ETAP và ứng dụng trong phân tích HỆ THỐNG ĐIỆN

TĨM TẮT
Tính tốn hệ thống là một khâu hết sức quan trọng trong công tác tư vấn xây dựng
Điện. Sáng kiến xin giới thiệu một cơng cụ tính tốn và phân tích hệ thống mạnh mẽ.
Etap là phần mềm được phát triển bởi Operation Technology, Inc (OTI) của Mỹ. Nội
dung chính của sáng kiến như sau:
-

Chương 1: Tổng quan về Etap
Chương 2: Trào lưu công suất tải cân bằng
Chương 3: Trào lưu cơng suất tải khơng cân
Chương 4: Tính ngắn mạch
Chương 5: Tối ưu trào lưu công suất
Chương 6: Khảo sát ổn định hệ thống
Chương 7: Bù công suất phản kháng
Chương 8: Tính tốn lưới nối đất
Chương 9: Tính tốn cáp ngầm
Chương 10: Các tính năng khác
Chương 11: Tổng kết
Kết luận


Mục lục
Chương 1: GIỚI THIỆU..................................................................................................1
1.1 Operation Technology, Inc. – OTI .....................................................................1
1.2 GIỚI THIỆU ETAP............................................................................................1
1.2.1 CÁC KHẢ NĂNG TÍNH TỐN CỦA ETAP ....................................1
1.2.2 CÀI ĐẶT (ETAP)................................................................................2
1.2.3 GIAO DIỆN 7.00 .........................................................................................2
1.2.4 CÁC PHẦN TỬ CHÍNH .............................................................................4
1.2.5 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ TÍNH TỐN ..........................................................29

1.2.6 TRAO ĐỔI DỮ LIỆU VỚI CÁC PHẦN MỀM KHÁC ...........................31
1.2.7 THƯ VIỆN THIẾT BỊ ...............................................................................32
Chương 2: TRÀO LƯU CÔNG SUẤT TẢI CÂN BẰNG ...........................................33
2.1 TỔNG QUAN ..................................................................................................33
2.2 MODULE TÍNH TRÀO LƯU CƠNG SUẤT TRONG ETAP ...............33
2.2.1 VÍ DỤ 2.1...................................................................................................35
Chương 3: TRÀO LƯU CÔNG SUẤT TẢI KHÔNG CÂN ........................................41
3.1 TỔNG QUAN ..................................................................................................41
3.2 MODULE TÍNH TRÀO LƯU CƠNG SUẤT TẢI KHƠNG CÂN ................41
3.2.1 PHƯƠNG PHÁP .......................................................................................41
3.2.2 VÍ DỤ 3.1...................................................................................................41
Chương 4: TÍNH NGẮN MẠCH ..................................................................................44
4.1 TÍNH NGẮN MẠCH .......................................................................................44
4.1.1 MODULE TÍNH NGẮN MẠCH Ở ETAP 7.0 .........................................44
4.2 MODULE PHỐI HỢP CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ ..........................................50
4.2.1 VÍ DỤ 4.2...................................................................................................52
Chương 5: TỐI ƯU TRÀO LƯU CÔNG SUẤT ..........................................................56
5.1 TỔNG QUAN ..................................................................................................56
5.2 MODULE TỐI ƯU TRÀO LƯU CÔNG SUẤT TRONG ETAP ...........56
5.2.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .................................................................61
5.2.2 VÍ DỤ 5.1...................................................................................................62
Chương 6: KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG..........................................................66
6.1 TỔNG QUAN ..................................................................................................66
6.2 MODULE KHẢO ỔN ĐỊNH TRONG ETAP.........................................66
6.2.1 MƠ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ ..............................................70
6.3 Ví dụ 6.1 ...........................................................................................................75
Chương 7: BÙ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG ............................................................78
7.1 TỔNG QUAN ..................................................................................................78
7.2 MODULE BÙ KINH TẾ TRONG ETAP................................................78
7.3 VÍ DỤ 7.1 .........................................................................................................82

Chương 8: TÍNH TỐN LƯỚI NỐI ĐẤT ...................................................................86


8.1 SƠ LƯỢC VỀ NỐI ĐẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ..................................86
8.1.1 VAI TRÒ CHỨC NĂNG ..........................................................................86
8.1.2 CÁC VẤN ĐỀ VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỐI ĐẤT ...........................86
8.2 MODULE TÍNH TỐN LƯỚI NỐI ĐẤT TRONG ETAP ............................87
8.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH........................................................................88
8.3.1 TIÊU CHUẨN IEEE .................................................................................88
8.3.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN .................................................95
8.4 TÍNH TỐN VỚI ETAP .................................................................................97
8.4.1 TẠO DỮ LIỆU TÍNH TỐN ...................................................................98
8.4.2 VÍ DỤ 8.1.................................................................................................101
8.4.3 VÍ DỤ 8.2.................................................................................................104
Chương 9: TÍNH TỐN CÁP NGẦM .......................................................................110
9.1 TỔNG QUAN ................................................................................................110
9.2 MODULE TÍNH TỐN VẬN HÀNH CÁP NGẦM ...................................110
9.2.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ...............................................................110
9.2.2 THANH EDIT .........................................................................................120
9.2.3 THANH CƠNG CỤ TÍNH TỐN ..........................................................126
9.2.4 ĐẶT CÁC THƠNG SỐ TÍNH TỐN ....................................................126
9.2.5 VÍ DỤ 9.1.................................................................................................127
9.3 MODULE TÍNH TỐN LỰC KÉO CÁP ....................................................134
9.3.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN...............................................................134
9.3.2 ỐNG LUỒN CÁP ....................................................................................135
9.3.3 CÁP..........................................................................................................136
9.3.4 THANH EDIT .........................................................................................138
9.3.5 ĐẶT THÔNG SỐ TÍNH TỐN .............................................................138
9.3.6 VÍ DỤ 9.2.................................................................................................139
Chương 10: CÁC TÍNH NĂNG KHÁC .....................................................................143

10.1 KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ..............................................................................143
10.2 REAL-TIME...................................................................................................143
10.3 CONTROL SYSTEM DIAGRAM ................................................................144
Chương 11: TỔNG KẾT .............................................................................................145
11.1 ĐÁNH GIÁ CHUNG .....................................................................................145
11.2 TỒN TẠI ........................................................................................................145
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................146


Chương 1: GIỚI THIỆU
1.1 Operation Technology, Inc. – OTI
OTI được thành lập từ năm 1986, chuyên cung cấp các giải pháp để phân tích hệ
thống điện, mơ phỏng, thiết kế, vận hành, kiểm sốt, tối ưu hóa, và tự động hóa. Phiên
bản mới nhất hiện nay là Etap 11.
Hiện OTI đã cung cấp 50.000 sản phẩm cho các công ty, tổ chức, doanh nghiệp ở
hơn 100 quốc gia trên toàn thế giới.
Điểm nổi bật nhất của Etap là Real-Time: kiểm soát và điều khiển hệ thống trực
tiếp theo thời gian thực nhằm tăng cường độ tin cậy, và vận hành hệ thống một cách
tối ưu và tiết kiệm.
OTI sở hữu một đội ngũ kỹ sư, chuyên gia giàu kinh nghiệm hàng đầu thế giới
luôn tiếp cận những tiến bộ công nghệ mới nhất.

Hình 1.1 Operation Technology, Inc. – OTI
1.2 GIỚI THIỆU ETAP
1.2.1 CÁC KHẢ NĂNG TÍNH TỐN CỦA ETAP
-

Tính trào lưu cơng suất tải cân bằng
Tính trào lưu cơng suất tải khơng cân bằng
Tính ngắn mạch

Đóng ngắt động cơ, máy điện quay
Phân tích sóng hài
Khảo sát ổn định hệ thống
Phối hợp các thiết bị bảo vệ
Tối ưu trào lưu công suất
Tính độ tin cậy hệ thống
Bù tối ưu cơng suất phản kháng
Tính lưới nối đất
Tính tốn cáp ngầm
Thiết kế mạch điều khiển
1


- Quảng lý hệ thống theo thời gian thực (Real time)
- Quảng lý lưới điện trên sơ đồ đia lý GIS
1.2.2 CÀI ĐẶT (ETAP)
- ETAP chạy tốt trên windows xp, vista và windows 7. Etap cung cấp bản
demo tại địa chỉ www.etap.com/demo. Tuy nhiên bản demo này nhiều tính năng
và số nút bị hạn chế. Bản crack phổ biến trên các diễn đàn HTĐ hiện nay là bản
ETAP và chỉ chạy được trên win 32bit.
- Khi cài đặt đòi hỏi phải có phần mềm hỗ trợ là Microsoft® .NET Framework
v1.1 hoặc Microsoft.NET Framework v2.0. Do chương trình hỗ trợ đồ họa cao
nên yêu cầu cấu hình máy tinh tối thiểu: Intel Dual/Quad core – 2.0 GHz trở
lên, RAM 2 GB.
1.2.3 GIAO DIỆN ETAP
Của sổ chính :

Hình 1.2 Cửa sổ chính

2

Các chức năng tính tốn :

Hình 1.3 Các chức năng tính tốn
Các phần tử AC :

Hình 1.4 Các phần tử AC

Các thiết bị đo lường, bảo vệ:

3


Hình 1.5 Các thiết bị đo lường, bảo vệ
1.2.4 CÁC PHẦN TỬ CHÍNH
1.2.4.1 Nguồn (hệ thống)
Nguồn được xem là thay thế cho 1 hệ thống phức tạp vô cùng lớn được đặc trưng
bởi các thơng số sau:

Hình 1.6 Trang info của nguồn
- IP: tên của nguồn (hệ thống)
- Bus: kết nối với bus nào (kèm điện áp định mức)
- Mode: chọn chức năng của nguồn
+ Swing: nút cân bằng
+ Voltage Control: điều chỉnh điện áp
+ Mvar Control: điều chỉnh công suất kháng
+ PF control: điều chỉnh hệ số công suất
4

Hình 1.7 Trang Rating của nguồn
-

Rated: điện áp định mức (kèm kiểu đấu dây)
Balanced/Unbalanced: ba pha cân bằng/ không cân bằng
Generation Categories: các thiết lập các thông số hoạt động của nguồn
Operating: các giá trị của trạng thái hoạt động gần nhất
SC Rating: Công suất ngắn mạch và trở kháng hệ thống
SC Imp (100MVA base): trở kháng hệ thống ở công suất cơ bản 100MVA

Trang Hamnic :
- Lựa chọn dạng điện áp đầu ra và sóng hài của hệ thống(sin, khơng sin, các dạng
sóng nghịch lưu…). Nếu là hệ thống cho điện áp đầu ra hình sin thì ta chọn
None.

5


Hình 1.8 Trang Hamnic của nguồn

Hình 1.9 Trang Reliability của nguồn
Các thơng số để tính bài tốn xác định độ tin cậy cung cấp điện toàn hệ thống
-

λA: số lần sự cố/ năm
MTTR: thời gian sửa chữa (giờ)/ năm
μ: tỷ lệ sửa chữa trung bình/ năm( μ=8760/MTTR)
FOR = MTTR/(MTTR + 8760/ λA)
MTTF: khoảng thời gian giữa 2 lần hư hỏng

6


- rp: thời gian thay thiết bị
- switch Time: thời gian chuyển sang nguồn cung cấp mới

Hình 1.10 Trang Energy Price của nguồn
Giá cung cấp điện của hệ thống. Ta có thể xây dựng hàm chi phí của hệ thống để
tính tốn khi sử dụng chức năng vận hành tối ưu nguồn phát
1.2.4.2 Máy Phát
Máy phát cũng tương tự như nguồn chỉ khác 1 vài điểm sau :
- Rating:
+ MW: công suất P định mức
+ kV: điện áp định mức
+ %PF: hệ số công suất
+ MVA: công suất S định mức
+ %Eff: hiệu suất làm việc.
+ Poles: số cực.
+ FLA: dịng pha ở cơng suất định mức.
+ RPM: tốc độ đồng bộ.
- PrimeMover Rating: công suất liên tục và cao điểm dùng để tính các cảnh bảo
lúc khởi động các phụ tải động cơ.
- Mvar Limits: giới hạn công suất kháng lúc cao điểm. Có thể cài đặt hoặc Etap
tự tính theo PrimeMover Rating.

7


Hình 1.11 Trang Energy Price của máy phát

Hình 1.12 Trang Imp/Mode của máy phát
- Impedance: thông tin về trở kháng siêu q độ, thứ tự thuận, nghịch, khơng
dùng trong tính tốn ngắn mạch.
- Dynamic Model: mơ hình máy phát và các thông số (bộ thông số chuẩn) để
8


phân tích ổn định hệ thống.
- Type: kiểu máy phát (hơi, khí, thủy điện) và loại rotor (cực ẩn, cực lồi).
- IEC 60909 S.C: giới hạn chịu được khi ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEEE
60909.

Hình 1.13 Trang capalibity của máy phát
Thơng tin về giới hạn hoạt động an tồn của máy phát.

Hình 1.14 Trang Exciter cuả máy phát
Thơng tin về hệ thống kích từ và bộ tự điều chỉnh điện áp AVR.

9


Hình 1.15 Trang Govemor của máy phát
Thơng tin về bộ điều tốc của máy phát.
1.2.4.3 Bus

Hình 1.16 Trang info của Bus
- Nominal kV: điện áp định mức
- Bus Voltage: giá trị ban đầu của vịng lập trong tính tốn
1.2.4.4 Đường dây

10


Hình 1.17 Trang info của đường dây
- ID: tên đường dây.
- From/to: dây nối từ Bus /đến Bus.
- Length: chiều dài dây, chọn đơn vị thích hợp.

Hình 1.18 Trang parameter của đường dây
- Conductor Type: loại dây đồng hay nhôm
- R-T1: điện trở ở nhiệt độ T1
- R-T2: điện trở ở nhiệt độ T2 (R-T1 và R-T2 là 2 điểm để Etap nội suy ra điện
trở đường dây ở các nhiệt độ khác)
- Outside Diameter: đường kính ngồi của dây
- GMR: bán kính trung bình nhân giữa các nhóm dây dây cùng pha (Dm).
11


- Xa: trở kháng của dây pha trên 1 đơn vị chiều dài (Etap tự tính).
- Xa’: dung dẫn của dây pha (với khoảng cách trung bình hình học giữa các dây
pha là 1 ft) trên 1 đơn vị chiều dài (Etap tự tính).
- Ground Wire : thơng số dây nối đất.
Ngồi ra Etap cịn cung cấp 1 thư viện dây phổ biến với đầy đủ các thông số rất
tiện lợi. Thư viện này có thể tùy biến theo điều chỉnh của người dùng

Hình 1.19 Trang configuration của đường dây
Configuration: cách bố trí dây(thẳng đứng, nằm ngang, tam giác, mạch kép)
GMD: khoảng cách trung bình nhân giữa các dây pha (Dm)
Phase: khoảng các giữa các dây pha, các dây pha với đất
Transposed: chọn nếu dây dẫn có hốn vị đầy đủ

Separation: khoảng cách trung bình hình học giữa các dây (trường hợp phân
pha)
- Conductors/phase: số dây trong cùng một pha (trương hợp phân pha)
- Ground wires: dây chống sét
-

Với các thơng số trên Etap sẽ tự tính ra trở kháng đường dây

12


Hình 1.20 Trang Grouping của đường dây
Các thơng tin về nối đất đường dây (nối dất chống sét, nối đất lập lại…).

Hình 1.21 Trang Earth của đường dây
Các thơng tin về lớp đất bên dưới dây dẫn.

13


Hình 1.22 Trang impedance của đường dây
Có 2 tùy chọn:
- Calculated: nhận kết quả tính từ Etap (R, X, B)
- User Defined: nhập số liệu có sẵn (R, X, B)
- Impedance (per phase ): các thông số R, X, B cho thứ tự thuận, nghịch và thứ
tự khơng

Hình 1.23 Trang Sag & Tension của đường dây
- Line Section:
+ Same Tower Height: các cột có cùng độ cao

+ Op Temp: nhiệt độ vận hành của đường dây
14


-

-

+ Horiz. Tension: lực căng ngang
+ Ruling Span: khoảng vượt (khi các cột có cùng độ cao)
+ Span: khoảng vượt cụ thể
+ Height Diff: sai biệt độ cao giữa 2 cột
+ Span: khoảng vượt
+ Sag: độ võng
Loaded Conditions
+ Weight: trọng lượng dây
+ k Factor:
+ Ice: độ dày lớp băng bám trên dây
+ Wind: áp lực gió
+ Elongation Coefficient: hệ số giản nở của dây dẫn
Al/Cu Strands: số sợi và đường kính mỗi sợi phần dẫn điện
Steel Strands: số sợi và đường kính mỗi sợi phần chịu lực
Modulus of Elasticity: khả năng chiu lực kéo
Known Conditions: các điều kiện
+ Ice: độ dày của lớp băng bám trên dây dẫn
+ Wind: áp lực gió
+ k Factor: hệ số k
+ Temperature: nhiệt độ vận hành
+ Tension or Sag: chọn giá trị độ võng hay lực căng dây cho phép

1.2.4.5 Cáp lực

Hình 1.24 Trang info của cáp
- ID: tên cáp
15


-

Connection: cáp cấp điện cho tải 1pha/3pha
Length: chiều dài cáp
Tolerance: sai số chiều dài
# conductors/phase: số sợi cáp/ 1 pha

Hình 1.25 Trang impedance của cáp
- Impedance(per conductor): trở kháng thứ tự thuận và thứ tự nghịch
- Units: đơn vị trở kháng
- Cable temperature: nhiệt độ cáp
+ Base: nhiệt độ tính R (ở mục trở kháng)
+ Min: nhiệt độ vận hành nhỏ nhất
+ Max: nhiệt độ vận hành lớn nhất
Giá trị nhiệt độ này dùng để nội suy ra điện trở của cáp ở nhiệt độ hoạt động khác
nhau.

16


Hình 1.26 Trang physical của cáp
Rdc: điện trở DC ở 25oC
Cable OD: đường kính ngồi

Condutor OD: đường kính lõi
Insulation t: chiều dày cách điện
Sheath t: chiều dày giáp bọc
Jacket t: chiều dày vỏ bọc
Wright: khối lượng cáp trên một đợn vị chiều dài
Max.Tension: lực kéo lớn nhất cho phép trên mộ đơn vị điện tích
Max.SW: áp lực lớn nhất cho phép trên một đợn vị chiều dài
Conductor Construction: Cấu trúc lõi dẫn. Gồm các cấu trúc sau.
+ ConRnd:
Concentric Round None Coated None Treated
+ ConRnd-Coated: Concentric Round Coated
None Treated
+ ConRnd-Treated: Concentric Round None Coated Treated
+ CmpRnd-Treated: Compact Round
None Coated Treated
+ CmpSgm:
Compact Segmental None Coated None Treated
+ CmpSgm-Coated: Compact Segmental Coated
None Treated
+ CmpSgm-Treated: Compact Segmental None Coated Treated
+ CmpSct-Treated: Compact Sector
None Coated Treated
- Shielding: có/ khơng giáp bọc
- Sheath/Shield End Connection: có/khơng nối đất vỏ cáp
- Sheath/Armor Type: vật liệu giáp bọc. Gồm các loại sau.
+ None
+ Lead Sheath
-

17

+ Aluminum Sheath
+ St Armor/30 dg/ 15 W
+ St Armor/30 dg/ 20 W
+ St Armor/30 dg/ 25 W
+ St Armor/45 dg/ 15 W
+ …
+ St Armor/45 dg/ 9999 W
- Jacket Type: vật liệu vỏ ngoài của cáp. Gồm các vật liệu sau.
+ None
+ Paper
+ PE
+ PVC
+ XLPE
+ EPR
+ SBR
+ Rubber
+ Rubber1
+ Rubber2
+ …
Trang loading
- Operating Load/Current: giá trị dòng điện để tính ổn định nhiệt
+ Avg: giá trị dịng điện cho tải 3 pha cân bằng
+ Phase A: giá trị dịng điện pha A (tải 3 pha khơng cân bằng)
+ Phase B: giá trị dòng điện pha B (tải 3 pha khơng cân bằng)
+ Phase C: giá trị dịng điện pha C (tải 3 pha không cân bằng)
+ Growth factor (GF): hệ số tăng tải trong tương lai
- Loading current for sizing: giá trị dòng điện để xác định tiết diện cáp tối ưu
+ Operating current: dòng điện cáp đang tải (theo sơ đồ 1 sợi)

+ FLA of Element: dòng điện theo thiết bị cáp cấp điện
+ User-Defined: người dùng nhập
- UnderGround raceway (UGS): tính tốn mương cáp
+ Sheath/Armor Current: giá trị dịng điện chạy trong vỏ cáp (tính theo %
dòng trong lõi cáp)
+ Optimization options: lựa chọn này để xác định bài tốn tính ổn định nhiệt
theo tiết diện tối ưu
Fixed Current: cố định dòng điện
Fixed size: cố định kích thước cáp

18


Hình 1.27 Trang loading của cáp
+ Load factor: hệ số mang tải (qui về tải đỉnh). Được tính như sau
Load _ factor  100

(kWi Ti )

 100

(kW pTt )

E
%
kWiTt

Trong đó:
i: Các khoảng thời gian tải hoạt động
kWi: công suất tải ở khoảng i

Ti: Thời gian trong khoảng i
kWp: công suất đỉnh ở khoảng i
Tt = Ton + Toff (Ton thời gian tải hoạt động; Toff thời gian tải nghỉ)
+ Transient load profile: dạng đồ thị phụ tải

Trang Protection

19


Hình 1.27 Trang protection của cáp
- Themal capability: đường cong khả năng chịu nhiệt của cáp, đường cong này
phụ thuộc vào loại cách điện, nhiệt độ ruột dẫn và số sợi cáp mỗi pha.
+ Conductor Temperature: nhiệt độ cáp bắt đầu quá giới hạn cho phép
- Reference kV: giá trị điện áp tham khảo tính cơng suất ngắn mạch
- Short circuit current (Sym, ms): giá trị dòng ngắn mạch cáp phải chiệu đựng.
Giá trị này dùng để xác định kích thước cáp tối ưu, trở kháng tương đương.
- Protective device:
- Protective grounding Z:
Trang ampacity
Thermal Capability:
- Installation: hình thức lắp đặt cáp. Chọn tiêu chuẩn và hình thức lắp đặt cáp
- Temperature/RHO: Nhiệt độ hoạt động và nhiệt trở suất
+ Ta: nhiệt độ môi trường
+ Tc: nhiệt độ tối đa cho phép của cáp
+ RHO: nhiệt trở suất môi tường
- Ampacity: Dòng tải hoạt động của cáp
+ Operating: Dòng điện cáp đang hoạt động
+ Base: dòng điện định mức của cáp
+ Derated: dòng điện trong điều kiện lắp đặt cụ thể (theo tiêu chuẩn tính tốn

lựa chọn)
- Allowable Ampacity (Alert): dịng tối đa cho phép của cáp. Dùng để cảnh báo
khi q giới hạn và giới hạn cho tính tốn tối ưu
-

20


Hình 1.27 Trang ampacity của cáp
Trang sizing của cáp
- Standard: tiêu chuẩn tính tốn (được chọn trong trang ampacity)
- Results: kết quả tính tối ưu kích thước cáp
- Requirements: yêu cầu của phụ tải
- Cable Application: hế số nhân dòng (yêu cầu của thiết bị)
- Options: xem xét hệ số tăng trưởng phụ tải
- Cable Library Selection: lựa chọn cáp trong thư viện (cùng một nhóm/ tất cả
các cáp có trong thư viện)

21