hệ số xác định theo phương pháp tham số nhỏ (với công suất tác dụng và phản kháng sử dụng ký hiệu L Pi , M Pi và L Qi , M Qi )

Để xác định các hệ số L, M cần thiết lập và giải các phương trình sai phân theo (2.4) và (2.5)

Hãy xét cụ thể hơn vào phương trình CĐXL của HTĐ Không làm giảm tính tổng quát ta giả thiết rằng phần mềm tính toán, phân tích CĐXL của HTĐ phức tạp (gồm N nút) được xây dựng trên cơ sở hệ phương trình cân bằng dòng nút:

Ma trận cột dòng phức J thể hiện dòng điện của các nguồn (bơm vào nút) hoặc dòng điện tải (lấy từ nút)

Nhân hai vế các phương trình trên với trị số liên hợp điện áp các nút tương ứng,

ta nhận được hệ phương trình cân bằng công suất nút:

Trong đó: P i và Q i tương ứng là công suất tác dụng và phản kháng đi vào nút i

Để giải bằng các phương pháp số, ta chuyển về dạng số thực bằng cách đặt:

U i = U i (cos  i + j sin  i ) và Y ij = y ij (sin  ij + j cos  ij )

phương trình (2.6), bởi hệ có tính phi tuyến rõ rệt nên chỉ có thể giải mỗi lần theo phương pháp lặp

Để giải theo phương pháp thông số nhỏ ta cần thiết lập thêm các phương trình sai phân cấp 1 và cấp 2 (tương ứng với 2.4 và 2.5)

Chẳng hạn xét chế độ vận hành giữ điện áp thanh cái các máy phát, nút cân bằng

có số hiệu 1, tải tác dụng nút N lấy làm thông số biến thiên, hệ phương trình biến phân cấp 1 có dạng cụ thể như sau :

N

2<U N >y NN cos NN L uN -  [(<U N >L uj + <U j >L uN ) y Nj cos (< N >- < j >-

 Nj )

j=1

- <U N ><U j >y Nj ( L N - L j ) sin(< N >- < j >-  Nj )] = 0

Hệ phương trình là tuyến tính với đủ 2N ẩn (có các hệ số L) nên có thể dễ dàng giải được bằng các thuật toán thông dụng Tương tự như vậy, có thể thiết lập hệ phương trình để tìm các hệ số M Thông thường các hệ số được xác định cùng lúc với phép tính thông số chế độ Thời gian tính có thể tăng lên chút ít nhưng sau đó các phép tính với thông số biến thiên lại nhanh hơn rất nhiều (gần như tức thời qua biểu thức tiệm cận)

Với mỗi hệ thống cụ thể, vấn đề còn là ở chỗ đánh giá sai số của hệ (2.2) và phạm vi của P có thể ứng dụng Có thể giảm phạm vi P trong mô hình bằng cách xác định lại <x i > và các hệ số tiệm cận một cách chu kỳ trong thời gian thực Thời gian giữa hai lần tính càng ngắn thì phạm vi sai lệch có thể có của P

sẽ càng nhỏ Lựa chọn chu kỳ tính toán này có ý nghĩa quyết định độ chính xác

và tính phức tạp của mô hình Rõ ràng khi thông số hệ thống biến đổi nhanh (phụ thuộc tính chất hệ thống) mà tốc độ tính toán lại chậm (phụ thuộc phương pháp tính) thì có thể gặp giới hạn không đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu Cho nên

có thể coi đây là một tiêu chuẩn giới hạn đảm bảo hoạt động bình thường của thiết bị mô phỏng

Phần mềm tính toán chế độ xác lập HTĐ

trong thiết bị mô phỏng

Từ mục tiêu đã đặt ra cho TBMP, có thể thấy rằng vấn đề cốt lõi đảm bảo cho các hoạt động của TBMP chính là phần mềm tính toán CĐXL của HTĐ Ngoài mức độ hoàn hảo về chức năng tính toán phân tích chế độ hệ thống phần mềm này còn cần có những đặc điểm riêng thích ứng sử dụng trong TBMP :

- Có độ tin cậy nhận lời giải cao;

- Tốc độ tính toán nhanh;

- Cấu trúc thông tin dữ liệu vào/ra rõ ràng, thuận tiện cho việc truy cập

Để dùng cho TBMP, chương tình tính toán CĐXL sẵn có của bộ môn HTĐ (chương trình "CONUS") tỏ ra khá thích hợp về chức năng tính toán Tuy nhiên phần bố trí cấu trúc dữ liệu vào/ra cần phải thay đổi nhiều, nhất là nguyên gốc chương trình được thiết lập trên hệ điều hành DOS Nhiệm vụ của luận văn là bố trí xắp xếp lại các thông tin dữ liệu nhằm đáp ứng nhu cầu truy cập trao đổi thông tin on-line với các phần tử điều khiển Ngoài ra, cần thiết lập lại phần mềm giao diện đồ hoạ (for Windows) đáp ứng yêu cầu làm việc thuận tiện với sơ

đồ cho người sử dụng, tương ứng với các thao tác và hoạt động của TBMP Để thực hiện các nội dung này tác giả luận văn cần đi sâu nghiên cứu rất kỹ mô hình các phần tử của hệ thống điện trong mô hình toán, kết cấu của hệ phương trình

và phương pháp giải Một phần quan trọng quyết định khác là làm chủ được cấu trúc dữ liệu, phối hợp thời gian tính toán với trao đổi dữ liệu (trình bày trong chương 5), xử lý on-line màn hình đồ hoạ (chứa dữ liệu động của kết quả tính

toán) Chương này sẽ trình bày về các nội dung liên quan đến những vấn đề nêu trên trong phần mềm tính toán phân tích CĐXL của hệ thống điện

3.1 Mô hình các phần tử của hệ thống điện

Lưới điện hiện đại bao gồm nhiều cấp điện áp, có cấu trúc phức tạp (hình tia, mạch vòng) được cung cấp từ nhiều nguồn điện Bên cạnh đó, các phần tử của HTĐ cũng rất đa dạng và đang được bổ sung thêm nhiều thiết bị mới Vì vậy, các nhánh của sơ đồ thường được chuẩn hoá để xây dựng một mô hình phù hợp cho tính toán CĐXL của HTĐ

Người ta sử dụng khái niệm nhánh chuẩn nối giữa nút i và j như sau:

Hình 3.1 Nhánh chuẩn nối giữa nút i và nút j

Mỗi nhánh chuẩn bao gồm một tổng trở Z ij nối nối tiếp với một MBA lý tưởng (không tổn hao) có hệ số biến áp phức K ij Môđun hệ số biến áp bằng tỉ số giữa các vòng dây của MBA thực (phụ thuộc đầu phân áp lựa chọn lúc vận hành) Khi nối trong mạch, trị số K sẽ bằng tỉ số môđun điện áp 2 phía (vì là MBA lý tưởng):

i

' i ij

U

U

K =

Trong đó: góc pha của K ij phụ thuộc vào tổ đấu dây của MBA

Sơ đồ tính toán chuẩn là sơ đồ chỉ gồm các nhánh chuẩn Tại các nút của sơ đồ còn có các nguồn (biểu diễn bằng dòng điện bên trong J hoặc điện áp đầu cực U) Trong trường hợp chung, sơ đồ chuẩn mang tính chất graph có hướng

Vị trí tương đối của MBA lý tưởng và tổng trở Z phân biệt ra hai hướng khác nhau của nhánh Nếu gọi nút đầu nhánh là i, nút cuối nhánh là j thì sơ đồ (a) có MBA lý tưởng nối trực tiếp với nút đầu i, còn sơ đồ (b) MBA lý tưởng lại nối với nút đầu i thông qua tổng trở Z

Sự khác nhau cơ bản giữa sơ đồ chuẩn so với sơ đồ thông thường là sự có mặt của các MBA lý tưởng trong mọi nhánh Hệ số biến áp là một thông số của nhánh nên có thể nhận giá trị bất kỳ Do đó, số cấp điện áp của sơ đồ là không hạn chế và mỗi MBA xét chính xác được hệ số biến áp cả về môđun và góc lệch pha Các phần tử không liên quan đến hệ số biến áp (các điện trở, điện kháng thông thường) coi là nhánh chuẩn có hệ số biến áp bằng 1 (góc lệch là 0) Mọi phần tử của HTĐ đều được mô tả thông qua nhánh chuẩn

3.1.1 Mô hình các đường dây trên không và cáp

- Đường dây trên không điện áp U > 35 kV

Z D = R D + jX D = (r o + jx o )l

Hình 3.3 Sơ đồ thay thế đường dây U > 35

kV

k l

j i

- Đường dây trên không điện áp 66kV  U  330kV và đường dây cáp

Z D = R D + jX D = (r o + jx o )l

B = jb o l

- Đường dây siêu cao áp U > 330 kV

+ Mô hình là chuỗi các đoạn đường dây ngắn

Mô hình biểu diễn như sau:

Khi mô hình là chuỗi các đoạn đường dây ngắn, thường bỏ qua điện dẫn rò và vầng quang Mỗi đoạn đường dây ngắn được mô hình bằng một mắt xích l có Z = (r o + jx o ) l và B = jb o l

Ưu điểm của mô hình này là đơn giản và khảo sát được thông số tại các điểm trung gian trên đường dây

+ Mô hình theo thông số mạng 4 cực

Coi đường dây dài như mạng 2 cửa (4 cực) với các thông số đầu vào và đầu ra là dòng và áp 2 đầu đường dây (U 1 , I 1 , U 2 , I 2 ) Chúng

có quan hệ với nhau theo phương trình của đường dây dài Để biểu diễn đường dây theo các phần tử tập trung cần xác định thông số mạch hình  hoặc T tương đương

Hình 3.5 Sơ đồ thay thế theo chuỗi các đoạn đường dây.

ngắn

Hình 2.4 Sơ đồ thay thế đường