Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Văn Tiến CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Cùng với sự tăng trưởng của nền kinh tế quốc dân, hệ thống điện Việt Nam không ngừng phát triển, luôn đi trước một bước nhằm phục vụ đắc lực cho sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã góp phần đẩy mạnh quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Bên cạnh sự phát triển của các ngành công nghiệp khác thì năng lượng nói chung, ngành Điện nói riêng trong những năm gần đây đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Điện lực là một ngành kinh tế then chốt của nền kinh tế. Do xác định được vị trí và tầm quan trọng của ngành công nghiệp điện lực trong nền kinh tế quốc dân, từ nhiều năm nay, mặc dù có những khó khăn về nhiều mặt, Đảng và Nhà nước ta đã dành sự quan tâm lớn cho việc đầu tư, phát triển nguồn điện từ trung ương đến các địa phương. Đặc biệt, hơn một thập kỉ qua, ngành điện lực được coi là hướng ưu tiên phát triển hàng đầu. Bởi lẽ nó là động lực của sự vận hành toàn bộ nền kinh tế và đáp ứng như cầu về dân sinh ngày càng cao của mọi tầng lớp nhân dân. Trong sự nghiệp “công nghiệp hóa, hiện đại hóa” đất nước, vai trò của ngành điện lực lại được nhân lên gấp bội. 1.1 Vai trò của lưới điện phân phối trong hệ thống điện Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây truyền tải và phân phối được kết nối với nhau thành hệ thống thống nhất làm nhiệm vụ sản xuất , truyền tải và phân phối điện năng. Tùy theo mục đích nghiên cứu mà hệ thống điện được chia thành các phần hệ thống tương đối độc lập nhau. Về mặt quản lý vận hành, HTĐ được chia thành:  Các nhà máy điện.  Lưới điện cao áp, siêu cao áp ( ≥ 220kV) và các trạm khu vực do các công ty truyền tải quản lý .  Lưới truyền tải 110kV và phân phối do các công ty điện lực quản lý. SVTH: Châu Nguyên Việt – Lớp 06D2 Trang 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Văn Tiến Về mặt điều độ được chia thành 3 cấp:  Điều độ quốc gia (A0).  Điều độ các miền (A1,A2,A3).  Điều độ các điện lực, các nhà máy điện. Về mặt nghiên cứu tính toán, HTĐ được chia ra thành:  Lưới hệ thống 500kV.  Lưới truyền tải 110,220kV.  Lưới phân phối trung áp 6,10,15,22 và 35kV.  Lưới phân phối hạ áp 0,4kV. Hệ thống điện phát triển không ngừng trong không gian, theo thời gian và để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của phụ tải rất nhiều các nhà máy điện có công suất lớn được đầu tư xây dựng. Tuy nhiên vì lý do kinh tế và môi trường mà các nhà máy thường được xây dựng ở những gần nguồn nhiên liệu hoặc chuyên chở nhiên liệu thuận lợi, ít tốn kém. Trong khi đó các trung tâm phụ tải lại ở xa, do vậy phải dung lưới truyền tải điện năng đến các hộ tiêu thụ. Đồng thời vì lý do kinh tế cũng như an toàn, người ta không thể cung cấp trực tiếp cho các hộ tiêu thụ bằng lưới truyền tải có điện áo cao mà phải dùng lưới phân phối có cấp điện áp thấp hơn. Chính vì lẽ đó lưới điện phân phối sẽ làm nhiệm vụ phân phối điện năng cho một địa phương (thành phố ,quận, huyện …) có bán kính thường nhỏ, thường dưới 50km. 1.2 Đặc điểm lưới phân điện phối Do vai trò là cung cấp điện trực tiếp đến khách hàng của địa phương nhỏ nên lưới điện phân phối thường có điện áp trung áp 6, 10, 15, 22, 35kV phân phối điện cho các trạm phân phối trung hạ áp. Lưới hạ áp 220/380V sẽ nhận điện từ các trạm biến áp trung áp này cấp điện cho các phụ tải hạ áp. Thông thường lưới điện phân phối trung hạ áp được nhận điện từ :  Thanh cái thứ cấp các trạm biến áp 110, 220kV.  Các trạm biến áp trung gian 35/6kV, 35/10kV, hoặc 35/22kV. SVTH: Châu Nguyên Việt – Lớp 06D2 Trang 2 Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Văn Tiến  Thanh cái nhà máy điện, trạm diezen … Sơ đồ cấp điện của lưới điện phân phối có các dạng cơ bản sau: 1.2.1 Sơ đồ hình tia Đây là loại sơ đồ đơn giản và thông dụng nhất (hình 1.1). Từ trạm nguồn có nhiều xuất tuyến đi ra cấp điện cho từng nhóm trạm phân phối. Trục chính của các xuất tuyến này được phân đoạn để tăng độ tin cậy cung cấp điện. Thiết bị phân đoạn có thể là cầu chì, dao cách ly, máy cắt hoặc các Recloser có thể tự động đóng lặp lại. Giữa các trục chính của một trạm nguồn hoặc giữa các trạm nguồn khác nhau có thể được nối liên thông với nhau để dự phòng sự cố, cắt điện công tác đột ngột trên đường trục hay các trạm biến áp nguồn. Máy cắt và dao cách ly liên lạc được trong khi làm việc để vận hành hở. Các phụ tải điện sinh hoạt 0,4kV được cung cấp từ các trạm biến áp phân phối. Mỗi trạm biến áp phân phối là sự kết hợp giữa cầu chì, máy biến áp và tủ điện phân phối hạ áp. Đường dây hạ áp 0,4kV của trạm biến áp phân phối thường có cấu trúc hình tia. Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống phân phối hình tia cải tiến 1.2.2 Sơ đồ mạch vòng Thường được áp dụng cho lưới điện phân phối đòi hỏi độ tin cậy cung câp điện và chất lượng điện năng cao (hình 1.2). Các xuất tuyến được cấp điện trực tiếp từ các SVTH: Châu Nguyên Việt – Lớp 06D2 Trang 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Văn Tiến trạm khác nhau và trên mỗi tuyến đều có 2 máy cắt ở hai đầu. Các trạm biến áp phân phối được đấu liên thông và mỗi máy biến áp đều có 2 dao cách ly đặt ở hai phía. Máy biến áp được cấp điện từ phía nào cũng được. Sơ đồ mạch vòng này thường được áp dụng cho lưới phân phối dùng cáp trung thế. Hình 1.2: Sơ đồ hình vòng phía cao áp hình tia phía hạ áp Trong thực tế, lưới điện phân phối tại Việt Nam là sự phối hợp của 2 loại sơ đồ trên. Chúng bao gồm nhiều trạm trung gian được nối liên thông với nhau bởi một mạng lưới đường dây phân phối tạo thành nhiều mạch vòng kín. Đối với các khu vực đòi hỏi độ tin cậy cung cấp điện cao thì sơ đồ lưới phân phối thường được áp dụng kiểu sơ đồ dạng thứ hai. Tuy có kết cấu mạch vòng nhưng hầu hết lưới phân phối luôn vận hành hở ( hay vận hành hình tia ). Các lý do chính để vận hành hở có thể nêu vắn tắt như sau:  Tổng trở lưới phân phối vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận hành kín nên dòng ngắn mạch bé khi sự cố. Chính vì thế chỉ cần vhonj các thiết bị đóng cắt có dòng ngắn mạch chịu đựng và dòng cắt ngắn mạch bé khi tính toán lựa chọn thiết bị dẫn đến làm giảm đáng kể chi phí đầu tư. SVTH: Châu Nguyên Việt – Lớp 06D2 Trang 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Văn Tiến  Trong vận hành hở, các rơle bảo vệ các xuất tuyến chỉ cần chọn các loại rơle đơn giản, rẻ tiền như rơle quá dòng,áp thấp … mà không phải trang bị các loại rơle phức tạp như rơle định hướng công suất, rơle khoảng cách, rơle so lệch… Chính vì thế mà việc phối hợp rơle dễ dàng hơn, chi phí đầu tư cũng giảm xuống.  Chỉ cần dùng cầu chì tự rơi để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên cùng một đoạn trục và phối hợp các với các Recloser để tránh các sự cố thoáng qua.  Khi sự cố, do vận hành hở nên phạm vi mất điện bé và sự cố không lan tràn qua các phụ tải khác.  Điều chỉnh điện áp trên mỗi tuyến đường dây dễ dàng hơn. Nếu chỉ xem xét đến giá xây dựng mới lưới phân phối thì phương án kinh tế là các lưới hình tia Tuy nhiên khi vận hành hở LPP như vậy thì tổn thất công suất, tổn thất điện năng và chất lượng điện áp luôn luôn kém hơn khi LPP được vận hành kín. Để khắc phục tình trạng này và tạo tính linh hoạt trong các LPP vận hành hở, cần phải xác định các trạng thái đóng cắt của DCL phân đoạn như thế nào để cực tiều hóa tổn thất công suất, điện năng hay một hàm chi phí F định trước. Trong công tác vận hành, LPP được điều khiển thống nhất cho phép vận hành kinh tế trong trạng thái bình thường và rất linh hoạt trong tình trạng sự cố đảm bảo độ tin cậy cao. Với sự trợ giúp của máy tính và hệ thống SCADA/EMS, điểm mở lưới để vận hành được thay đổi thường xuyên trong quá trình vận hành khi đồ thị phụ tải thay đổi. Khi xảy ra sự cố, máy tính cũng tính ngay cho phương án vận hành thay thế tôt nhất và nhân viên vận hành sẽ thực hiện các sơ đồ tối ưu bằng các thiết bị điều khiển từ xa. Trong trương hợp không có các thiết bị điều khiển và đo lường từ xa thì vẫn có thể vận hành kinh tế nhưng theo mùa trong năm. Người ta tính chọn sơ đồ vận hành tối ưu cho khoảng thời gian trong đó phụ tải gần giống nhau( thường là trong từng mùa do điều kiện khí hậu các ngày giống nhau), sau đó thao tác các thiết bị phân đoạn để thực hiện 1.2.3 Các vấn đề thương xảy ra trong lưới điện phân phối  Tổn thất điện áp SVTH: Châu Nguyên Việt – Lớp 06D2 Trang 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Văn Tiến Khi có dòng điện chạy qua bất kỳ các phần tử trong hệ thống điện( ví dụ như đường dây và máy biến áp…) thì sẽ xảy ra hiện tượng TTĐA trên chúng. Hiện tượng này làm cho điện áp đầu nguồn và phụ tải chênh lệch nhau và thường thì điện áp ở đầu nguồn lớn hơn so vơi điện áp ở cuối nguồn. Độ sụt áp là hiệu giữa độ lớn điện áp • 1 U và • 2 U : • • S 1 2 ΔU = U -U (1.1) Do có sự tham gia của thành phần điện kháng nên theo lý thuyết S ΔU >ΔU . Tuy nhiên trong thực tế, đối với LPP thì góc lệch δ là rất nhỏ (cỡ o o 3 ÷5 ) nên sự sai khác giữa 2 đại lượng này lấy thành phần TTĐA dọc trục U∆ để đo độ sụt áp. Độ lệch điện áp so với định mức như sau: 1 dm dm U -U ΔU= 100% U (1.2) Với U là điện áp thực tế trên tải tiêu thụ. Theo quy định thì ở chế độ vận hành bình thường độ lệch điện áp không được vượt quá 5% ± so với điện áp định mức và trong trương hợp sự cố độ lệch điện áp nằm trong phạm vi dm dm 0.95% 1.05%U U U≤ ≤ .  Tổn thất công suất Tổn thất công suất trên lưới được chia thành 2 loại cơ bản sau:  Tổn thất kỹ thuật: Là tổn thất sinh ra do tính chất vật lý của quá trình tải điện. Tổn thất này phụ thuộc tính chất của dây dẫn và vật liệu cách điện, điều kiện môi trường , dong điện và điện áp. SVTH: Châu Nguyên Việt – Lớp 06D2 Trang 6 ∆ U ∆U S U 1 U 2 I  hình 1.3: sơ đồ độ lệch điện áp p Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Văn Tiến  Tổn thất kinh doanh (tổn thất phi kỹ thuật): Là tổn thất trong khâu kinh doanh điện gồm điện năng tiêu thụ nhưng không đo được, điện năng đo được nhưng không được vào hóa đơn, chứng từ … Ngoài các yếu tố như đã nêu trên, ở một số nơi trong LPP còn xảy ra một số vấn đề khác như độ không sin của điện áp, hiện tượng sóng hài…tuy nhiên ảnh hưởng của chúng là không phổ biến. 1.3 Những yêu cầu đối với lưới điện phân phối Mục tiêu chính là đảm bảo cho hộ tiêu thụ luôn luôn đủ điện năng với chất lượng nằm trong phạm vi cho phép. Có các yêu cầu chính sau đây: 1.3.1 Độ tin cậy cấp điện Mức độ đảm bảo cấp điện liên tục và đáng tin cậy thay đổi tùy thuộc vào loại và cách sử dụng các phụ tải hay sự gia tăng cung cấp điện của hệ thống. Có các loại phụ tải sau:  Phụ tải loại 1: là những hộ tiêu thụ mà khi sự cố ngừng cấp điện có thể gây nên những hậu quả nguy hiểm đến tính mạng con người, làm thiệt hại lớn về kinh tế, dẫn đến hư hỏng các thiết bị, gây rối loạn các quá trình công nghệ phức tạp, hoặc làm hỏng hàng loạt sản phẩm, hoặc có ảnh hưởng không tốt về phương diện chính trị (ví dụ như hội trường quốc hội, nhà khách chính phủ, đại sứ quán, sân bay, bệnh viện, hầm mỏ, khu công nghệ cao…). Đối với hộ tiêu thụ điện loại một phải được cấp điện với độ tin cậy cao, thường dùng hai nguồn đi đến, đường dây hai lộ đến, có nguồn dự phòng… nhằm hạn chế mức thấp nhất về sự cố mất điện. Thời gian mất điện thường được xem bằng thời gian đóng nguồn dự trữ.  Phụ tải loại 2: là những hộ tiêu thụ mà nếu ngừng cấp điện sẽ dẫn đến thiệt hại về kinh tế do ngừng trệ sản xuất, hư hỏng sản phẩm, lãng phí sức lao động…(như phân xưởng cơ khí, xí nghiệp công nghiệp nhẹ…). Hộ tiêu thụ loại này có thể dùng phương án có hoặc không có nguồn dự phòng, đường dây một lộ hay lộ kép. Việc chọn phương án cần dựa vào kết quả so sánh giữa vốn đầu tư phải tăng thêm nguồn dự phòng và giá trị thiệt hại kinh tế do ngừng cấp điện. Hộ loại hai cho phép ngừng cấp điện trong thời gian đóng nguồn dự trữ bằng tay. SVTH: Châu Nguyên Việt – Lớp 06D2 Trang 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Văn Tiến  Phụ tải loại 3: là tất cả những hộ còn lại ngoài hộ loại 1 và hộ loại 2, tức là những hộ cho phép cấp điện với mức độ tin cậy thấp, cho phép mất điện trong thời gian sửa chữa, thay thế thiết bị sự cố, nhưng thường không cho phép quá một ngày đêm (24 giờ) như các khu nhà ở, các kho , các trường học, hoặc lưới cấp điện cho nông nghiệp. Đối với hộ tiêu thụ loại này có thể dùng một nguồn điện, hoặc đường dây một lộ. Cách phân loại như trên nhằm có sự chọn lựa hợp lí về sơ đồ và các giải pháp cấp điện bảo yêu cầu kinh tế-kỹ thuật, độ tin cậy cũng như chất lượng điện năng cho các đối tượng cần cấp điện. 1.3.2 Chất lượng điện Chất lượng điện được đánh giá qua hai chỉ tiêu là tần số và điện áp. Chỉ tiêu tần số do cơ quan điều khiển hệ thống điện quốc gia điều chỉnh mang tính toàn cục. Chất lượng điện áp mang tính cục bộ nên các công ty điện lực cần phải đảm bảo cho khách hàng mà mình quản lí. Nói chung điện áp lưới trung thế và hạ áp chỉ cho phép dao động quanh giá trị định mức ±5 %. Ở những xí nghiệp phân xưởng yêu cầu chất lượng điện áp cao như may, hóa chất, cơ khí chính xác, điện tử chỉ cho phép dao động điện áp ±2.5%. 1.3.3 An toàn Công trình thiết kế cấp điện phải có tính an toàn cao: an toàn cho người vận hành, người sử dụng và an toàn cho chính các thiết bị điện và toàn bộ công trình. Người thiết kế ngoài việc tính toán chính xác, chọn dùng đúng các thiết bị và khí cụ điện còn phải nắm vững về những quy định an toàn, hiểu rõ môi trường lắp đặt hệ thống cấp điện và những đặc điểm của đối tượng cấp điện. Khâu lắp đặt cũng có ý nghĩa hết sức quan trọng làm nâng cao hay hạ thấp tính an toàn của hệ thống điện. Cuối cùng người vận hành và sử dụng điện phải tuyệt đối tuân thủ triệt để các quy tắc an toàn và quy trình sử dụng, vận hành. 1.3.4 Kinh tế Chỉ tiêu kinh tế cao của mạng điện là do:  Gíá vốn đầu tư, bảo trì di tu sửa chữa và vận hành là thấp nhất.  Tổn thất dọc đường dây là ít nhất. SVTH: Châu Nguyên Việt – Lớp 06D2 Trang 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Văn Tiến Quan điểm kinh tế-kỹ thuật phải biết vận dụng linh hoạt tùy theo từng đối tượng cấp điện và tùy thuộc vào từng giai đoạn phát triển. Khi thiết kế hay nâng cấp hệ thống cần đưa ra nhiều phương án, mỗi phương án đều có những ưu nhược điểm riêng, đều có những mâu thuẫn giữa hai mặt kinh tế - kỹ thuật. Phương án kinh tế không phải là phương án có vốn đầu tư ít nhất, phương án tổng hòa kinh tế-kỹ thuật sao cho thời hạn thu hồi vốn đầu tư là sớm nhất. Phương án được chọn là phương án tối ưu. Ngoài bốn yêu cầu chính nêu trên, khi thiết kế cần phải lưu ý sao cho hệ thống cấp điện thật đơn giản, dễ thi công, dễ vận hành, dễ sử dụng , dễ phát triển phụ tải sau này hay quy hoạch nâng cấp… 1.4 Các bài toán điển hình trong quản lý vận hành lưới điện phân phối Các bài toán điển hình sau đây thường được quan tâm nhiều trong công tác vận hành quản lý lưới điện phân phối: 1.4.1 Tối ưu hóa cấu trúc lưới điện phân phối Các hệ thống điện phân phối thường được hình thành và phát triển nhanh chóng tại các địa phương bắt đầu từ một thời kỳ khởi tạo nào đó. Cấu trúc tự nhiên được hình thành sau nhiều năm thường không hợp lý: sơ đồ chắp vá, công suất trạm không phù hợp va không nằm tại những vị trí tối ưu so với nơi tập trung phụ tải. Bài toán được đặt ra là cần phải xác định một cấu trúc hợp lý liên kết các đường dây và trạm sao cho hệ thống lưới điện phân phối phải đảm bảo nhu cầu điện năng trong một thời gian tương đối dài. Việc giải bài toán này thường là xây dựng và chọn lựa các tiêu chuẩn thiết kế như: tiêu chuẩn giới hạn lựa chọn tiết điện và khoảng cách dây dẫn đường trục, chọn gam công suất máy biến áp, chiều dài đường dây phân nhánh , số lộ xuất tuyến từ các trạm biến áp trung gian … 1.4.2 Điều khiển phương thức vận hành Đối với một tải tiêu thụ cho trước mà mạng điện cần phải truyền tải để cung cấp thì TTCS trong mạng,chất lượng điện áp hay độ tin cậy cung cấp điện là cao hay thấp sẽ phụ thuộc vào chính cấu trúc của mạng và luôn luôn tồn tại một cấu trúc mà trong đó tổn thất là nhỏ nhất hoặc tin cậy cung cấp điện là cao nhất. Chính vì vậy mà với một lưới phân điện phối có khả năng điều khiển như: đóng cắt thiết bị bù chuyển đổi đầu phân áp(dưới tải) các trạm biến áp, đóng cắt các thiết bị phân đoạn để thay đổi cấu hình SVTH: Châu Nguyên Việt – Lớp 06D2 Trang 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD: ThS. Nguyễn Văn Tiến hệ thống, thay đổi các phần tử làm việc song song… thì ở một trạng thái phụ tải đã biết cần phải xác định phương thức vận hành tối ưu nhằm đạt được hiệu quả vận hành kinh tế cao nhất. Phương thức vận hành cần đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật, chất lượng điện năng và tin cậy cung cấp điện. 1.4.3 Bù kinh tế công suất phản kháng trong lưới điện phân phối Bài toán được phân ra là tính toán dung lượng bù và lựa chọn vị trí lắp đặt hợp lý để nhận được hiệu quả kinh tế tối đa đối với hệ thống phân phối. Vấn đề cần được giải quyết là phải làm sao cho số tiền tiết kiệm được do việc tăng hiệu quả kinh tế hơn số tiền chi phí vào việc lắp đặt tụ bù. Trong tình hình hiện nay, khi mà lưới phân điện phối tại các tỉnh, thành phố khu vực miền trung đã và đang được nâng cấp cải tạo theo tiêu chuẩn 22kV, kết cấu lưới đang dần được hợp lý hóa để nâng cao khả năng cung cấp điện, các thiết bị đóng cắt, bảo vệ được trang bị những thiết bị có công nghệ tiên tiến thì vấn đề dược quan tâm hàng đầu tại các Công ty Điện Lực là làm sao lựa chọn một phương thức vận hành hợp lý để đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra. 1.4.4 Lựa chọn phương án vận hành lưới điện phân phối Như đã phân tích ở trên, LPP là lưới điện dùng để truyền tải điện năng trực tiếp đến các khách hàng , chính vì thế việc đảm bảo vận hành lưới điện sao cho an toàn, tin cậy và kinh tế là một việc làm hết sức quan trọng. Lưới điện phân phối trong khu vực thành thị có mức độ phức tạp cao hơn nhiều so với lưới điện truyền tải nên để tăng tin cậy cung cấp điện, thông thường chúng được thiết kế mạch vòng nhưng được vận hành với cấu trúc hình tia hay còn gọi là vận hành hở. Để đảm bảo tin cậy cung cấp điện và đảm bảo tính kinh tế trong vận hành hệ thống, các khóa điện( bao gồm MC, recloser, dao cắt có tải hay DCL) thường được thay đổi trạng thái trong các điều kiện vận hành khác nhau. Việc thay đổi trạng thái các loại khóa điện sẽ dẫn đến cấu hình lưới điện thay đổi theo. Trong lưới điện phân phối, sự thay dổi này nói chung phải thõa mãn một số hàm mục tiêu sau:  Tổng tổn thất công suất là nhỏ nhất: Min ΣΔP  Tổng tổn thất điện năng là nhỏ nhất: Min ΣΔA SVTH: Châu Nguyên Việt – Lớp 06D2 Trang 10