LUẬN văn tốt NGHIỆP THIẾT kế PHẦN điện XUẤT TUYẾN TRUNG áp TRÊN KHÔNG 22 kv và mô HÌNH HMI điều KHIỂN

Giới thiệu đề tài Dưới sự phát triển ngày một tăng cao về nhu cầu sử dụng năng lượng điện tại Việt Nam cũng như những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật góp phần đẩy nhanh công cuộc tối ưu

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN HỆ THỐNG ĐIỆN



ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN XUẤT TUYẾN TRUNG ÁP TRÊN KHÔNG 22 kV VÀ MÔ

HÌNH HMI ĐIỀU KHIỂN

GVHD: PGS.TS Phạm Đình Anh Khôi SVTH : Hàng Phước Thiện

MSSV : 1713289

Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh nói chung và quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử nói riêng, đã dạy dỗ, chỉ bảo, tạo điều kiện cho em học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài này

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành đến thầy Phạm Đình Anh Khôi đã hướng dẫn tận tình, truyền đạt những kinh nghiệm, kiến thức, là người luôn kiên nhẫn với em, dành thời gian quý báu để hướng dẫn, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề cương luận văn tốt nghiệp này

Mặc dù đã cố nhiều cố gắng nhưng do hiểu biết kiến thức có nhiều hạn chế, thời gian có hạn và kinh nghiệm thực tế còn ít, nên trong quá trình thực hiện đề tài còn mắc những sai sót nhất định Vì vậy em rất mong có được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến thầy

và các anh chị sinh viên để giúp em có thể hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn Bộ môn Hệ Thống Điện và Thầy Phạm Đình Anh Khôi

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày , tháng , năm 2021

Sinh viên thực hiện

Hàng Phước Thiện

1 Giới thiệu đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 1

3 Nhiệm vụ 1

4 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 2

4.1 Phạm vi nghiên cứu 2

4.2 Phương pháo nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN PHẦN ĐIỆN CHO XUẤT TUYẾN TRUNG ÁP 22 kV 3

1 Lựa chọn dây dẫn cho xuất tuyến 3

2 Tính toán ngắn mạch 4

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HMI CHO XUẤT TUYẾN 13

1 Mô phỏng xuất tuyến sử dụng phần mềm PSSE [5] 13

2 Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu 14

3 Thiết kế hệ thống SCADA cho xuất tuyến 15

3.1Phần mềm giao diện Human Machine Interface (HMI) 15

3.2 Giới thiệu về phần mềm Intouch [6] 16

4 Một số giao diện HMI thực tế 16

TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ CƯƠNG

1 Giới thiệu đề tài

Dưới sự phát triển ngày một tăng cao về nhu cầu sử dụng năng lượng điện tại Việt Nam cũng như những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật góp phần đẩy nhanh công cuộc tối ưu hóa việc vận hành, phối hợp xử lí sự cố trên đường dây trung áp, do đó em lựa chọn đề tài: Thiết kế xuất tuyến trung áp 22 kV trên không và mô hình HMI của xuất tuyến

tư 33, 39 đối với lưới điện trung áp)

-Tìm hiểu về nguyên lý bảo vệ rơle các tiêu chuẩn phối hợp bảo vệ giữa chì – chì, rơle – chì , từ đó lựa chọn các hệ số phù hợp tiến hành cài đặt cho rơle

-Mô phỏng các kết quả tính toán, đảm bảo khả năng vận hành xuất tuyến bằng phần mềm ETAP

▪ Phần 2: Thiết kế mô hình HMI cho xuất tuyến

-Mô phỏng lại xuất tuyến sử dụng phần mềm PSSE

-Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu các thông tin input – output

-Thiết kế mô hình giám sát SCADA cho xuất tuyến sử dụng phần mềm Intouch

4 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

4.1 Phạm vi nghiên cứu

-Tìm hiểu, thiết kế một xuất tuyến trung áp 22 kV điển hình, mô hình, hệ thống SCADA đối với một xuất tuyến trung áp trên không

4.2 Phương pháo nghiên cứu

-Phương pháp nghiên cứu tài liệu (thông qua phân tích – tổng hợp): thu thập được những thông tin về cơ sở lý thuyết, thành tựu lý thuyết, kết quả nghiên cứu đã công bố,

và liệu thống kê,…

-Phương pháp thực nghiệm: thử nghiệm thử và sai, thực nghiệm trên các mô hình khác nhau, phân tích đánh giá và lựa chọn phương án tối ưu nhất hiệu và về đặc tính kỹ thuật và kinh tế

-Phương pháp xử lý thông tin:

+Đối với thông tin định lượng từ tài liệu tham khảo hoặc kết quả quan sát để

có thể xác định quy luật thống kê của tập hợp số liệu

+Đối với thông tin định tính: mô tả theo dạng sơ đồ, biểu thức mô hình toán

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN PHẦN ĐIỆN CHO XUẤT TUYẾN

TRUNG ÁP 22 kV

1 Lựa chọn dây dẫn cho xuất tuyến

-Đối với phát tuyến chính: Lựa chọn tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng kinh tế (Jkt) và kiểm tra bằng phương pháp tổn thất điện áp và điều kiện phát nóng lâu dài cho phép (ĐiềuI.3.9 [1]) Vì ở điều kiện vận hành bình thường luôn có công suất trên phát tuyến chính của xuất tuyến, hơn nữa phát tuyến chính phân phối điện đi khoảng cách xa nên vấn đề tổn thất công suất được ưu tiên Do đó, chọn tiêt diện dây dẫn theo mật độ dòng kinh tế vừa đáp ứng đươc tổn thất công suất nhỏ nhưng vẫn đảm bảo về tiêu chí

kỹ thuật

❖ Phương pháp chọn dây dẫn theo mật độ kinh tế theo [2]

Biểu đồ tương quan giữa chi phi ký thuật và tổn thất công suất trên đường dây

Trong đó:

▪ I(F): Hàm chi phí kỹ thuật theo tiết diện dây dẫn

▪ II(F): Hàm tổn thất công suất theo tiết diện dây dẫn

▪ Z(F): Tổng của I(F) và II(F)

▪ Zmin : là vị trí đáp ứng được tổn thất công suất nhỏ nhưng vẫn đảm bảo về chi phí kỹ thuật Khi đó, Fkt là tiêt diện dây dẫn cần tìm Mật đồ dòng kinh

tế (Jkt) lúc này tính theo công thức (1.1)

𝐽𝑘𝑡 =𝐼𝑚𝑎𝑥

𝐹𝑘𝑡 (

𝐴

𝑚𝑚2) (1.1) -Đối với nhánh: Lựa chọn theo tổn thất điện áp cho phép và kiểm tra lại bằng điều kiện phát nóng lâu dài cho phép (Điều I.3.9 [1]) Vì nhánh rẽ công suất bé va đường dây ngắn, nên vấn đề tổn thất công suất không đươc ưu tiên khi chọn dây dẫn mà thay vào đó, vấn đề sụt áp cuối đường dây đươc quan tâm để đảm bảo điều kiện sụt áp khi cung cấp điện cho khách hang không bé hơn 5% (Chương II, Mục 1, Điều 5.2 [3])

2 Tính toán ngắn mạch

-Ngắn mạch trong hệ thống điện là hiện tương các dây pha chạm nhau, chạm đất (đối với hệ thống điện có trung tính nối đất) hoặc chạm dây trung tính làm dòng điện tăng lên đang kể gọi là dòng điện ngắn mạch Đối với ngắn mạch trong hệ thôốg điện

có thể kể đến các nguyên nhân như: cách điện của các thiết bị già cỗi hư hỏng, qua điện

áp hay do thao tác nhầm

-Khi ngắn mạch, dòng điện sẽ tăng lên sinh ra phát nóng cục bộ các phần tử có dòng ngắn mạch đi qua dù là trong thời gian rất ngắn, sinh ra lực điện động giữa các bộ phận lớn do dòng xung kích gây ra làm hỏng khí cụ điện và dây dẫn Ngoài ra, lúc ngắn mạch xảy ra sẽ làm cho điện áp tụt xuống có thể làm cac động cơ ngừng quay, phá hoại

sự làm việc đồng bộ của máy phát trong hệ thống điện, gây mất ổn định hệ thống và có thể dẫn đến hiện tượng rã lưới

-Mục đích của việc tính toán ngắn mạch: chọn các khí cụ điện thích hợp, để tính toán chỉnh định rơle bảo vệ hệ thống điện, xác định trạng thái vận hành của hệ thống điện, là công cụ khảo sát các quá trình quá độ trong hệ thống điện, và để nghiên cứu tính

ổn định của hệ thống

3𝐼0 = 𝐼𝑎 + 𝐼𝑏+ 𝐼𝑐 = 0

❖ Ngắn mạch hai pha (N2):

Giả sử sự cố NM là giữa pha b và pha c Ngắn mạch hai pha là dạng sự cố không đối xứng Quá trình tính dòng điện NM hai pha cần xét sơ đồ TTT và sơ đồ TTN (và tổng trở chạm nếu có) của mạng điện

Sơ đồ tương đương:

Giả sử pha B và C chạm nhau, không chạm đất (ZN = 0)

Trong đó:

ZN = Zchạm: Tổng trở chạm đất trực tiếp

Z1: Tổng trở tương đương TTT các phần tử tính từ điểm ngắn mạch đến nguồn

Z2: Tổng trở tương đương TTN các phần tử tính từ điểm ngắn mạch đến nguồn

Dòng điện ngắn mạch TTT tại vị trí sự cố:

𝐼𝑇𝑇𝑇 = 𝐼1 = 𝑈

𝑍𝑐ℎạ𝑚+ 𝑍1+ 𝑍2

𝐼𝑇𝑇𝑁 = 𝐼2= −𝐼𝑇𝑇𝑇-Trong sự cố ngắn mạch 2 pha (pha b và pha c), dòng điện ngắn mạch tại pha a bằng 0, dòng ngắn mạch pha b bằng dòng ngắn mạch pha c và lệch nhau 180 o Dòng ngắn mạch TTK có giá trị như sau:

3𝐼0 = 𝐼𝑎 + 𝐼𝑏+ 𝐼𝑐 = 0 -Dòng ngắn mạch:

𝐼𝑛𝑚 = 𝐼0+ 𝑎2𝐼1+ a𝐼2 (𝑣ớ𝑖 𝑎 = 1∠120𝑜)

❖ Ngắn mạch hai pha chạm đất (N1,1)

Sơ đồ tương đương:

I1(1) = I2(2) = I0(0) = 1

ZƩ(1)-Dòng ngắn mạch một pha cũng chính là dòng không cân bằng:

𝐼𝑛𝑚 = 3I0(1)

3 Các thiết bị bảo vệ - nguyên lí và phối hợp bảo vệ giữa các phần tử

Trong quá trình vận hành mạng điện không thể tránh khỏi tình trạng quá tải, NM chạm pha hay NM chạm đất Cho nên sử dụng các thiết bị bảo vệ như Rơle quá dòng điện hay máy cắt tự đóng lại (MCTĐL) và cầu chì rơi tự do để giải trừ những sự cố này

là rất cần thiêt

❖ Rơle qua dòng điện:

Rơle qua dòng điện bao gồm các chức năng đươc ký hiệu bởi các mã số 50, 51, 50N,51N (theo tiêu chuẩn ANSI) Trong đó 50 va 51 đươc gọi bảo vệ quá dòng điện phản ứng với dòng điện pha, còn 50N và 51N được gọi là bảo vệ chống chạm đất phản ứng dòng điện TTK[4]

Nguyên tắc làm việc: so sánh dòng điện khởi động và dòng điện rơle đo đươc từ MBDĐ Nếu dòng điện rơle đo được lớn hơn dòng điện khởi động thì rơle sẽ truyền tín hiệu đi báo động hoặc đi cắt máy cắt với thời gian đã chỉnh định trước[4]

Bảo vệ chống chạm đất là dạng bảo vệ lấy tín hiệu dòng và áp thứ tự không I0 và V0 Khi mạng điện vận hành bình thường, thành phần thứ tự không rất nhỏ (xuất hiện khi các dòng 3 pha không cân bằng) nên bảo vệ sẽ không tác động Khi có ngắn mạch chạm đất 1 pha hoặc 2 pha thì dòng điện sẽ đổ dồn về điểm ngắn mạch nên thành phần thứ tự không sẽ lớn, bảo vệ sẽ phát hiện và tác động

Rơle bảo vệ quá dòng của hãng Siemens

❖ Cầu chì tự rơi:

Các dây chảy của cầu chì ở lưới phân phối phải điện kèm với thiết bị khác để có

sự vận hành phù hợp Thiết bị tiêu biểu nhất là các cơ cấu tự rơi được sử dụng ở các dạng hộp, dạng hở và dạng dây chảy hở Các thiết bị này vận hành theo nguyên lý “bật” bởi tác động của dây chảy và một ống dây hồ quang, cùng với một dây thủy tinh sợi để khử ion hóa khi phần tử chảy của dây chảy bị chảy ra Dây thủy tinh sợ sẽ chảy sinh ra các khí khử ion hóa tích lũy bên trong các ống Hồ quang bị kéo dài, nén lại và được làm nguội trong ống và khí thoát ra ở hai đầu ống mang theo một phần các phần tử hồ quang duy trì.Việc phát sinh hồ quang sau khi dòng đạt giá trị zero sẽ bị ngăn ngừa bởi các khí khử ion hóa và áp suất tăng cao bởi sự chuyển động hỗn loạn của khí Các nhân

tố này nâng cao cường độ cách điện của khe hở không khí trong ống Khi áp suất cao sau đó đẩy các ion hồ quang sinh ra còn lại trong ống Cầu chì tự rơi được chế tạo theo tiêu chuẩn ANSI 37.42

Bộ chì tự rơi và dây chảy

Đặc tính của một dây chảy được xác định bởi các đặc tuyến dòng điện – thời gian của nó Khi có dòng sự cố qua dây chảy, bộ phận này sẽ bắt đầu chảy theo đường đặc tuyến MMT – Minimum Melting Time và chảy đứt hoàn toàn theo đường đặc tuyến TCT – Total Clearing Time Ví dụ về các đặc tuyến của dây chảy FCO hãng Chance

Đặc tuyến MMT của các dây chảy hãng Chance

❖ Phối hợp bảo vệ cầu chì

Cầu chì – Cầu chì: Phối hợp bảo vệ cầu chì – cầu chì theo tiêu chuẩn IEEE Std C37.48.1™-2002 như sau: Yêu cầu tổng thời gian xóa sự cố của đường cong cầu chì

của tuyến dưới ít hơn 75% thời gian nóng chảy tối thiểu của đường cong cầu chì tuyến trên

Phối hợp bảo vệ cầu chì – cầu chì

Tiêu chuẩn nêu trên có nghĩa là: tại một vị trí ngắn mạch nào đó mà cả 2 cầu chì cùng tác động, để thỏa điều kiện phối hợp bảo vệ thì t1/t2 ≤ 75%

Rơle – Cầu chì phối hợp bảo vệ rơle - cầu chì theo tiêu chuẩn IEEE Std

242-2001 như sau: độ chênh lệch thời gian tác động giữa rơle và tổng thời gian xóa sự cố

của cầu chì không nhỏ hơn 0.12 s

Phối hợp thời gian bảo vệ rơle – cầu chì

Tiêu chuẩn nêu trên có nghĩa là: tại một vị trí ngắn mạch nào đó mà rơle và cầu chì cùng tác động, để thỏa điều kiện phối hợp bảo vệ thì t2 – t1 ≥ 0.12 s

4 Mô phỏng các kết quả tính toán sử dụng phần mềm ETAP

ETAP (Electrical Transient and Analysic Program) là phần mềm tích hợp đầy đủ các module cho phép người dùng tính toán đầy đủ các bài toánđiện như tính ngắn mạch, phân bố công suất, hệ thống năng lượng tái tạo, GIS Về thư viện thìphần mềm ETAP tích hợp đủ các loại cáp, rơle, máy cắt,… của các hãng và các dòng sảnphẩm thường được sử dụng nên rất tiện cho việc chọn lựa thiết kế

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HMI CHO XUẤT TUYẾN

1 Mô phỏng xuất tuyến sử dụng phần mềm PSSE [5]

Phần mềm PSS/E viết tắt từ tên gọi Power System Simulator for Engineering, là sản phẩm của hãng Power Technologies, INC một hãng phần mềm nổi tiếng của Mỹ

Từ khi được giới thiệu vào năm 1976, PSS/E đã trở thành công cụ phần mềm chuẩn trong tính toán lưới điện hiện nay và được rất nhiều nước trên thế giới sử dụng (trên 115

quốc gia)

PSS/E là tổ hợp chương trình đầy đủ, hỗ trợ hỗ trợ cho việc mô phỏng, phân tích

và đánh giá khách quan hiệu suất hệ thống điện Chương trình PSS/E là chương trình

mô phỏng hệ thống điện trên máy tính nhằm mục đích tính toán nghiên cứu phục vụ cho vận hành cũng như quy hoạch hệ thống điện Các tính toán phân tích hệ thống mà chương

trình có khả năng thực hiện bao gồm:

▪ Tính toán trào lưu công suất

▪ Mô phỏng quá trình quá độ điện cơ

▪ Phân tích động - Dynamics

▪ Tính toán ngắn mạch bất đối xứng - Unbalanced Fault Analysis (Short Circuit)

▪ Phân bố công suất tối ưu - Optimal Power Flow (OPF)

Chương trình PSS/E có ba khía cạnh quan trọng sau:

▪ Cho phép ta tạo các thư viện để mô tả rõ ràng các điều kiện của hệ thống và các vấn đề cần khảo sát

▪ Khả năng thực hiện của từng chức năng giúp ta đạt được những kết quả mong muốn trong bài toán trào lưu công suất, mô phỏng và tính toán ngắn mạch

▪ Cho ta biết tiến trình cài đặt mô hình động của hệ thống cần mô phỏng

Ưu điểm của PSS/E đó là có thể tích hợp ngôn ngữ lập trình Python sẽ được cài đặt kèm theo khi cài đặt PSS/E Mỗi phiên bản PSS/E chỉ sử dụng với một phiên bản Python Python là một ngôn ngữ lập trình thông dịch do Guido van Rossum tạo ra năm

1990 Đây là ngôn ngữ có hình thức rất sáng sủa, cấu trúc rõ ràng, thuận tiện cho người mới học lập trình Python là ngôn ngữ lập trình đơn giản nhưng rất hiệu quả Nó có thể

đáp ứng phần lớn các yêu cầu của lập trình viên, một trong số đó là: Sử dụng để lập trình Web, hỗ trợ các định dạng dữ liệu Internet như HTML; Giao tiếp tốt với các hệ cơ sở

dữ liệu… Vì vậy đề tài đã lựa chọn ngôn ngữ lập trình Python (phiên bản 2.7 tích hợp trong PSS/E 33) là ngôn ngữ liên kết giữa phần mô phỏng, hệ cơ sở dữ liệu

Giao diện của phần mềm PSS/E

2 Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu

Dữ liệu tính toán cho phần này sẽ được lấy từ phần I Sau đó chuyển qua hệ đơn

vị tương đối theo công thức được quy định trong tài liệu hướng dẫn sử dụng PSS/E của phòng phương thức, trung tâm điều độ miền Nam trước khi nhập vào PSS/E Phần mềm PSS/E đóng vai trò tính toán khi vận hành mô phỏng đề tài Các thông số đầu vào và đầu ra sẽ được thể hiện trên hệ cơ sở dữ liệu (CSDL) CSV và Excel CSV là hệ CSDL trung gian kết nối giữa PSS/E và Excel, được thiết kế dưới dạng tập tin để truy xuất thông số vào PSS/E thông qua Python và trả về Excel sau khi quá trình tính toán kết thúc Excel là hệ CSDL chính trong đề tài Việc kết nối 2 chiều giữa Excel và CSV được thực hiện thông qua chương trình VBA Giao diện HMI sẽ truy xuất dữ liệu 2 chiều với Excel thông qua giao thức DDE được tích hợp sẵn trong phần mềm Intouch, từ đó các tính năng được cài đặt trên giao diện HMI sẽ dựa vào kết quả tính toán để hoạt động đúng theo chức năng của mình

Lưu đồ khối mô hình

Chương trình mô phỏng là sự kết hợp nhiều bộ phận phần mềm chuyên dụng về

mô phỏng hệ thống điện, thiết kế giao diện và quản lý dữ liệu Trong đó sơ đồ khối là bức tranh tổng quan về sự tương tác giữa các chuỗi phần mềm đó:

Lưu đồ giải thuật mô phỏng

3 Thiết kế hệ thống SCADA cho xuất tuyến

3.1 Phần mềm giao diện Human Machine Interface (HMI)

Human Machine Interface (HMI) là môi trường tương tác trực tiếp giữa vận hành viên và các thiết bị thông minh Phần mềm được chọn để xây dựng hệ thống điều khiển trạm biến áp ngoài việc đáp ứng yêu cầu thiết kế các giao diện còn phải dễ tiếp cận và

dễ sử dụng nhằm có thể mở rộng mô hình trong tương lai theo tình hình thực tế của trạm