Tính toán tổn thất trong hệ thống cung cấp điện xét đến phương thức vận hành và hiệu quả kinh tế

Việc đánh giá chính xác trị số tổn thất điện năng là công việc rất khó khăn vì chỉ tính được chính xác khi ta biết được dữ liệu về phụ tải của tất cả các nút trong hệ thống điện.. Các n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG

VÀ HI ỆU QUẢ KINH TẾ

CHƯƠNG 1: TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG

1.1 Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong HTCCĐ 9

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất 11 1.2.1 Điện áp làm việc của trang thiết bị 11

1.3 Nội dung nghiên cứu phương pháp giảm tổn thất trong luận văn 13 1.3.1 Phương pháp đánh giá hiệu quả bù trong các lưới điện 13 phân phối

1.3.2 Xác định dung lượng bù tối ưu theo mục tiêu giảm tổn thất 14 1.3.3 Tính toán hiệu quả bù giảm tổn thất cho một số lưới

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

2.1 Tính toán tổn thất điện năng theo tổn thất công suất cực đại 16 2.2 Tính toán tổn thất theo biểu đồ công suất 18

2.3 Phương pháp đường cong tổn thất 18 2.3.1 Trường hợp chỉ đo được biểu đồ công suất tổng trên thanh cái

và cho trị số công suất định mức (hay cực đại) các nút 18 2.3.2 Trường hợp lưới có một phụ tải hay một nhóm phụ tải có

3.1 Yêu cầu của các phần mềm phân tích hệ thống, ứng dụng trong

tính toán tổn thất công suất đối với HTĐ phức tạp 25 3.2 Mô hình hệ thống điện trong tính toán tổn thất 25

CHƯƠNG 4: BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG NHẰM GIẢM

4.1 Bài toán bù tối ưu lưới phân phối nhằm làm giảm tổn thất điện năng 47

4.1.2 Suất giảm chi phí tổn thất của thiết bị bù trong HTCCĐ 47 4.1.3 Các bài toán liên quan đến bù tối ưu công suất phản kháng trong

4.2 Chương trình tính toán đánh giá hiệu quả bù và xác định

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN TỔN THẤT VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BÙ KINH T Ế MỘT SỐ SƠ ĐỒ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRONG

5.1 Thực trạng lưới điện trung áp ở Việt Nam 60

5.1.4 Tổn thất điện năng lưới phân phối qua các năm 76 5.2 Tính toán bù tối ưu cho lưới phân phối điển hình ở Việt Nam 78

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Kết quả tính toán bù tối ưu cho lưới phân phối đơn giản 60

Bảng 5.1 Tỷ lệ tổn thất điện năng lưới phân phối qua các năm 77

Bảng 5.2 Cơ cấu tổn thất điện năng trên lưới điện 78

Hình 3.2 Sơ đồ khối các bước tính toán giải tích lưới 46

Hình 4.1 Giao diện chương trình Conus có chức năng phân tích bù 56

Hình 4.3 Màn hình kết quả xác định dung lượng bù tối ưu 58

Hình 4.4 Sơ đồ bí dụ lưới điện phân phối đơn giản 59

Hình 5.1 Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp lưới trung áp toàn quốc 62

Hình 5.2 Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp lưới trung áp khu vực miền Bắc 63

Hình 5.3 Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp lưới trung áp khu vực miền Nam 70

Hình 5.4 Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp lưới trung áp khu vực miền Trung 74

Hình 5.6 Vào số liệu nhánh 85

CHƯƠNG 1: TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG

1.1 Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong HTCCĐ 9

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất 11 1.2.1 Điện áp làm việc của trang thiết bị 11

1.3 Nội dung nghiên cứu phương pháp giảm tổn thất trong luận văn 13 1.3.1 Phương pháp đánh giá hiệu quả bù trong các lưới điện 13 phân phối

1.3.2 Xác định dung lượng bù tối ưu theo mục tiêu giảm tổn thất 14 1.3.3 Tính toán hiệu quả bù giảm tổn thất cho một số lưới

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

2.1 Tính toán tổn thất điện năng theo tổn thất công suất cực đại 16 2.2 Tính toán tổn thất theo biểu đồ công suất 18

2.3 Phương pháp đường cong tổn thất 18 2.3.1 Trường hợp chỉ đo được biểu đồ công suất tổng trên thanh cái

và cho trị số công suất định mức (hay cực đại) các nút 18 2.3.2 Trường hợp lưới có một phụ tải hay một nhóm phụ tải có

3.1 Yêu cầu của các phần mềm phân tích hệ thống, ứng dụng trong

tính toán tổn thất công suất đối với HTĐ phức tạp 25 3.2 Mô hình hệ thống điện trong tính toán tổn thất 25

CHƯƠNG 4: BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG NHẰM GIẢM

4.1 Bài toán bù tối ưu lưới phân phối nhằm làm giảm tổn thất điện năng 47

4.1.2 Suất giảm chi phí tổn thất của thiết bị bù trong HTCCĐ 47 4.1.3 Các bài toán liên quan đến bù tối ưu công suất phản kháng trong

4.2 Chương trình tính toán đánh giá hiệu quả bù và xác định

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN TỔN THẤT VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BÙ KINH T Ế MỘT SỐ SƠ ĐỒ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRONG

5.1 Thực trạng lưới điện trung áp ở Việt Nam 60

5.1.4 Tổn thất điện năng lưới phân phối qua các năm 76 5.2 Tính toán bù tối ưu cho lưới phân phối điển hình ở Việt Nam 78

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Kết quả tính toán bù tối ưu cho lưới phân phối đơn giản 60

Bảng 5.1 Tỷ lệ tổn thất điện năng lưới phân phối qua các năm 77

Bảng 5.2 Cơ cấu tổn thất điện năng trên lưới điện 78

Hình 3.2 Sơ đồ khối các bước tính toán giải tích lưới 46

Hình 4.1 Giao diện chương trình Conus có chức năng phân tích bù 56

Hình 4.3 Màn hình kết quả xác định dung lượng bù tối ưu 58

Hình 4.4 Sơ đồ bí dụ lưới điện phân phối đơn giản 59

Hình 5.1 Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp lưới trung áp toàn quốc 62

Hình 5.2 Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp lưới trung áp khu vực miền Bắc 63

Hình 5.3 Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp lưới trung áp khu vực miền Nam 70

Hình 5.4 Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp lưới trung áp khu vực miền Trung 74

Hình 5.6 Vào số liệu nhánh 85

M ở đầu

1 Lí do và mục đích chọn đề tài

Sản xuất và sử dụng điện năng một cách hợp lý luôn là một yêu cầu cấp thiết vì

nó liên quan đến sử dụng nguồn tài nguyên tự nhiên có hạn của con người Trong quá trình sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng từ các nhà máy điện tới người sử dụng, không thể tránh khỏi những mất mát năng lượng do bản chất vật

lý của các phần tử khi mang điện Việc đánh giá chính xác trị số tổn thất điện năng là công việc rất khó khăn vì chỉ tính được chính xác khi ta biết được dữ liệu

về phụ tải của tất cả các nút trong hệ thống điện Trong thực tế, người ta thường dùng các phương pháp gần đúng với một vài giả thiết nhằm đơn giản hóa phương pháp tính Giảm được tổn thất điện năng đồng nghĩa với việc giảm được vốn đầu tư cho nguồn và chi phí vận hành hàng năm Có nhiều biện pháp giảm tổn thất điện năng, có thể kể đến như thay đổi cấu trúc lưới điện, thay đổi phương thức vận hành của lưới, điều chỉnh điện áp, đặt bù tối ưu Trong các biện pháp trên, biện pháp đặt bù tối ưu là biện pháp khá đơn giản nhưng lại đem lại hiệu quả cao về phương diện giảm tổn thất điện năng Trong khuôn khổ nội dung luận văn, ta sẽ nghiên cứu bài toán bù tối ưu công suất phản kháng trong lưới phân phối với hàm mục tiêu là giảm được tổn thất điện năng

2 Nội dung của luận văn

Với mục đích trên, bản luận văn bao gồm các nội dung chính sau:

Chương 1: Nghiên cứu các vấn đề liên quan đến tính toán tổn thất điện

năng, bao gồm các nguyên nhân gây ra tổn thất và các yếu tố ảnh hưởng đến trị số của tổn thất

Chương 2: Nghiên cứu các phương pháp tính toán tổn thất điện năng

trong hệ thống điện

Chương 3: Nghiên cứu mô hình toán học khi tính toán tổn thất điện năng,

giới thiệu một số chương trình tính toán phân tích hệ thống điện có tính đến tổn thất điện năng

Chương 4: Nghiên cứu bài toán bù công suất phản kháng ở lưới điện phân

phối nhằm làm giảm tổn thất điện năng và ví dụ áp dụng

Chương 5: Nghiên cứu hiệu quả bù kinh tế đối với một số lưới điện phân

phối điển hình ở Việt Nam

CHƯƠNG 1: TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ VẤN ĐỀ TÍNH TOÁN TỔN THẤT KỸ THUẬT

Tổn thất công suất và tổn thất điện năng là những chỉ tiêu quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả làm việc của hệ thống điện (HTĐ) Tổn thất trong HTĐ bao gồm 2 thành phần, tổn thất kỹ thuật và tổn thất thương mại Tổn thất

kỹ thuật là dạng tổn thất xảy ra do bản chất vật lý của các phần tử trong HTĐ, do kết cấu của lưới điện và do phương thức vận hành HTĐ, còn tổn thất thương mại

là tổn thất xảy ra trong quá trình quản lý việc sản xuất, truyền tải và sử dụng điện năng Vấn đề tính toán tổn thất gắn liền với bài toán thiết kế, vận hành HTĐ, cũng như lựa chọn cấu trúc hợp lý của lưới điện

1.1 Các n guyên nhân gây ra tổn thất trong HTCCĐ

Tổn thất điện năng trong hệ thống điện luôn luôn tồn tại do nhiều nguyên nhân khác nhau: mất mát năng lượng do hiệu ứng Joule, tổn thất từ trễ và dòng Foucault trong lõi từ của máy điện, tổn thất vầng quang trên các đường dây truyền tải điện, tổn thất do sai số trong hệ thống đo đếm, tổn thất do gian lận sử dụng v.v… Những nguyên nhân này có thể được chia thành 2 nhóm: tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật

1.1 1 Tổn thất kỹ thuật

Tổn thất kỹ thuật là tổn thất tồn tại do bản chất vật lý của các phần tử

trong hệ thống điện Nó phản ảnh hiệu suất của hệ thống trong quá trình sản

xuất, truyền tải và phân phối điện năng tới nơi tiêu thụ Các thành phần chính của tổn thất kỹ thuật bao gồm

- Tổn thất trên điện trở của mọi phần tử có dòng điện chạy qua

Tổn thất trên điện trở của phần tử tỉ lệ với bình phương của dòng điện chạy qua phần tử đó theo biểu thức 2

P=I R Tuy nhiên cũng cần phải xét đến

mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của phần tử bởi vì khi dòng điện tăng lên thì nhiệt độ của thiết bị cũng tăng

- Các tổn thất không tải do phần tử mang điện áp

Tổn thất không tải xuất hiện trong các phần tử có chứa mạch từ như máy biến áp, động cơ, điện kháng, nam châm điện, các thiết bị bù Dạng tổn thất này thường tỷ lệ xấp xỉ với bình phương của điện áp và bao gồm các thành phần như tổn thất do hiện tượng từ trễ, tổn thất do dòng điện foucault và tổn thất do hỗ cảm giữa các phần tử

- Tổn thất vầng quang

Tổn thất vầng quang xuất hiện trên các đường dây truyền tải điện do mất mát năng lượng vào việc ion hóa không khí xung quanh đường dây

Tổn thất kỹ thuật có thể được phân loại theo cấp điện áp

- Tổn thất ở lưới truyền tải:

+ Tổn thất trên các đường dây truyền tải (500kV, 220kV, 110kV)

+ Tổn thất qua máy biến áp truyền tải

- Tổn thất ở lưới phân phối:

+ Tổn thất ở các phía cao áp lưới phân phối (35kV, 22kV, 10kV, 6kV) + Tổn thất qua máy biến áp phân phối

+ Tổn thất ở lưới hạ áp (0,4kV)

1.1 2 Tổn thất phi kỹ thuật

Là tổn thất do sự chênh lệch giữa lượng điện năng sử dụng và lượng điện năng được tính tiền Sự chênh lệch này là do sai số của thiết bị đo đếm như công

tơ, máy biến dòng, do những phụ tải không được tính tiền hoặc do trộm cắp, gian

lận thương mại Tổn thất phi kỹ thuật phản ánh hiệu quả quản lý điện năng từ

khâu sản xuất, truyền tải và phân phối tới khách hàng Tổn thất phi kỹ thuật bao gồm các thành phần chính:

- Tổn thất do sai số của thiết bị đo đếm

Các thiết bị đo đếm bao gồm các máy biến dòng điện, máy biến điện áp, wattmet, công tơ, các thiết bị hiển thị cơ và số Tổn thất điện năng có thể xuất hiện do sai số cũng như hỏng hóc của các thiết bị này Lượng tổn thất này có thể khá lớn vì số lượng các thiết bị đo đếm được sử dụng trong HTĐ là rất nhiều

- Tổn thất do lỗi trong việc tính toán hóa đơn điện năng tiêu thụ

- Tổn thất do gian lận, ăn trộm điện của người sử dụng

Bên cạnh các nguyên nhân gây ra tổn thất, cũng phải xét đến cả các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất Các yếu tố này không trực tiếp gây nên tổn thất nhưng lại ảnh hưởng nhiều đến trị số của tổn thất

1.2 Các y ếu tố ảnh hưởng đến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất

1.2.1 Điện áp làm việc của trang thiết bị

Làm việc với điện áp càng cao, dòng điện càng bé, vì thế chọn cấp điện áp khi thiết kế (đường dây, máy biến áp) và điều chỉnh điện áp lúc vận hành đều có ảnh hưởng mạnh đến trị số tổn thất công suất và điện năng

- Nâng cấp điện áp định mức của lưới điện

Là biện pháp giảm tổn thất rất đáng kể bởi trị số tổn thất tỉ lệ nghịch với bình phương của điện áp định mức:

RU

QPRI3

2 2

=

∆ (1.1) Tuy nhiên nâng cấp điện áp lại liên quan với việc cần tăng vốn đầu tư cho cách điện và kết cấu lưới, cần so sánh lựa chọn theo chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật

- Điều chỉnh điện áp tại máy biến áp

Các máy biến áp trong HTĐ hầu hết đều có khả năng điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi đầu phân áp Việc thay đổi đầu phân áp cho phép lựa chọn điện áp làm việc tối ưu cho đường dây tải điện (ở mức cao giới hạn trong mọi chế độ tải) nhờ đó giảm được tổn thất Ngoài ra, thay đổi đầu phân áp còn làm thay đổi sự phân bố công suất phản kháng trong lưới, nếu có phương pháp điều khiển tối ưu cũng có thể giảm được trị số tổn thất xuống đến mức thấp nhất

1.2.2 Truyền tải công suất phản kháng

Cân bằng công suất phản kháng nút là điều kiện cần để đảm bảo chất lượng điện năng Mất cân bằng công suất phản kháng điện áp nút sẽ thay đổi Trong HTĐ luôn luôn tồn tại quá trình truyền tải công suất phản kháng (kèm theo với công suất tác dụng), dòng điện tăng lên, làm tăng cao trị số tổn thất công suất tác dụng (công thức 1.1) Giảm công suất phản kháng truyền tải là biện pháp chủ yếu khi áp dụng các biện pháp giảm thiểu tổn thất

- Ảnh hưởng của các thiết bị bù

Các thiết bị bù công suất phản kháng thường được đặt ở phụ tải Các thiết

bị này có tác dụng phát công suất phản kháng vào đường dây, giảm lượng công suất phản kháng chạy trên đường dây nhằm cải thiện điện áp làm việc của phụ tải, tăng hệ số công suất và giảm tổn thất trên đường dây

- Điện dung tự nhiên của đường dây

Điện dung tự nhiên của đường dây có tác dụng giống như các thiết bị bù, phát công suất phản kháng vào lưới, làm giảm được dòng công suất phản kháng chạy trên lưới dẫn tới giảm tổn thất trên đường dây

Công suất phản kháng do điện dung tự nhiên của đường dây sinh ra:

Q = BU2 (1.2)

Trong đó:

B: điện dẫn phản kháng của đường dây (B = ω C)

U: điện áp làm việc của đường dây

Có thể nhận thấy rằng, lượng công suất phản kháng của đường dây sinh ra

tỉ lệ với bình phương điện áp làm việc Do vậy, ở những cấp điện áp cao và siêu cao (220; 500kV) thì lượng công suất do đường dây sinh ra này là rất lớn, trong chế độ non tải hoặc không tải thì điện áp cuối đường dây có thể tăng quá trị số cho phép, vì vậy đối với các cấp điện áp trên thì người ta thường đặt kháng bù trên đường dây để giữ điện áp tại các nút nằm trong phạm vi cho phép Để tận dụng công suất này người ta thường bù không hoàn toàn công suất điện dung tự nhiên của đường dây Khi đó đường dây đóng vài trò nguồn bù công suất phản kháng cho hệ thống

1.3 Nội dung nghiên cứu phương pháp giảm tổn thất trong luận văn

Luận văn tập trung nghiên cứu biện pháp giảm tổn thất trong lưới phân phối trên

cơ sở tối ưu hóa sử dụng thiết bị bù Các nội dung chủ yếu bao gồm:

1.3.1 Phương pháp đánh giá hiệu quả bù trong các lưới điện phân phối

Với một cấu trúc lưới đã cho, có các thông số cụ thể, cần xem xét nhu cầu bù công suất phản kháng tại các nút theo mục tiêu giảm thiểu tổn thất Lưới có nhu cầu bù nếu tồn tại các nút khi đặt dung lượng bù tổn thất điện năng giảm được ở mức có thể thu hồi vốn đầu tư trong thời gian đủ ngắn (ví dụ dưới 3 năm) Phương pháp cũng cần chỉ ra được các nút có hiệu quả cao đến thấp theo thứ tự

từ vị trí có thời gian thu hồi vốn đầu tư nhanh nhất

Nội dung nghiên cứu này nhằm đánh giá sơ bộ nhu cầu bù kinh tế trong lưới phân phối và các nút có hiệu quả cao nếu lắp đặt thiết bị bù

1.3.2 Xác định dung lượng bù tối ưu theo mục tiêu giảm thiểu tổn thất

Đây là nội dung chính của của bài toán bù kinh tế trong lưới phân phối Thiết bị bù chỉ đem lại hiệu quả tối đa giảm thiểu tổn thất nếu chọn đúng vị trí và dung lượng bù tại các nút có hiệu quả

Việc tạo ra thuật toán và chương trình xác định được vị trí và dung lượng bù tối

ưu sẽ cho phép đưa ra phương án đầu tư cải thiện chỉ tiêu tổn thất bằng việc lắp đặt các thiết bị bù Khi phân tích hiệu quả biện pháp trên diện rộng, một phần mềm tiện dụng là hết sức cần thiết

1.3 3 Tính toán hiệu quả bù giảm tổn thất cho sơ đồ một số lưới phân phối điện thực tế

Mục đích kiểm tra tính đúng đắn của thuật toán và chương trình Nếu kết quả hợp lý có thể triển khai ứng dụng rỗng rãi cho đề tài nghiên cứu giảm tổn thất trong HTĐ Việt Nam

Việc xây dựng thuật toán và chương trình liên quan mật thiết với các phương pháp tính toán tổn thất công suất và điện năng cũng như các phần mềm phân tích CĐXL của HTĐ Chương 2 và 3 sẽ đi sâu tìm hiểu về các nội dung này trước khi thực hiện các nội dung đã đặt ra

CH ƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH

Tổn thất công suất và điện năng là một chỉ tiêu quan trọng, luôn phải được xét đến trong thiết kế và vận hành HTCCĐ Việc đánh giá chính xác trị số tổn thất công suất và điện năng có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất lớn, không thể nói đến hiệu quả của bài toán thiết kế và vận hành tối ưu nếu chưa đưa ra được các đánh giá phù hợp trị số tổn thất công suất và điện năng của HTCCĐ trong các tình huống xem xét

Sự phát triển của kỹ thuật thu thập và xử lý thông tin, những tiến bộ về phương tiện tính toán ( các MTĐT tốc độ nhanh ) đã cho phép tạo ra những khả năng mới xác định chính xác các lượng tổn thất - thông tin quan trọng nhất giúp cho hệ thống đảm bảo hoạt động điều hành mang hiệu quả tối ưu thực tế

Cũng cần phân biệt bài toán xác định tổn thất công suất và xác định tổn thất điện năng Tổn thất công suất chỉ tương ứng với một phương thức vận hành, một chế độ của phụ tải và nguồn xác định Còn tổn thất điện năng mang ý nghĩa

thực tiễn, gắn liền với hoàn cảnh điều kiện hoạt động lâu dài của HTCCĐ

Cơ sở và phương pháp xác định tổn thất công suất, thực chất là phân tích chế độ xác lập của HTCCĐ: tính phân bố dòng, áp, công suất trên các phần tử của lưới điện Tổn thất sẽ được tính chính xác nếu kể đến đầy đủ các yếu tố của phần tử Nói chung 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: tổn thất có tải và không tải trong các máy biến áp, dung dẫn của đường dây trên không và cáp, đầu phân áp đang vận hành của trạm, dung lượng bù tĩnh Tuy nhiên, ta thường gặp khó khăn ở số liệu đầu vào vì các số liệu đo lường thường là thiếu Về nguyên tắc thì

phải biết được P,Q tại từng giờ trong ngày và ở mọi nút, tuy nhiên ở lưới điện Việt Nam hiện nay thì số liệu chỉ biết ở các trạm lớn còn ở các trạm địa phương thì số liệu thiếu dẫn tới gây khó khăn cho việc tính toán Để giải quyết khó khăn

về mặt thiếu số liệu đầu vào, thường phải dùng các phương pháp tính gần đúng (ví dụ như phương pháp lấy hệ số đồng thời cho dòng điện trên các nhánh.) Hiện nay đang tồn tại rất nhiều những chương trình tính toán CĐXL của HTCCĐ rất hữu hiệu và có độ chính xác cao, do đó vấn đề xác định tổn thất công suất, nói chung không có khó khăn Nội dung phức tạp chính nằm trong bài toán xác định tổn thất điện năng

Có thể chia các phương pháp tính toán tổn thất điện năng làm 2 nhóm: tính toán theo trị số tổn thất công suất cực đại và tính toán trực tiếp theo biểu đồ công suất

2.1 Tính toán tổn thất điện năng theo tổn thất công suất cực đại

Theo cách này tổn thất điện năng được xác định theo công thức sau:

Trong đó: τ là thời gian tổn thất công suất lớn nhất Về ý nghĩa τ là thời gian tương đương để tổn thất điện năng tính theo biểu đồ công suất có trị số bằng tổn thất điện năng tính theo công suất cực đại

Dễ thấy phương pháp này chứa đựng rất nhiều yếu tố không chinh xác Trước hết là trị số Pmax để xác định ΔPmax là một đại lượng ngẫu nhiên Mỗi biểu đồ ngày cụ thể có một trị số Pmax không giống với các ngày còn lại Trị số "cực đại trung bình" cần được chấp nhận để tính toán

Về khả năng đảm bảo tính tương đương của thời gian tổn thất công suất lớn nhất τ lại càng không có mấy ý nghĩa Hãy xét một số công thức xác định τ truyền thống

Công thức kinh điển:

τ = (0,124+Tmax.10-4)8760 (2.2) Công thức Kenzevik:

P

P1(P

P28760

T1

T87608760

T2

max min

max

min max

max

−+

−+

- Tra đường cong τ = f(T max , cosϕ)

Dễ thấy các công thức chỉ chứa một số ít các thông tin về dạng của biểu đồ công suất Khi cho trước các thông số này dạng biểu đồ vẫn có thể thay đổi rất đa dạng làm thay đổi trị số tổn thất Các công thức cũng không chứa một yếu tố nào thể hiện đặc trưng riêng của mỗi lưới Lưới có tổn thất lúc tải cực đại như nhau nhưng khi non tải tổn thất thay đổi theo những tỉ lệ hoàn toàn khác Ví dụ lưới non tải thì phụ tải giảm tổn thất vẫn cao do tổn thất không tải chiểm tỉ lệ cao, lưới quá tải thì giảm tải làm giảm nhanh trị số tổn thất (điện áp lưới được cải thiện)

Thực tế người ta còn xác định giá trị τ theo thông số đo tại thanh cái Chẳng hạn, xác định τ = ΔA/ΔPmax, trong đó ΔA lấy theo trị số đo công tơ tổng thanh cái và

số đo tổng các công tơ tiêu thụ Tổn thất thương mại và sai số thiết bị đo có thể làm mất ý nghĩa của trị số tính toán

Tính toán tổn thất điện năng theo tổn thất công suất cực đại có sai số rất lớn nên thường chỉ áp dụng cho các tính toán thiết kế Đánh giá tổn thất trong vận hành

và xác định dung lượng bù tối ưu, nói chung không nên áp dụng

2 2 Tính toán tổn thất theo biểu đồ công suất

Theo phương pháp này tổn thất điện năng được trực tiếp hay gián tiếp tính theo công suất của biểu đồ phụ tải các nút Tổng tổn thất công suất từng giờ trong ngày chính là tổn thất điện năng tổng cộng Về lý thuyết phương pháp có thể cho chính xác trị số tổn thất điện năng vì xét đến cấu trúc cụ thể của lưới điện trong mỗi tình huống phụ tải Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là đòi hỏi nhiều số liệu thống kê phụ tải, khối lượng tính toán lớn Trong tương lai khi kỹ thuật đo và truyền tin phát triển thì phương pháp này khả thi (ví dụ hệ thống truyền tải dự liêu bằng sóng), tuy nhiên hiện tại còn nhiêu khó khăn

2.3 Phương pháp đường cong tổn thất

Thực chất của phương pháp này là xác định gián tiếp tổn thất điện năng theo biểu đồ phụ tải Với mức độ thông tin thiếu khác nhau, phương pháp tổn thất cho kết quả về độ chính xác cao nhất có thể được

2.3 1 Trường hợp chỉ đo được biểu đồ công suất tổng trên thanh cái và cho trị

số công suất định mức (hay cực đại) các nút

Với giả thiết đặc tính phụ tải như nhau tại mọi nút đường cong tổn thất được xây dựng như sau

Đầu tiên xây dựng biểu đồ phụ tải tương đối của mọi nút (kể cả nút thanh cái) Mỗi nút lấy công suất định mức (hoặc cực đại) làm lượng cơ bản Nếu đặc tính phụ tải giống nhau thì các biểu đồ tương đối của mọi nút trùng nhau và trùng với biểu đồ nút thanh cái (tổng phụ tải) Như vậy có thể xây dựng được biểu đồ này theo số liệu duy nhất đo trên thanh cái

Tiếp theo xây dựng biểu đồ công suất các nút trong hệ đơn vị có tên (bằng cách nhân với lượng cơ bản)

Về nguyên tắc có thể tính tổn thất công suất tổng trong lưới ứng với các giờ khác nhau theo biểu đồ biểu đồ Từ đó xây dựng quan hệ :

)P(

PΣ = Σ

∆cũng chính là đường cong tổn thất

Thực tế có thể thực hiện theo cách sau: giả thiết công suất tổng thanh cái thay đổi từ Pmin đến Pmax Chọn các giá trị khác nhau trong phạm vi này và chia tỉ lệ cho các nút phụ tải Tính trị số tổn thất công suất tổng ứng với mỗi giá trị công suất thanh cái đã cho, xây dựng đường cong tổn thất

Phương pháp vừa nêu sẽ mắc sai số nhiều nếu các phụ tải có đặc tính thay đổi khác nhau

2.3 2 Trường hợp lưới có một phụ tải hay một nhóm phụ tài với đặc tính khác biệt

Trường hợp này cần đo lường và xây dựng biểu đồ riện cho phụ tải khác biệt hoặc nhóm phụ tải khác biệt và trừ vào biểu đồ tống thanh cái Phần còn lại chia

tỉ lệ cho các nút tương ứng Tính toán tổn thất và xây dựng đường cong tổn thất thông qua quan hệ ∆Pi(P∑i)

Đường cong tổn thất xác định với một phương thức vận hành đã cho của HTCCĐ (mỗi phương thức ứng với một phương án nhất định của sơ đồ phân chia, đầu phân áp tại trạm biến áp, dung lượng bù đưa vào vận hành ) Dạng đặc trưng của đường cong tổn thất như trên hình 2.2

Hình 2.1 Biểu đồ phụ tải ngày đêm

Một số đặc điểm của đường cong tổn thất :

- Tính xác định :

Khi biểu đồ phụ tải các nút (tính theo trị số tương đối) có dạng không thay đổi và giữ nguyên cosϕ thì đường cong là hoàn toàn xác định Nói chung, với lưới có cấu trúc ổn định thì điều kiện này đảm bảo Trong nhiều trường hợp biểu

đồ (tương đối) của các nút còn có thể giống nhau, việc tính toán tương đối đơn giản

- Nối điểm bất kỳ của đường cong với gốc toạ độ, hệ số góc của đường thẳng đặc trưng cho tỷ lệ tổn thất công suất Tồn tại một vùng (xung quanh a) tỉ

lệ tổn thất điện năng ít nhất (Hình 2.2) Lưới làm việc non tải hoặc quá tải đều có thể dẫn đến tăng cao tỉ lệ tổn thất điện năng

- Do tính chất xác định của đường cong tổn thất, có thể mở rộng phạm vi xây dựng đường cong về 2 phía của biểu đồ phụ tải thực (Tính toán bằng cách thay đổi trị số công suất, giữ nguyên dạng của biểu đồ)

- Khi có thay đổi nhiều về cấu trúc và tính chất phụ tải, đường cong tổn thất có thể thay đổi nhiều Trong quản lý vận hành, thường xuyên phải kiểm tra, tính toán xây dựng lại đường cong tổn thất

2.3.3 Quản lý vận hành HTCCĐ theo đường cong tổn thất

Đường cong tổn thất là một công cụ thuận lợi, sử dụng hiêu quả trong thiết

kế vận hành tối ưu HTCCĐ Đó là vì bản thân đường cong chứa rất nhiều thông tin về đặc trưng kinh tế - kỹ thuật của lưới cung cấp

a Xác định tổn thất điện năng

Khi đường cong tổn thất công suất đã được xây dựng, có thể sử dụng làm công cụ chính để tính toán tổn thất điện năng Giả sử biết biểu đồ công suất tổng thanh cái hình 3-3 (luôn có thể đo đạc, xác định trong vận hành) Đường cong cho phép xác định tổn thất điện năng giờ và toàn bộ thời gian trong ngày không kèm theo phép tính toán phức tạp nào

Hình 2.3 minh hoạ quá trình xác định biểu đồ tổn thất công suất trong ngày của HTCCĐ Tổn thất điện năng xác định bằng diện tích của biểu đồ Quá trình trên dễ dàng thực hiện bằng chương trình hoá trên MTĐT Kết quả tính toán có thể dùng cho nhiều bài toán khác nhau, nói riêng có thể xác định τ =

∆A/∆P cho lưới cụ thể

Hình 2.3 Xác định tổn thất điện năng theo đường cong tổn thất

t

t

P Σ

b Phân tích các đặc tính tổn thất trong lưới

Từ dạng chung của đường cong, có thể thấy rằng, nhiều thông tin có thể

có được qua đường cong tổn thất Trước hết, tồn tại miền làm việc của HTCCĐ ứng với tổn thất công suất và điện năng ít nhất (xung quanh công suất

Pa,hình2.2) Khi phụ tải giảm thấp (dưới miền tối ưu) tỉ lệ tổn thất điện năng tăng do tổn hao không tải lớn Khi phụ tải tăng cao (trên miền tối ưu), tỷ lệ tổn thất cũng tăng do quá tải các trạm, sụt áp quá lớn trên các tuyến Như vậy phân tích biểu đồ có thể dễ dàng đánh giá được lưới đang làm việc ở trạng thái nào về phương diện tổn thất Mỗi trường hợp sẽ ứng với cách xử lý giảm tổn thất khác nhau Trường hợp đầu, tổn thất có thể giảm được bằng cách lựa chọn sơ đồ vận hành, tối ưu hoá số lượng máy biến áp làm việc để giảm tổn hao không tải Trường hợp sau, cần nghĩ đến các khả năng cải thiện cosϕ, đặt thêm thiết bị bù, nâng cao khả năng tải các tuyến Để đánh giá hiệu quả các biện pháp kỹ thuật,

có thể xem xét, sự biến dạng của đường cong tổn thất Hiêu quả cuối cùng là tổn thất điện năng ít nhất

Khi thay đổi phương thức vận hành (phân đoạn lưới, chuyển đổi đầu phân

áp, đóng cắt dung lượng bù ) có thể xây dựng được một họ các đường cong tổn thất (hình 2.4a) Sử dụng họ đường cong này có thể xác định được phương thức vận hành tối ưu và thời điểm chuyển đổi phương thức vận hành, sao cho có một chế độ làm việc hợp lý nhất của HTCCĐ ( về phương diện giảm tổn thất ) Chẳng hạn chuyển đổi tại các điểm phân công suất P1, P2 trên hình 2.4a Khi

đó đảm bảo cho đường cong tổn thất luôn đi theo đường bao phía dưới của họ đường cong Tổn thất điện năng trong ngày sẽ là nhỏ nhất Đây cũng chính là cơ

sở của phương pháp tổ chức và điều khiển vận hành tối ưu HTCCĐ trong thời gian thực

Đường cong còn đặc biệt tiện lợi khi đánh giá hiệu quả các phương tiện

bù Các đường cong tổn thất được xây dựng khi có và không có dung lượng bù đặt thêm sẽ phản ánh đầy đủ hiêu quả kinh tế giảm tổn thất điện năng của lưới - một chỉ tiêu chủ yếu cho phép so sánh hiệu quả kinh tế

2.4 Kết luận chương 2

1 Tính toán tổn thất trong điều kiện vận hành và nghiên cứu các biện pháp giảm thiểu tổn thất đòi hỏi độ chính xác cao Phương pháp thời gian tổn thất công suất lớn nhất chủ yếu được áp trong các tính toán thiết kế, nói chung không áp dụng được để phân tích tổn thất và đánh giá hiệu quả các biện pháp giảm tổn thất

2 Phương pháp tính toán tổn thất trực tiếp theo biểu đố và phương pháp đường cong tổn thất có khả năng ứng dụng thích hợp cho điều kiện vận hành Có thể dựa trên các phương pháp này để phát triển phương pháp tính toán tổn thất và đề xuất các biện pháp giảm tổn thất cho sơ đồ HTĐ Việt Nam

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ CÁC CHƯƠNG

3.1 Yêu cầu của các phần mềm phân tích hệ thống, ứng dụng trong tính toán tổn thất công suất đối với HTĐ phức tạp

Bài toán tính toán tổn thất về cơ bản là tính toán chế độ xác lập, tuy nhiên

có những yêu cầu riêng Trong mô hình tính toán phải xét đến đầy đủ và chi tiết

hơn mô hình toán học của các phần tử, đặc biệt là các yêu tố liên quan đến tổn thất

3.2 Mô hình hệ thống điện trong tính toán tổn thất

Sau đây ta sẽ thiết lập mô hình toán học cho các phần tử trong HTĐ phục

vụ mục đích tính toán chế độ xác lập cũng như tính toán tổn thất

3.2.1 Các đường dây trên không và cáp

- Đường dây trên không điện áp U ≤ 35 kV:

B 2

- Đường dây siêu cao áp : có thể mô hình bằng chuỗi đường dây ngắn hoặc mô hình theo thông số mạng 4 cực

+ Mô hình chuỗi đường dây ngắn :

Mỗi đoạn ∆l (∆l ≤100km) được mô hình bằng một mắt xích hình Π với :

∆ZD = (r0 + jx0)∆l; ∆B = -jb0∆l

Ưu điểm của mô hình này đơn giản và có thể khảo sát được thông số tại các điểm trung gian trên dường 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 (U1, I1,U2,I2)

Khi đó có thể viết phương trình chế độ xác lập của đường dây dài :

Các thông số nếu đưa về mạng hình Π tương đương như sau :

∆B 2

∆B 2

∆B 2

l (km)

r 0 ,x 0 (Ω/km),b 0 (1/ Ω km)

2 E

với Z = (r0 + jx0)El ; Y = (g0 + jb0)l

Mô hình này có ít phần tử hơn so với mô hình chuỗi đường dây ngắn và có

độ chính xác cao hơn tuy nhiên nhược điểm là không theo dõi được thông số phân bố dọc theo chiều dài đường dây

Trong các chương trình máy tính thường mô hình đường dây siêu cao áp dưới dạng hình Π Khi cần tính thông số tại các nút trung gian vẫn có thể chia thành nhiều đoạn ngắn để tính toán

3.2.2 Máy biến áp

- Máy biến áp 2 cuộn dây:

Các thông số trong mô hình ZB, Z0 được tính toán dựa vào các thông số có sẵn của máy biến áp như Sđm, Uđm, UN%, ∆PN,∆P0, ∆Q0 Máy biến áp C-H là máy biến áp lý tưởng thể hiện việc tính toán được qui đổi về phía cao áp

- Máy biến áp 3 cuộn dây:

Các thông số nhánh ZC, ZH, ZT cũng được tính toán dựa vào các thông số có sẵn của máy biến áp như Sđm, Uđm, UN%, ∆PN,∆P0, ∆Q0 Vai trò của máy biến áp C-T,C-H cũng như của MBA 2 cuộn dây

• Kháng điện và tụ điện (bù ngang, bù dọc)

Các phần tử này được thay thế đơn giản bằng các nhánh có điện kháng và điện dung tương ứng Kháng bù ngang thường được cho bằng công suất định mức và điện kháng có thể tính theo :

Đặc tính tĩnh của phụ tải là quan hệ giữa CSTD, CSPK với điện áp của thanh cái cung cấp điện và tần số hiện thời của hệ thống Các đặc tính tĩnh này được xác định bằng thực nghiệm, thống kê và cho dưới dạng hàm tiệm cận : P(U,f) = P0 [ a0 + a1(A

U

Uđm E A

) + a2(A

U

Uđm E A

)2 ] [ α0 + α1(A

f

fđm E A

) ] (3-1) Q(U,f) = Q0 [ b0 + b1(A

U

Uđm E A

) + b2(A

U

Uđm E A

)2 ] [ β0 + β1(A

f

fđm E A

) ] (3-2) Trong đó :

U2 ; Q = A

X

R2 + X2

E A

U2Quan hệ này cũng dùng để xác định trị số của tổng trở phụ tải khi cho P0,

Z = R+jX = A

Uđm

S2 E A

(P0 + jQ0) = A

U2đm

S0 E

A(cosθ + jsinθ)

Mô hình phụ tải cấp qua MBA điều áp dưới tải

Máy biến áp điều áp dưới tải có thể giữ điện áp tại phụ tải có giá trị gần như không đổi trong dải điều chỉnh Xét MBA cung cấp cho phụ tải P+jQ có đặc tính tĩnh theo điện áp đã biết và phạm vi điều chỉnh của MBA là ±∆U như trong hình (3-8)

áp thì đặc tính này cũng chính là P,Q phía cao áp Ta có thể viết lại hàm đặc tính của P theo U như sau :

P(U-∆U) khi U < U đm – ∆U

P 0 khi U đm – ∆U<∆U <U đm +∆U P(U+∆U) khi U > U đm + ∆U

P(U) =

Biểu thức cho công suất phản kháng cũng tương tự

3.3 Các hệ phương trình cân bằng

Tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện là giải hệ phương trình thỏa mãn điều kiện tồn tại và làm việc của hệ thống điện để tìm các ẩn mong muốn

Hệ phương trình của hệ thống điện có thể được xây dựng qua các định luật Ôm

và định luật Kiếc-khốp Có 2 dạng hệ phương trình được sử dụng để giải bài toán chế độ xác lập của hệ thống điện là hệ phương trình cân bằng dòng nút và hệ phương trình cân bằng công suất nút

3.3.1 Hệ phương trình cân bằng dòng nút

Giả thiết sơ đồ hệ thống điện gồm N nút và một nút đất có số thứ tự 0 Nút thứ i gồm các nhánh nối với nút i qua máy biến áp lý tưởng Nguồn dòng bơm vào nút là Ji

Trên hình (3-9a), nút i nối với nút j trực tiếp qua máy biến áp lý tưởng còn trên hình (3-9b) nhánh i nối gián tiếp với nút j qua máy biến áp lý tưởng