Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện
MỤC LỤC

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56 Trang 1


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện
DANH MỤC HÌNH VẼ

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56 Trang 2


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56 Trang 3


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện
DANH MỤC ĐỒ THỊ

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56 Trang 4

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện

Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trong tất cả các lĩnh
vực hoạt động kinh tế và đời sống của con người. Nhu cầu sử dụng điện ngày càng
cao, chính vì vậy chúng ta cần xây dựng thêm các hệ thống điện nhằm đảm bảo cung
cấp điện cho các hộ tiêu thụ. Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, các mạng điện
và các hộ tiêu thụ điện được liên kết với nhau thành một hệ thống để thực hiện quá
trình sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng.
Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và cải tạo mạng điện sử dụng phần mềm
PowerWorld” giúp sinh viên áp dụng được những kiến thức đã học để thực hiện được
những công việc đó. Tuy là trên lý thuyết nhưng công việc thiết kế đã phần nào giúp
cho sinh viên hiểu được hơn thực tế đồng thời có những khái niệm cơ bản trong việc
quy hoạch và thiết kế mạng lưới điện và cũng là bước đầu tiên tập dượt để có những
kinh nghiệm cho công việc sau này. Việc thiết kế và cải tạo mạng lưới điện phải đạt
được những yêu cầu về kỹ thuật đồng thời giảm tối đa được vốn đầu tư trong phạm vi
cho phép là nhiệm vụ quan trọng đối với nền kinh tế của nước ta hiện nay.
Nhờ sự chỉ bảo, góp ý của các thầy, cô giáo và mọi người quan tâm nên em đã
hoàn thành đồ án này. Tuy đã nỗ lực rất nhiều nhưng do thiếu kinh nghiệm thực tế và
kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận
được các ý kiến đánh giá, chỉ bảo của các thầy cô giáo để em được mở rộng, nâng cao
kiến thức.
Qua đây em xin chân thành cảm ơn các thầy, các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ
Thống Điện, đặc biệt là thầy giáo Phạm Năng Văn đã tận tình giúp đỡ em trong thời
gian vừa qua. Em rất mong muốn sẽ tiếp tục nhận được sự giúp đỡ của các thầy, cô
giáo trong quá trình công tác sau này.
Hà Nội, ngày 08 tháng 6 năm 2016.
Sinh viên thực hiện


Nguyễn Văn Hưng

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56 Trang 5


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện

CHƯƠNG 1
PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM NGUỒN ĐIỆN
1.1 Giới thiệu chung về mạng điện
1.1.1 Sơ đồ địa lí

ND2
ND1

11
2

100,62 km
121 km

75 km

100,62 km

4


117,15 km
3
9

94,87 km

67,08 km

6

36,06 km
8

7

ND3

5
120 km

13

36,06 km

40 km

40 km
150,75 km
10


18

17

84,84 km

ND4

15

Hình 1 Sơ đồ địa lý
1.1.2 Số liệu về mạng điện

Hệ thống điện gồm 4 nguồn và 14 phụ tải, trong đó phụ tải ở nút 18 là phụ tải
mới (phụ tải loại 1). Điểm đấu của phụ tải 18 có cấp điện áp 110kV. Các nguồn điện
đều là nhà máy nhiệt điện.
1.1.2.1 Số liệu nguồn điện
•

Nhà máy nhiệt điện 1:
o Công suất định mức: 3x200 MW
o Hệ số công suất định mức: 0,85
o Điện áp định mức: 13,8 kV
• Nhà máy nhiệt điện 2:
Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56 Trang 6


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện


o Công suất định mức 4x200 MW
o Hệ số công suất định mức: 0,85
o Điện áp định mức: 13,8 kV

•

Nhà máy nhiệt điện 3:
o Công suất định mức 3x200 MW
o Hệ số công suất định mức: 0,85
o Điện áp định mức: 13,8 kV
• Nhà máy nhiệt điện 4:
o Công suất định mức 3x200 MW
o Hệ số công suất định mức: 0,85
o Điện áp định mức: 13,8 kV
1.1.2.2 Số liệu phụ tải điện
Bảng 1 Số liệu phụ tải điện
Tên nút
2
3
4
5
11
6
7
8
9
10
13
15

17
18

Pmax(MW)
150
220
300
300
50
40
80
100
40
70
80
60
150
200

cosϕ
0,95
0,95
0,95
0,95
0,95
0,9
0,9
0,9
0,9
0,9

0,95
0,95
0,95
0,92

Uđm(kV)
220
220
220
220
220
110
110
110
110
110
220
220
220
110

Qmax(MVAr)
49,303
72,311
98,605
98,605
16,434
19,373
38,746
48,432

19,373
33,903
26,295
19,721
49,303
85,200

Smax(MVA)
150+49,303j
220+72,311j
300+98,605j
300+98,605j
50+16,434j
40+19,373j
80+38,746j
100+48,432j
40+19,373j
70+33,903j
80+26,295j
60+19,721j
150+49,303j
200+85,200j

Smin(MVA)
96+31,554j
140,8+46,279j
192+63,107j
192+63,107j
32+10,517j
25,6+12,399j

51,2+24,797j
64+30,996j
25,6+12,399j
44,8+21,698j
51,2+16,829j
38,4+12,621j
96+31,554j
128+54,528j

Đồ thị phụ tải ngày đêm của các phụ tải (các phụ tải có đồ thị phụ tải giống
nhau, tính theo % công suất cực đại):

Hình 1 Đồ thị phụ tải ngày đêm của phụ tải

Dựa vào đồ thị phụ tải, ta tính được thời gian sử dụng công suất cực đại:
24

Tmax =

∑ Pt
i =1

i i

Pmax

= 7292, 7 h

Thời gian tổn thất công suất cực đại:
Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56 Trang 7



Đồ án tốt nghiệp
24

τ=

∑P t
i =1

Thiết kế và cải tạo lưới điện

2

i

2
Pmax

i

= 6211,8h

1.1.2.3 Số liệu đường dây

a)

b)

c)


d)

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56 Trang 8


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện

Hình 1 Cấu trúc cột các đường dây trong mạng điện.

a - 220 kV 2 mạch, b - 220 kV 1 mạch, c – 110 kV 1 mạch, d – 110 kV 2 mạch

Cảm kháng trên 1km đường dây:
D 
1
x0 = ω  + 4, 6 lg tb ÷.10 −4 ( Ω / km )
R 
2

Dung dẫn trên 1km đường dây:
b0 = ω

24,1
.10−9 ( S / km)
Dtb
lg
R


Trong đó:
ω = 2π f ; f = 50 Hz
R

: Bán kính dây dẫn (m).

Dtb

: Khoảng cách trung bình hình học giữa các pha (m).

Đối với đường dây 1 mạch:
Dtb = 3 Dab .Dbc .Dca

Đối với đường dây 2 mạch:
Da =

Db =

Dab .Dab ' .Dac .Dac '
Daa '
Dba .Dba ' .Dbc .Dbc '
Dbb '

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56 Trang 9


Đồ án tốt nghiệp
Dc =

Thiết kế và cải tạo lưới điện


Dca .Dca ' .Dcb .Dcb '
Dcc '

Dtb = 3 Da .Db .Dc

Từ hình trên ta tính được:
kV
Dtb1101mach
= 6, 01m

kV
Dtb1102mach
= 4,868m

kV
Dtb220
1mach = 8,5m

kV
Dtb2202mach
= 10, 67m

Vậy ta có thông số dây dẫn:
Bảng 1 Thông số đơn vị dây dẫn đường dây (cột 110kV)
Tiết diện
tiêu
chuẩn
(mm2)


Dòng điện cho
phép khi đặt
ngoài trời
(A)

Điện trở
ở 20oC
(Ω/km)

70
95
120
150
185
240
300
330
400
500

275
335
360
445
515
645
740
790
850
960


0,46
0,33
0,27
0,21
0,17
0,1188
0,0949
0,0851
0,0748
0,059

Điện kháng đơn vị
(Ω/km)
cột một
mạch
0,45257
0,44196
0,43452
0,42749
0,42051
0,41160
0,40456
0,40329
0,39916
0,39060

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 10

cột hai

mạch
0,43935
0,42873
0,42129
0,41427
0,40728
0,39837
0,39133
0,39006
0,38593
0,37738

Dung dẫn đơn vị
(S/km)
cột một
mạch
2,50454
2,56690
2,61252
2,65708
2,70290
2,76377
2,81381
2,82302
2,85342
2,91854

cột hai
mạch
2,58274

2,64910
2,69772
2,74526
2,79420
2,85930
2,91289
2,92276
2,95536
3,02528


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện

Bảng 1 Thông số đơn vị dây dẫn đường dây (cột 220kV)
Tiết diện
tiêu
chuẩn
(mm2)

Dòng điện cho
phép khi đặt
ngoài trời
(A)

Điện trở
ở 20oC
(Ω/km)


70
95
120
150
185
240
300
330
400
500

275
335
360
445
515
645
740
790
850
960

0,46
0,33
0,27
0,21
0,17
0,1188
0,0949
0,0851

0,0748
0,059

Điện kháng đơn vị
(Ω/km)
cột một
mạch
0,47433
0,46372
0,45627
0,44925
0,44227
0,43335
0,42631
0,42504
0,42091
0,41236

Dung dẫn đơn vị
(μS/km)

cột hai
mạch
0,48860
0,47799
0,47054
0,46352
0,45654
0,44762
0,44058

0,43931
0,43518
0,42663

cột một
mạch
2,38574
2,44224
2,48351
2,52375
2,56505
2,61980
2,66473
2,67298
2,70022
2,75847

cột hai
mạch
2,31374
2,36685
2,40559
2,44332
2,48201
2,53325
2,57523
2,58293
2,60836
2,66267


Bảng 1 Thông số các nhánh đường dây để nhập chương trình Power World
Đường dây

Loại dây

Cấp
điện
áp
(kV)

Chiều
dài
(km)

Điện
Điện kháng
trở đơn
đơn vị
vị
(Ω/km)
(Ω/km)

Dung dẫn
đơn vị
(μS/km)

Dòng
điện
cho
phép

ngoà
i trời
(A)

L1

ACSR 300

220kV

75

0,0949

0,4263110
1

2,664725
3

740

L2

ACSR 240

220kV

94,87


0,1188

0,4476220
2

2,533245
5

645

L3

ACSR 300

220kV

121

0,0949

0,4263110
1

2,664725
3

740

L4


ACSR 240

220kV

67,08

0,1188

0,4333519
9

2,619801
3

645

L5

ACSR (2x330)

220kV

100,6
2

0,0425
5

0,3231810
4


3,469871
4

1580

L6

ACSR 185

110kV

36,06

0,17

0,4205114
1

2,702902
7

515

L7

ACSR 120

110kV


40

0,27

0,4345161

2,612518

360

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 11


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện
9

7

L8

ACSR 185

110kV

36,06

0,17


0,4205114
1

2,702902
7

515

L9

ACSR 185

110kV

40

0,17

0,4072849
9

2,794199
5

515

L10

ACSR 400


220kV

117,1
5

0,0748

0,4209141
4

2,700216
3

850

L11

ACSR 500

220kV

120

0,059

0,4123574
9

2,758466
3


960

L12

ACSR 300

220kV

100,6
2

0,0949

0,4263110
1

2,664725
3

740

L13

ACSR 330

220kV

150,7
5


0,0851

0,4393131

2,582934
6

790

L14

ACSR (2x300)

220kV

84,84

0,0474
5

0,3238150
1

3,462909
1

1480

1.1.3 Số liệu máy biến áp


Máy biến áp là phần tử trung gian giữa các lưới có điện áp khác nhau, cho
nên các thông số của máy biến áp có thể quy đổi về bất cứ phía nào. Muốn tính toán
thông số máy biến áp về phía nào ta chỉ cần sử dụng U đm của phía lưới điện đó để
tính toán, trong khuôn khổ đồ án, chúng ta quy đổi thông số máy biến áp về phía
cao áp, điện áp sử dụng trong công thức là điện áp định mức phía cao áp.
1.1.3.1 Máy biến áp 2 cuộn dây

Các thông số của máy biến áp 2 cuộn dây:
Sdm

: Công suất định mức của máy biến áp (MVA)

U dmC
U dmH
∆P0

: Điện áp định mức phía cao áp (kV)
: Điện áp định mức phía hạ áp (kV)

: Tổn thất công suất tác dụng không tải (kW)

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 12


Đồ án tốt nghiệp
∆PN
I0

Thiết kế và cải tạo lưới điện


: Tổn thất công suất tác dụng ngắn mạch (kW)

: Dòng điện không tải, tính theo % dòng điện định mức.

UN

: Điện áp ngắn mạch, tính theo % điện áp định mức.

Sơ đồ thay thế của máy biến áp 2 cuộn dây:

Hình 1 Sơ đồ thay thế máy biến áp 2 cuộn dây

Trong đó:
RB =
•

Điện trở tác dụng
XB =

•

2
∆PNU dm
103 [ Ω, kW , kV , kVA]
2
Sdm

2
U NU dm

10 [ Ω, kV , kVA]
S dm

Điện kháng
GB =

•

∆P0 −3 −1
10 Ω , kW , kV 
2
U dm

Điện dẫn tác dụng
BB =

•

I 0 S dm −5 −1
10 Ω , kVA, kV 
2
U dm

Điện dẫn phản kháng

1.1.3.2 Máy biến áp tự ngẫu

Các thông số của máy biến áp 2 tự ngẫu:
Sdm


: Công suất định mức của máy biến áp (MVA)

U dmC

: Điện áp định mức phía cao áp (kV)

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 13


Đồ án tốt nghiệp
U dmT
U dmH
∆P0

Thiết kế và cải tạo lưới điện

: Điện áp định mức phía trung áp (kV)
: Điện áp định mức phía hạ áp (kV)

: Tổn thất công suất tác dụng không tải (kW)

∆PNC −T

: Tổn thất công suất tác dụng giữa cuộn cao và cuộn trung khi ngắn
mạch, tính theo dung lượng định mức.
'
∆PNC
−H

: Tổn thất công suất tác dụng giữa cuộn cao và cuộn hạ khi ngắn

mạch, tính theo công suất mẫu.
'
∆PNT
−H

: Tổn thất công suất tác dụng giữa cuộn trung và cuộn hạ khi ngắn
mạch, tính theo công suất mẫu.
I0

: Dòng điện không tải, tính theo % dòng điện định mức.

UN

: Điện áp ngắn mạch, tính theo % điện áp định mức

Sơ đồ thay thế máy biến áp tự ngẫu:

Hình 1 Sơ đồ thay thế máy biến áp tự ngẫu

Trong đó:
RC =
•

2
∆PNCU dm
103 [ Ω, kW , kV , kVA]
2
S dm

Điện trở cuộn cao


Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 14


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện
RT =

•

Điện trở cuộn trung
RH =

•

2
∆PNT U dm
103 [ Ω, kW , kV , kVA]
2
S dm

2
∆PNH U dm
103 [ Ω, kW , kV , kVA]
2
Sdm

Điện trở cuộn hạ


2

∆PNC − H = ∆P

 Sdm 

÷
 Sm 

∆PNT − H = ∆P

 S dm 

÷
 Sm 

'
NC − H

2

'
NT − H

∆PNC =

1
( ∆PNC −T + ∆PNC − H − ∆PNT − H )
2


∆PNT = ∆PNC −T − ∆PNC
∆PNH = ∆PNC − H − ∆PNC

XC =
•

2
U NCU dm
10 [ Ω, kV , kVA]
S dm

Điện kháng cuộn cao
XT =

•

Điện kháng cuộn trung
XH =

•

2
U NTU dm
10 [ Ω, kV , kVA]
S dm

2
U NH U dm
10 [ Ω, kV , kVA]
S dm


Điện kháng cuộn hạ
U NC = 0,5 ( U NC −T + U NC − H − U NT − H )
U NT = 0,5 ( U NC −T + U NT − H − U NC − H )
U NH = 0,5 ( U NC − H + U NT − H − U NC −T )

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 15


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện
GB =

•

∆P0 −3 −1
10 Ω , kW , kV 
2
U dm

Điện dẫn tác dụng
BB =

•

I 0 S dm −5 −1
10 Ω , kVA, kV 
2
U dm


Điện dẫn phản kháng

1.1.3.3 Tính toán cụ thể

Ta có bảng thông số các máy biến áp:
Bảng 1 Thông số máy biến áp

Sđm
(MVA)

125
250
125
250

UCđm
(kV)

230
230
242
242

UTđm
(kV)

UHđm
(kV)


115
115

11
11
13,8
13,8

ΔP0
(kW
)
85
145
135
240

Điện trở (Ω)

RC
0,491
0,220
1,424
0,609

RT
0,491
0,220

RH
1,473

0,660

Điện kháng (Ω)

XC
48,668
24,334
51,536
25,768

XT
0,000
0,000

XH
82,524
43,378

Điện
dẫn
tác
dụng
(µS)

Điện
dẫn
phản
kháng
(µS)


1,607
2,741
2,305
4,098

11,815
23,629
10,672
21,344

1.1.4 Nhận xét chung:

Tổng công suất định mức của nguồn:
4

∑ PdmN = ∑ Pdmnmi = 2600MW
i =1

4

∑ QdmN = ∑ Pdmnmi * tan ϕi = 1715,54MVAr
i =1

Các phụ tải đều là phụ tải loại 1, có tầm quan trọng lớn, không được để mất
điện, tổng công suất tiêu thụ của phụ tải trong chế độ cực đại:

∑P

pt max


∑Q

pt max

= 1690 MW
= 622, 409 MVAr

Tổng công suất định mức của nguồn lớn hơn khá nhiều so với tải (kể cả phụ
tải số 18) nên ta thấy sơ bộ hệ thống điện đảm bảo được yêu cầu về công suất của
các phụ tải.

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 16


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện

Khoảng cách truyền tải nhỏ nhất trên sơ đồ là 36,06km, tất cả mọi đường
dây đều là đường dây trên không, sử dụng dây nhôm lõi thép.
1.2 Cân bằng công suất trong hệ thống điện
Điện năng có đặc điểm là không thể dự trữ được. Phụ tải yêu cầu đến đâu thì
hệ thống điện đáp ứng đến đó, do đó công suất phát của các nhà máy điện phải luôn
thay đổi theo nhu cầu công suất tác dụng P của phụ tải, điện áp của các nhà máy
điện phải luôn thay đổi để đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng Q của phụ tải.
Công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn điện phải luôn cân
bằng với công suất yêu cầu của phụ tải trong mọi thời điểm vận hành.
1.2.1 Cân bằng công suất tác dụng

Tổng công suất tác dụng có thể phát của nhà máy điện phải lớn hơn hoặc

bằng công suất tác dụng yêu cầu của hệ thống, biểu thức cân bằng công suất tác
dụng có dạng:
4

∑P
i =1

Gdm i

≥ Pyc = Ppt max + ∆P + Ptd + Pdt

Trong đó:
4

∑P
i =1

Pyc

Gdmi

: Tổng công suất tác dụng định mức của 4 nhà máy.
: Tổng công suất tác dụng yêu cầu của mạng điện.

Pptmax

: Tổng công suất tác dụng phụ tải yêu cầu ở chế độ cực đại.

∆P = 5% Pptmax
Ptd = 10% PG phat


: Tổng tổn thất công suất tác dụng trong mạng điện.
: Tổng công suất tự dùng của các nhà máy điện.

Pdt = max{PGmax
; 20% Ppt }
dm

: Công suất dự trữ của hệ thống.

Tính toán cụ thể ta được:

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 17


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện

4

∑P
i =1

= Pdmnm1 + Pdmnm1 + Pdmnm1 + Pdmnm1 = 3.200 + 4.200 + 3.200 + 3.200 = 2600MW

dmnmi

Pyc = Pptmax + 5% Pptmax + 10% PG phat + 20% Pptmax = 1840.1, 25 + 0,1.13.200 = 2560MW


Ta thấy tổng công suất nguồn phát lớn hơn công suất yêu cầu nên nguồn điện đáp
ứng đủ công suất tác dụng theo yêu cầu
1.2.2 Cân bằng công suất phản kháng

Tổng công suất phản kháng có thể phát của nhà máy điện phải lớn hơn hoặc
bằng công suất phản kháng yêu cầu của hệ thống, biểu thức cân bằng công suất
phản kháng có dạng:
4

∑Q
i =1

Gdmi

≥ Qyc = Q ptmax + ∆QMBA + ∆QL − QC + Qtd + Qdt

Trong đó:
4

∑Q

Gdmi

i =1

Qyc

: Tổng công suất phản kháng định mức của 4 nhà máy.
: Tổng công suất phản kháng yêu cầu.


Q ptmax

: Tổng công suất phản kháng phụ tải yêu cầu ở chế độ cực đại.

∆QMBA
∆QL
QC
Qtd
Qdt

: Tổng tổn thất công suất phản kháng trên các máy biến áp.

: Tổng tổn thất công suất phản kháng trên đường dây.

: Tổng công suất phản kháng do đường dây sinh ra.
: Tổng công suất phản kháng tự dùng.
: Tổng công suất phản kháng dự trữ.

Tính toán cụ thể ta được:
Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 18


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện

4

4


i =1

i =1

∑ QGdmi = ∑ PGdmi .tan ϕi = 1715, 6 MVAr
Qptmax = 675, 604 MVAr
∆QMBA = 25%Q ptmax = 168,9MVAr

Trong tính toán sơ bộ có thể lấy tổn thất công suất phản kháng trên đường
dây bằng công suất phản kháng do điện dung đường dây sinh ra.
Hệ số công suất của phụ tải tự dùng trong nhà máy lấy bằng 0,8.
Qtd = Ptd .tan ϕtd = 132,3MVAr
Qdt = max 15% ( Qpt max + ∆QMBA + Qtd ) ; QdmF  = 150 MVAr
Qyc = Q ptmax + ∆QMBA + Qtd + Qdt = 1126,8MVAr

Tổng công suất phản kháng nguồn có thể phát ra lớn hơn công suất phản
kháng yêu cầu, điều kiện cân bằng công suất được thỏa mãn, vậy sơ bộ không cần
bù công suất phản kháng.

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 19


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện

CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH SƠ BỘ CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA NGUỒN ĐIỆN
Trong chương này, chúng ta cần hoàn thành 2 nhiêm vụ như sau:
•
•


Xác định số tổ máy vận hành của từng nhà máy
Xác định công suất phát của từng tổ máy

Để giải quyết trọn vẹn 2 nhiệm vụ này, chúng ta cần xét đến bài toán lựa chọn tổ máy vận
hành UC (Unit Commitment). Trong thị trường bán buôn điện cạnh tranh, việc tính toán chi
phí phát điện sao cho thấp nhất là rất cần thiết để khi tham gia vào việc mua bán điện, chào
giá và phát điện, lợi nhuận thu được là tối đa. Để làm được điều đó, các nhà máy điện cần
phải tính toán đưa ra kế hoạch vận hành các tổ máy phát một cách hợp lý. Điều này góp phần
không những nâng cao tính kinh tế trong vận hành mà còn đóng góp vào tính chính xác và
hợp lí khi quy hoạch, thiết kế hệ thống điện.
Khi đã xác định được số tổ máy vận hành của các nhà máy điện thì bài toán trên sẽ trở thành
bài toán trào lưu công suất tối ưu OPF (Optimal Power Flow). Đây là bài toán quan trọng nhất
trong quy hoạch và vận hành hệ thống điện. Mục tiêu của bài toán là xác định công suất phát
tác dụng của các tổ máy sao cho chi phí sản phí sản xuất của toàn hệ thống là cực tiểu, trong
đó các ràng buộc phải thỏa mãn có thể kể đến như: giới hạn công suất phát của tổ máy, giới
hạn điện áp nút, cân bằng công suất nút, giới hạn truyền tải trong mạng điện.
Bài toán trào lưu công suất tối ưu là trường hợp tổng quát của bài toán phân bố tối ưu công
suất ED (Economic Dispatch). Xét một hệ thống điện có N tổ máy đang vận hành với các đặc
tính chi phí sản xuất của từng tổ máy đã biết trước. Mục tiêu của bài toán là xác định công
suất phát của các tổ máy sao cho tổng chi phí sản xuất của toàn hệ thống là nhỏ nhất, thỏa
mãn ràng buộc giới hạn công suất phát của các tổ máy và cân bằng công suất toàn hệ thống.
Như vậy ta có thể thấy rằng, bài toán OPF là sự kết hợp của bài toán ED và giới hạn truyền tải
trong mạng điện, tức là khi không xét đến lưới điện thì bài toán ED chính là dạng đơn giản
của bài toán OPF.
Ta có sơ đồ thuật toán chung thiết kế và cải tạo mạng điện như sau:

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 20



Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 21

Thiết kế và cải tạo lưới điện


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện

2.1 Mô hình cơ bản bài toán trào lưu công suất tối ưu OPF
2.1.1 Công thức tổng quát của bài toán
Cho một hệ thống gồm m máy phát đang làm việc và các phụ tải S Di. Hãy tìm PGi và |Vi| (i=1,
m

CT = ∑ Ci (PGi )
2, 3,..., m) để cực tiểu hàm tổng chi phí sản xuất của hệ thống.

i =1

đồng thời thỏa mãn ràng buộc cân bằng công suất và các ràng buộc bất đẳng thức về công
suất phát của các nhà máy, dòng công suất truyền tải trên đường dây (đối với tất cả các đường
dây) và biên độ điện áp nút.
min ≤ P ≤ P max ,
PGi
Gi
Gi

i = 1,2,3,..., m


(

Iij ≤ Iijmax Sij ≤ Sijmax , Pij ≤ Pijmax
Vi

min

≤ Vi ≤ Vi

max

,

)

i = 1,2,3,..., m,..., n

Phần dưới đây sẽ giải thích tóm tắt về các ràng buộc nói trên
1. Hệ phương trình trào lưu công suất phải được thỏa mãn (đây là ràng buộc đẳng thức
của bài toán tối ưu)
2. Giới hạn trên của PGi được xác định bởi giới hạn nhiệt của hệ máy phát turbine, giới
hạn dưới của PGi được xác định bởi nồi hơi và xem xét các nhiệt động khác.
3. Ràng buộc về điện áp nhằm giữ điện áp các nút trong hệ thống gần với giá trị định
mức, do đó giúp giữ điện áp của các hộ tiêu thụ điện; điện áp không được quá cao hoặc quá
thấp
4. Ràng buộc về dòng công suất truyền tải trên đường dây liên quan đến giới hạn nhiệt
và giới hạn ổn định tĩnh
5. Bài toán trên chỉ xem xét công suất phát tác dụng và biên độ điện áp nút của mỗi
máy phát là các biến điều khiển. Nó có thể được mở rộng thêm các biến điều khiển khác như

góc pha của máy biến áp dịch pha, đầu phân áp của máy biến áp.
6. Cực tiểu tổng chi phí sản xuất của hệ thống với các ràng buộc đẳng thức và bất đẳng
thức là một bài toán quy hoạch phi tuyến.
2.1.2 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của các máy phát
Đối với các tổ máy nhiệt điện, đặc tính vào - ra được gọi là đặc tính tiêu hao nhiên liệu
hoặc đặc tính chi phí nhiên liệu. Đơn vị của tiêu hao nhiên liệu là MBTu/h (BTu là đơn vị
nhiệt của Anh, British thermal units). Đơn vị của chi phí nhiên liệu là $/h (đồng/h). Công suất
ở đầu ra của các máy phát điện là PG (MW).

Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 22


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện

Bên cạnh chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành của tổ máy phát còn bao gồm chi phí
nhân công, chi phí bảo dưỡng, chi phí vận chuyển nhiên liệu. Các chi phí này được coi là một
thành phần cố định trong chi phí vận hành vì rất khó biểu diễn các chi phí này theo công suất
phát của các tổ máy phát.
Nói chung, một hệ thống nhiệt điện bao gồm nồi hơi (boiler), turbine hơi (steam
turbine) và máy phát điện (generator). Đầu vào và đầu ra của nồi hơi tương ứng là nhiên liệu
và thể tích hơi. Đầu vào của hệ turbine - máy phát là thể tích hơi và đầu ra là công suất điện.
Đặc tính vào - ra của các tổ máy nhiệt điện không phải là một hàm tuyến tính. Đặc tính vào ra được sử dụng rộng rãi nhất có dạng như sau:
C = α + βPG + γPG2

α, β, γ

Trong đó:


là các hệ số dương

Hình 2 Đặc tính vào ra của các máy phát nhiệt điện
Các hệ số của đặc tính vào ra có thể được xác định bằng cách dựa vào:
- Các thí nghiệm về hiệu suất của máy phát
- Hồ sơ vận hành của máy phát
- Dữ liệu thiết kế máy phát được cung cấp bởi nhà sản xuất
2.1.3 Hàm mục tiêu
Thông thường, hàm mục tiêu của bài toán trào lưu công suất tối ưu (OPF) là cực tiểu
tổng chi phí sản xuất của hệ thống, được diễn tả như sau:
NG

J = ∑ C i ( Pi )
i=1

min
Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 23


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện

Trong đó: NG là tổng số máy phát trong hệ thống điện
2.1.4 Các ràng buộc cơ bản trong bài toán OPF
Trong bài toán OPF, các ràng buộc bao gồm:
o Cân bằng công suất trong hệ thống điện
o Giới hạn dòng công suất trên các đường dây: dòng công suất trên đường dây phải nhỏ
hơn giá trị cực đại cho phép theo điều kiện phát nóng hoặc điều kiện ổn định tĩnh, việc
xét giới hạn dòng công suất trên đường dây có thể bỏ qua tổn thất công suất truyền tải

hoặc xét chính xác phải xét được cả lượng công suất tổn thất vào giới hạn truyền tải và
cân bằng công suất trong hệ thống điện
o Giới hạn về điện áp nút, điện áp các nút phải nằm trong giới hạn cho phép
o Giới hạn về công suất phát của các tổ máy nhiệt điện
o Giới hạn về góc pha giữa vec tơ điện áp hai nút đầu và cuối đường dây (điều kiện ổn
định của hệ thống điện)
Các ràng buộc trên làm cho bài toán trở nên rất phức tạp và phải dùng các thuật
toán khó hơn, trong đó bao gồm cả tính toán chính xác phân bố dòng công suất trên lưới điện.
Không phải lúc nào và với mọi hệ thống điện đều phải tính đến tất cả các giới hạn trên, tùy
tình hình cụ thể mà một hạn chế nào đó được tính đến. Tùy theo nhu cầu, bài toán OPF có thể
bao gồm các biến điều khiển và các ràng buộc khác nhau. Các biến điều khiển của bài toán
OPF có thể là:
• Công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát.
• Công suất của tụ bù có điều khiển.
• Công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải (sa thải phụ tải).
• Nấc phân áp của máy biến áp có điều áp dưới tải, …
Dưới đây là mô hình tổng quát của bài toán OPF, với hàm mục tiêu là cực tiểu chi
phí sản xuất của hệ thống sao cho thỏa mãn các ràng buộc thông thường của hệ thống.
2.1.4.1 Hệ phương trình trào lưu công suất, giới hạn công suất truyền tải trên
đường dây
- Ràng buộc cân bằng công suất nút:

P =| U | N | U | (G cos δ + B sin δ )
i ∑
k
ik
ik
ik
ik
 i

k =1

N
Qi =| U i | ∑ | U k | (G ik sin δ ik − Bik cos δ ik )

k =1
Trong đó: Gik, Bik: thành phần điện dẫn tác dụng và điện dẫn phản kháng của điện dẫn giữa 2
nút i và k

δ ik

: góc pha điện áp giữa 2 nút i và k

- Ràng buộc giới hạn công suất truyền tải trên đường dây:
Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 24


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế và cải tạo lưới điện

Hệ phương trình dòng công suất trên đường dây

Pik =| U i || U k | [ G ik cos δ ik + Bik sin δ ik ] − G ik | U i |2

PI
2
Qi =| U i || U k | [ G ik sin δ ik − Bik cos δ ik ] + [Bik -b ik ] | U i |
bikPI
Trong đó:


: thành phần điện dẫn phản kháng trong sơ đồ thay thế hình PI dưới đây

bikPI
(

= bik0)

Ràng buộc giới hạn công suất truyền tải:

0 ≤ Sik ≤ Pik2 + Qik2 ≤ Sikmax
2.1.4.2 Giới hạn công suất phát
Ràng buộc bất đẳng thức công suất tác dụng và công suất phản kháng của các máy
phát được mô tả như sau:

Pi min ≤ Pi ≤ Pi max
Qimin ≤ Qi ≤ Qimax
i = 1, 2,..., NG
Trong đó:
Pimin, Pimax - giới hạn dưới và giới hạn trên công suất tác dụng của máy phát thứ i;
Qimin, Qimax - giới hạn dưới và giới hạn trên công suất phản kháng của máy phát thứ i;
nG – số máy phát trong hệ thống điện.
2.1.4.3 Giới hạn điện áp nút
Ràng buộc bất đẳng thức này đảm bảo điện áp tại các nút khác nhau trong hệ thống
điện được giữ trong vùng giới hạn cho trước. Điện áp tại các nút máy phát (nút PV) được giữ
Nguyễn Văn Hưng - Kĩ thuật điện 1 - K56Trang 25