phân tích an toàn hệ thống ðiện

BÀI TIỂU LUẬN

PHÂN TÍCH AN TỒN HỆ THỐNG ĐIỆN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS. LÊ KIM HÙNG


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ
1. NGỮ CẢNH PHÂN TÍCH AN TỒN
Việc dự báo tình trạng vận hành của hệ thống sau khi tách rời một phần tử hoặc
sau một sự thay đổi trạng thái làm việc của hệ thống là một việc rất quan trọng và cần
một sự đánh giá an toàn ở trong thời gian thực.
Vấn đề là phải phát hiện nhanh chóng sự cố nguy hiểm và đưa ra giải pháp khắc
phục kịp thời. Việc phân tích được thực hiện một cách chu kỳ nhằm nhiệm vụ xác định
những sự cố nguy hiểm và mức độ trầm trọng của nó.
Việc nghiên cứu được thực hiện chủ yếu dựa vào bài tốn tính phân bố cơng
suất. Đối với những hệ thống lớn, sự phân tích an tồn phải thực hiện một thủ tục tính
tốn đối với cỡ hàng trăm đến hàng ngàn sự cố. Vì vậy vấn đề đặt ra là phân tích tất cả
các sự cố với thời gian bé nhất. Điều này yêu cầu tốc độ thực hiện tính tốn, độ chính
xác và tính thích nghi của phương pháp đối với mỗi loại sự cố. Phương pháp phân tích
như trên tỏ ra nặng nề và tốn nhiều thời gian cho việc tính tốn, vì vậy ít được sử
dụng. Dựa trên phân tích kinh nghiệm, người ta nhận thấy rằng phần lớn các sự cố
không gây nên hậu quả về mặt an toàn.
Sơ đồ ngữ cảnh phân tích an tồn trong mơi trường thời gian thực:

Hình 1: Q trình phân tích an tồn trong thời gian thực.

Người ta phân biệt hai nhóm phương pháp phân tích an tồn chính, đó là:
-

Phương pháp sắp xếp.

1


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ
-

Phương pháp đánh giá trạng thái.

2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH AN TỒN
2.1. Các phương pháp sắp xếp
Đánh giá mức độ trầm trọng của một sự cố bởi một hàm tốn học mơ tả trạng
thái hệ thống khi xảy ra một sự cố. Một danh sách các sự cố sẽ được sắp xếp theo thứ
tự mức độ giảm dần của tính trầm trọng tức là theo giá trị của chỉ số PI, kế tiếp đó là
những sự cố được xử lý cặn kẽ hơn. Tiêu chuẩn dừng có thể được xác định tùy thuộc
vào yêu cầu:
-

Mô phỏng N sự cố nguy hiểm nhất.

-

Mô phỏng tất cả các sự cố có khả năng nguy hiểm (PI ≠ 0).

-

Mô phỏng tất cả sự cố cho đến khi có M sự cố khơng nguy hiểm.

Phân tích an tồn theo chỉ số PI
Chỉ số PI tính đến độ lệch của biến hệ thống so với giá trị định mức của nó và

vùng mà trong đó đại lượng có thể thay đổi. Để phân tích một sự cố, cơng thức của nó
là [EI-79, AL-82]:

(

)

PI x = Σ ( Wi / 2n )  X i − X inom / ∆X ilim 



2n

Trong đó:
Xi: Độ lớn (cơng suất/điện áp) đo được ở nút i.
Xinom: Độ lớn (công suất/điện áp) định mức ở nút i.
∆Xilim: Khoảng cách an toàn.
n: Số nút trong hệ thống.
Wi: Trọng số ở nút i, là một số thực khơng âm tính đến cấu trúc của hệ thống.
Thuật tốn phân tích sự cố theo chỉ số PI được trình bày trên Hình 2:

2

(1)


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ

Hình 2: Thuật tốn phân tích sự cố theo chỉ số PI.

2.2. Các phương pháp đánh giá trạng thái
Để đánh giá trạng thái sau sự cố nhanh để biết rằng có cần tính chính xác bởi
một phép tính phân bố cơng suất tác dụng - phản kháng hay khơng. Lợi ích của việc
đưa ra phương pháp này là độ nhanh của việc tính tốn và việc sử dụng những lời giải
xấp xỉ hoặc từng phần mà không cần đến sự sắp xếp riêng.
2.2.1. Phương pháp tính tốn phân bố cơng suất một phần (1P-1Q)
Mơ hình sử dụng trong trường hợp này là mơ hình số gia của việc tính tốn
phân bố cơng suất tuyến tính hóa (hoặc “DC”):

[ B '][ ∆θ ] = [ ∆P ]

(2)

3


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ
Với:

[ ∆P ] : Véctơ số gia của công suất tác dụng.
[ ∆θ ] : Véctơ số gia của góc pha của điện áp.
[ B '] : Ma trận (n x n) chỉ tổng dẫn của hệ thống.
Ảnh hưởng của mỗi sự cố về truyền dẫn cơng suất tác dụng có thể đánh giá
bằng việc giải ∆θ và bằng việc tính tốn những thay đổi công suất tác dụng trên các
nhánh ∆Pkm từ phương trình sau:

∆Pkm = ( ∆θ k − ∆θ m ) / X km

(3)

Thuật tốn phân tích sự cố theo phương pháp tính phân bố cơng suất một phần
được trình bày trên Hình 3:

Hình 3: Thuật tốn phân tích sự cố theo phương pháp tính phân bố cơng suất một phần.
4


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ
2.2.2. Phương pháp hệ số chuyển tải
Phương pháp này tính tốn nhanh (đối với mỗi sự cố) độ biến đổi công suất tác
dụng được truyền tải. Công thức được xác định bởi Galiana [GA-84] khi đứt nhánh jk:

Plm / jk = Plm + α lm / jk Pjk

(4)

Trong đó αlm/jk là hệ số chuyển tải công suất của nhánh jk cho nhánh lm. Hệ số
này phụ thuộc vào những thông số hệ thống.
Hệ số phân phối công suất khi cắt một đường dây
Được sử dụng để kiểm tra quá tải khi đường dây truyền tải bị cắt:

α lm / jk =

∆f lm
f jk0

(5)

Với:
αlm/jk: Hệ số phân phối công suất trên đường dây lm sau khi cắt đường dây jk.

∆ƒlm: Độ thay đổi dịng cơng suất trên đường dây lm.
ƒ0jk: Dịng cơng suất trên đường dây jk trước khi nó bị cắt.
Nếu biết dịng chảy công suất của đường dây lm và đường dây jk trước khi thay
đổi cấu trúc thì dịng chảy trên đường dây lm khi đường dây jk bị cắt có thể xác định
thông qua hệ số α:

f lm = f lm0 + α lm/ jk f jk0

(6)

Với:

f lm0 , f jk0 : Dòng chảy trên đường dây lm và jk trước khi ngừng điện.
f lm : Dòng chảy trên đường dây lm khi jk bị cắt.
Hệ số chuyển công suất phát

ali =

∆f li
∆Pi

(7)

5


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ
Với:
l: Chỉ số đường dây.
i: Chỉ số nút.

∆f li : Độ thay đổi dòng công suất trên đường dây l khi thay đổi lượng phát ∆Pi
tại nút i.
∆Pi: Độ thay đổi lượng công suất phát ở nút i
Hệ số ali đặc trưng cho tính nhạy của dòng chảy trên đường dây l khi thay đổi
cơng suất phát ở nút i
Xét trường hợp khi có một máy phát công suất lớn ngừng cấp và giả thiết lượng
công suất hụt này sẽ được bù ở nút hệ thống, giả thiết máy phát lớn này phát ra lượng
Pi, lúc đó:

∆Pi = Pi

(8)

Và trào lưu cơng suất mới trên các đường dây được tính tốn bằng hệ số “a” đã
tính như sau:

f l = f l 0 + ali ∆Pi với l = 1…L

(9)

Với:

f l 0 : Dòng công suất trên đường dây l trước khi sự cố.
fl : Dòng chảy trên đường dây l sau khi máy phát nút i hỏng.
Nếu có sự thay đổi đồng thời nhiều ở nhiều nút phát thì chúng được tính
bằng phương pháp xếp chồng. Vì vậy tỉ lệ của cơng suất phát bù ở mỗi máy thứ j (j≠ i)
là:

Pi max

γ ij =
∑ Pkmax

(10)

k ,k ≠i

Với:
Pkmax: Công suất phát cực đại của máy phát k.
6


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ
γ ij: Hệ số nâng công suất của máy phát j khi máy phát i hỏng.

7


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ

Hình 4: Thuật tốn phân tích sự cố theo phương pháp hệ số chuyển tải.

Vậy để tính dịng chảy trên đường dây l theo giả thiết là tất cả các máy phát liên
kết tham gia bù đắp lượng mất, ta sử dụng biểu thức sau:
8


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ

f l = f l 0 + Σaliγ ij ∆Pi

(11)

Dòng chảy trên các đường dây có thể dương hay âm nên ta phải kiểm tra ƒ như
sau: − f l max < f l < fl max
Thuật tốn phân tích sự cố theo phương pháp hệ số chuyển tải được trình bày
trên Hình 4:
2.2.3. Phương pháp mở rộng vùng
Dựa trên bản chất cục bộ (lan truyền bé) của phần lớn sự cố, sử dụng quan điểm
hậu quả của sự cố ảnh hưởng trước tiên ở vùng lân cận điểm sự cố và hậu quả của
chúng được lan truyền bởi các dạng sóng đến các nút có kết nối về điện. Lời giải cần
tìm là lời giải vùng ảnh hưởng đối với mỗi sự cố với giả thiết rằng những vùng xa sự
cố trơ cứng về điện với sự cố.
Thuật tốn phân tích sự cố theo phương pháp mở rộng vùng được trình bày trên
Hình 5:

Hình 5: Thuật tốn phân tích sự cố theo phương pháp mở rộng vùng.

2.2.4. Phương pháp định vùng (cục bộ biên)

9


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ
Hiệu quả phương pháp là ở chỗ đối với hầu hết sự cố nó chỉ giải một phần nhỏ
của hệ thống thay vì phải giải toàn bộ hệ thống. Mặc dù lời giải của mỗi hệ thống nhỏ
là gần đúng nhưng những kết quả có thể được sử dụng để suy ra bản chất ảnh hưởng
của sự cố.
Phương pháp định vùng: trường hợp công suất tác dụng
Đối với một sự cố đã cho một chuỗi kiểm tra hoặc lọc sự cố CF 1, CF2,…, CFN

được áp dụng.

Hình 6: Quá trình lọc sự cố.

Nguyên tắc của quá trình lọc:
-

Lập danh sách các sự cố cần kiểm tra, đưa danh sách này vào bộ lọc thứ
nhất, ở đó sử dụng những phương thức tính đơn giản nhất và nhanh nhất,
xây dựng một danh sách sự cố đã được sắp xếp đầu tiên như là nguy hiểm
hoặc khơng nguy hiểm.

-

Chuyển số sự cố cịn lại xem như là khơng chắc chắn vào bộ lọc tiếp theo, ở
đó sử dụng phương thức tính tốn phức tạp hơn bộ lọc đầu tiên nhưng là ít
phức tạp hơn bộ lọc kế tiếp, và cứ thế tiếp tục.

-

Phương pháp này được thực hiện bằng cách lập những giới hạn truyền tải
trên đường dây khi sự cố dựa trên việc tính tốn những hệ số chuyển tải. Ý
tưởng biên giới hạn được suy ra từ việc chia hệ thống điện nghiên cứu thành
hai tiểu hệ thống N1 và N2.

Thủ tục tính tốn cho mỗi sự cố

10

Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ

Hình 7: Thủ tục tính tốn cho mỗi sự cố.

Phương pháp định vùng cho trường hợp điện áp
Phương pháp của Brandwajn và Lauby [BR-89] với mục đích đánh giá điện áp
tại tất cả các nút của hệ thống dựa trên độ lệch lớn nhất công suất phản kháng bơm
vào, gồm hai bước:
-

Bước thứ nhất: phân tích cơng suất tác dụng truyền tải theo phương pháp
Brandwajn.
11


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ
-

Bước thứ hai: đánh giá gần đúng những sự thay đổi điện áp do sự cố trong
khi chỉ tính đến những độ lệch phản kháng có giá trị lớn.

Vấn đề là xây dựng một tiêu chuẩn chọn lọc thích hợp để chọn ra những nút có
khả năng có những độ lệch cơng suất phản kháng ∆Q sinh ra đối với mỗi sự cố là do:
-

Sự thay đổi của lượng công suất phản kháng ở các đầu đường dây bị cắt ra
(∆QK, ∆Qm)

-

Sự thay đổi cấu trúc của hệ thống.

-

Sự thay đổi về độ lệch góc của những nhánh đối với những nút đang xét
(∆θiJ, ∆θil,…).

Hai tiêu chuẩn chọn lọc đã được đề ra:
- Tiêu chuẩn thứ nhất: tính đến sự thay đổi phản kháng của một nhánh đối với
một nút mà nhánh đó nối vào. Sự thay đổi này diễn tả bởi công thức:

∂Qi
= GiJ cosθ iJ + BiJ sin θiJ
∂θiJ

(12)

Với:
Qi: Lượng công suất phản kháng bơm vào nút i.
GiJ: Thành phần thực của tổng dẫn phức của nhánh iJ.
BiJ: Thành phần ảo của tổng dẫn phức của nhánh iJ.
θiJ = θi - θJ: Độ lệch góc trên một nhánh iJ.
Những sự biến đổi này được lấy tổng đối với một nút và nó cho phép chúng ta
đạt được một phép đo dạng:

Ki = ∑
α (i )

∂Qi
∂θiJ

(13)

Với: α(i): Tập hợp những nút kề nút i.
- Tiêu chuẩn thứ hai: đã được xác định để mà khắc phục tính bảo thủ của phép
đo Ki. Tính chất này dựa trên những sự thay đổi của tổn thất phản kháng trên các
12


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ
nhánh. Những tổn thất này được xấp xỉ bởi:

∆Qijperte = 2 Pij(0) ∆θiJ

(14)

Trong đó:
Pij(0): Công suất tác dụng truyền tải iJ ở trạng thái cơ bản.
∆θ = ∆θi - ∆θJ.
Những nút đầu đường dây có tổn thất cơng suất phản kháng lớn hơn một giá trị
cho trước sẽ được chọn lọc vào tập hợp này.
Những thay đổi điện áp sẽ được tính tốn gần đúng bậc một trong phương pháp
Jacobien tách cặp nhanh:

[ ∆V ] = [ B ''] [ ∆Q / V ]
−1

(15)

Với:

[∆Q/V]: Vectơ độc lập độ lệch công suất phản kháng bơm.
[B’’]: Ma trận tổng dẫn được áp dụng vào mơ hình tách cặp về phản kháng.
[∆V]: Vectơ hiệu chỉnh điện áp ở các nút.
Tập hợp của những tiêu chuẩn này dựa trên:
-

Số gia tổn thất công suất phản kháng trên các nhánh của hệ thống.

-

Số gia thay đổi góc trên nhánh của hệ thống (∆θIj).

-

Những sự thay đổi trong công suất tác dụng truyền tải trên các nhánh của hệ
thống sau nửa bước lặp đầu tiên P-θ của “FDLF”.

3. SỬ DỤNG PHẦN MỀM POWERWORLD ĐỂ PHÂN TÍCH AN TỒN
3.1. Các bước sử dụng phần mềm PowerWorld để phân tích an tồn
Bước 1: Vẽ sơ đồ HTĐ thực tế trên phần mềm (Draw → Network)

13


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ

Hình 8: Cửa sổ thao tác vẽ sơ đồ HTĐ.

Bước 2: Sau khi thiết lập sơ đồ và cài đặt tất cả thông số, vào menu Run Mode →
Play

Hình 9: Màn hình chạy chương trình.
Bước 3:
-

Vào Tools → Contingency Analysis để phân tích an tồn.

-

Vào thẻ Contingencies → kích chuột phải vào Label → Insert Special →
14


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ
Quick Insert Single Element Contingency…
-

Trong cửa sổ Contingency Element Dialog → Element Type → Chọn phần tử

cần phân tích (Brand, Generator, Load,…).
-

Ấn Auto Insert trong cửa sổ Contingencies Analysis → Xác nhận phần tử lựa

chọn → Do Insert Contingencies → Yes.
-

Ấn Start Run để tiến hành phân tích an tồn.

-

Ở dịng Status cho ta thơng báo hồn thành số lượng tình huống nguy hiểm.

15


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ

16


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ

Hình 10: Các bước phân tích an tồn.

3.2. Phân tích an tồn cho một lưới điện cụ thể

17


Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ

Hình 11: Sơ đồ một lưới điện cụ thể.

Tiến hành phân tích an tồn theo các bước Mục 3.1. Xét trường hợp đứt 1
đường dây hoặc sự cố 1 máy biến áp ta có kết quả phân tích an tồn.
*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*---*----*
CONTINGENCY L_00010RAY69-00013FERNA69C1
ELEMENTS:
OPEN Branch RAY69 TO FERNA69 CKT 1 | | CHECK |

APPLIED AND SKIPPED ELEMENTS:
Applied:
OPEN Branch RAY69_ 69.0 (10) TO FERNA69_ 69.0 (13) CKT
1 | | CHECK | | Opened flow of 46.33 MVA
NUMBER OF VIOLATIONS BY CATEGORY (Total = 2)
BRANCH:
1
BUS VOLTAGE:
1
INTERFACE:
0
LOAD ISLANDED:
NONE
GENERATION ISLANDED:
NONE
BRANCH MVA VIOLATIONS:
None.
BRANCH AMP VIOLATIONS:
BLT69 TO DEMAR69 CKT 1
Amps:
600.3
LIMIT:
418.4
%: 143.5
Base Case Value:
194.5
BUS LOW VOLTAGE VIOLATIONS:

18

Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ
FERNA69
LOW V
VOLT:
0.9446
LIMIT: 0.9500
Base
Case Value: 1.0003
BUS HIGH VOLTAGE VIOLATIONS:
None.
INTERFACE VIOLATIONS:
None.
*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*---*----*
CONTINGENCY T_00010RAY69-00039RAY138C1
ELEMENTS:
OPEN Branch RAY69 TO RAY138 CKT 1 | | CHECK |
APPLIED AND SKIPPED ELEMENTS:
Applied:
OPEN Branch RAY69_ 69.0 (10) TO RAY138_138.0 (39) CKT
1 | | CHECK | | Opened flow of 93.98 MVA
NUMBER OF VIOLATIONS BY CATEGORY (Total = 1)
BRANCH:
1
BUS VOLTAGE:
0
INTERFACE:
0
LOAD ISLANDED:
NONE

GENERATION ISLANDED:
NONE
BRANCH MVA VIOLATIONS:
None.
BRANCH AMP VIOLATIONS:
BLT69 TO DEMAR69 CKT 1
Amps:
554.1
LIMIT:
418.4
%: 132.4
Base Case Value:
194.5
BUS LOW VOLTAGE VIOLATIONS:
None.
BUS HIGH VOLTAGE VIOLATIONS:
None.
INTERFACE VIOLATIONS:
None.
*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*---*----*
CONTINGENCY L_00012TIM69-00018HANNAH69C1
ELEMENTS:
OPEN Branch TIM69 TO HANNAH69 CKT 1 | | CHECK |
APPLIED AND SKIPPED ELEMENTS:
Applied:
OPEN Branch TIM69_ 69.0 (12) TO HANNAH69_ 69.0 (18)
CKT 1 | | CHECK | | Opened flow of 67.97 MVA
NUMBER OF VIOLATIONS BY CATEGORY (Total = 4)
BRANCH:
2

BUS VOLTAGE:
2
INTERFACE:
0
LOAD ISLANDED:
NONE
GENERATION ISLANDED:
NONE
BRANCH MVA VIOLATIONS:
None.
BRANCH AMP VIOLATIONS:
HOMER69 TO LAUF69 CKT 1
Amps:
918.4
LIMIT:
686.1
%: 133.9
Base Case Value:
284.3
HOMER69 TO HANNAH69 CKT 1
Amps:
781.0
LIMIT:
686.1
%: 113.8
Base Case Value:
154.5
BUS LOW VOLTAGE VIOLATIONS:

19

Tiểu luận Phân tích an tồn HTĐ
AMANDA69
LOW V
VOLT:
0.9097
LIMIT: 0.9500
Base Case Value: 0.9950
HANNAH69
LOW V
VOLT:
0.9118
LIMIT: 0.9500
Base Case Value: 0.9969
BUS HIGH VOLTAGE VIOLATIONS:
None.
INTERFACE VIOLATIONS:
None.
*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*----*---*----*
CONTINGENCY T_00048BOB69-00047BOB138C1
ELEMENTS:
OPEN Branch BOB69 TO BOB138 CKT 1 | | CHECK |
APPLIED AND SKIPPED ELEMENTS:
Applied:
OPEN Branch BOB69_ 69.0 (48) TO BOB138_138.0 (47) CKT
1 | | CHECK | | Opened flow of 119.51 MVA
NUMBER OF VIOLATIONS BY CATEGORY (Total = 1)
BRANCH:
1

BUS VOLTAGE:
0
INTERFACE:
0
LOAD ISLANDED:
NONE
GENERATION ISLANDED:
NONE
BRANCH MVA VIOLATIONS:
None.
BRANCH AMP VIOLATIONS:
BOB69 TO BLT69 CKT 1
Amps:
730.9
LIMIT:
694.5
%: 105.2
Base Case Value:
280.2
BUS LOW VOLTAGE VIOLATIONS:
None.
BUS HIGH VOLTAGE VIOLATIONS:
None.
INTERFACE VIOLATIONS:
None.

20