Khoa học

Giám sát và tính toán trực tuyến: Giải pháp nâng cao khả năng tải của đường dây tải điện

00:04 |21/07/2012

 - 

Đường dây trên không là một phần tử vô cùng quan trọng trong hệ thống điện, là cầu nối để đưa năng lượng điện từ các nhà máy xa xôi đến được với từng khu vực sử dụng, những nơi mà nhu cầu tiêu thụ điện ngày một tăng cao cùng với sự phát triển không ngừng của đời sống xã hội. Các đường dây thường có độ dài lớn và đi qua nhiều vùng miền với các điều kiện thời tiết khác nhau.

Nguyễn Vũ Hiệp, Trần Anh Thái

Điều kiện thời tiết (như mưa, tốc độ gió, nhiệt độ môi trường…) ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phát nhiệt của dây dẫn, từ đó ảnh hưởng lớn đến khả năng tải của đường dây. Nếu tận dụng không hết khả năng tải đường dây trên không, sẽ làm lãng phí rất lớn tài nguyên lưới điện. Ngược lại, nếu tận dụng quá mức cho phép, có thể sẽ là mối đe doạ tiềm năng rất lớn đối với sự vận hành ổn định của hệ thống điện truyền tải. Đặc biệt nghiêm trọng là hiện tượng tụt lèo do phát nhiệt, dẫn đến sự cố vĩnh cửu nguy hiểm, gây mất ổn định cho hệ thống cung cấp điện, thiệt hại rất lớn cho nền kinh tế. Rõ ràng, việc tận dụng hợp lý khả năng tải của đường dây là một vấn đề bức thiết, và thực tế đã được quan tâm nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới.

Thấy được vai trò quan trọng của vấn đề này, Công ty ATS đã phát triển hệ thống tính toán giám sát trực tuyến đường dây trên không (ĐDTK). Module này được tích hợp trong chương trình giám sát trực tuyến, trong đó ứng dụng giám sát khả năng tải máy biến áp. Module giám sát ĐDTK sử dụng những mô hình tính toán dựa trên tiêu chuẩn CIGRE WG 22.12 (The thermal behabior of overhead conductor, 1992) và một số nghiên cứu của một số tác giả khác, để tính toán dự báo khả năng vận hành của ĐDTK trong các điều kiện thời tiết thực tế nhằm khai thác tối đa khả năng tải, cũng như giảm thiểu sự cố trong vận hành ĐDTK.

Phương pháp luận

1. Tiêu chuẩn áp dụng

Khả năng tải cực đại của đường dây truyền tải điện trên không đã được quan tâm đúng mức trong một thời gian dài. Mô hình đánh giá khả năng tải trong trạng thái xác lập dựa trên phương trình cân bằng nhiệt của dây dẫn đã được giới thiệu vào năm 1956 (House và Tuttle, 1956). Khả năng tải ngắn hạn của dây dẫn trên đường dây truyền tải điện đã được Davidson giới thiệu vào năm 1969 trong đó sử dụng phương pháp Euler để giải phương trình vi phân nhiệt của dây dẫn. Mô hình thời tiết đánh giá khả năng tải của đường dây truyền tải điện lần đầu tiên đã được giới thiệu tại hội nghị chuyên đề của Cigré năm 1985.

Module tính toán của ATS được phát triển dựa trên cơ sở lý thuyết của mô hình theo tiêu chuẩn CIGRE WG 22.12 ( The thermal behabior of overhead conductor, 1992) và một số nghiên cứu của một số tác giả khác.

2. Mô hình tính toán

Sơ đồ khối của mô hình tính toán được mô tả trong Hình 1.

Hình 1. Sơ đồ khối cơ bản của chương trình giám sát khả năng tải ĐDTK theo thời gian thực

Mô hình tính toán nhiệt:

Điều kiện thời tiết hiện tại và dự báo trong tương lai ở một vài vị trí dọc trên tuyến đường dây truyền tải trên không quyết định dòng điện cực đại mà đường dây có thể truyền tải ở thời điểm t. Khi đó nhiệt độ dây dẫn Tc ở một vài đoạn đường dây không vượt quá nhiệt độ cực đại cho phép khi thiết kế Tmax của đường dây. Trong giới hạn của bài báo này, chỉ xin giới thiệu với độc giả một số phương trình tính toán cơ bản nhất.

Theo Cigre WG 22.12, có thể tính nhiệt độ trung bình của dây dẫn bằng cách giải phương trình vi phân sau:

Trong đó:

M=x.A Khối lượng riêng của dây dẫn, kg/m

A Tiết diện dây dẫn, m2

Pj Nhiệt sinh ra do hiệu ứng Joule, W/m

Ps Nhiệt sinh ra do bức xạ mặt trời, W/m

Pm Nhiệt sinh ra do do từ trường, W/m

Pr Nhiệt mất đi do bức xạ dây dẫn, W/m

Pc Nhiệt mất đi do đối lưu, W/m

Đối lưu cưỡng bức:

Đối lưu tự nhiên:

Với: Nu là số Nusselt

Gr là số Grasshof

Pr là số Prandt’s

Pw Nhiệt mất đi do bay hơi nước, W/m

Pi Nhiệt sinh ra do vầng quang, W/m

Khả năng mang tải của đường dây truyền tải thay đổi theo các điều kiện vận hành, nhiệt độ dây dẫn và điều kiện thời tiết. Bình thường, khả năng mang tải của đường dây truyền tải dựa vào giá trị cực đại của nhiệt độ dây dẫn xác định bởi loại dây dẫn và tuỳ thuộc vào các điều kiện vận hành sau:

Trạng thái xác lập: Nhiệt trên đường dây làm việc ở trạng thái xác lập sinh ra do dòng điện trên đường dây và bức xạ mặt trời cân bằng với nhiệt mất đi do bức xạ và đối lưu. Trong trạng thái xác lập, dòng điện trên đường dây được xem như là hằng số, điều kiện thời tiết và nhiệt độ dây dẫn không đổi.

Lời giải trong trạng thái xác lập thu được bằng cách đặt trong phương trình (1), từ đó ta có:

- Trạng thái động: Dây dẫn của đường dây truyền tải ở trạng thái động khi có quá tải ngắn hạn trên đường dây hoặc khi tải thay đổi nhảy bậc. Trong trạng thái động, khả năng tích lũy nhiệt của dây dẫn được xem xét cho phép khả năng tải của đường dây được nâng cao trong thời gian ngắn hạn. Nhiệt độ của dây dẫn trong trạng thái động được xác định bằng cách giải phương trình vi phân (1):

Áp dụng phương pháp Euler (Davidson, 1969) ta có :

Với Ti là nhiệt độ ban đầu

Chương trình giám sát khả năng tải đường dây theo thời gian thực

1. Các chức năng cơ bản của chương trình

• Chức năng thu thập và quản trị dữ liệu:

- Các dữ liệu về đặc tính của ĐDTK, đặc tính thời tiết sẽ được nhập bằng tay qua giao diện Line hoặc file data.txt

- Các dữ liệu về nhiệt độ môi trường, dòng tải sẽ được chương trình kết nối với cơ sở dữ liệu thời gian thực hoặc quá khứ của @Station bằng giao diện DDE hoặc OPC.

• Chức năng tính toán: mọi tính toán được thực hiện theo chu kì đến 1 phút

- Tính toán nhiệt độ dây dẫn

- Tính toán dòng tải lớn nhất cho phép trong 24h

- Tính toán dòng cho phép trong các khoảng thời gian 5,10,15,20,30 phút

- Tính toán thời gian quá tải cho phép

- Tính toán dòng ngắn mạch lớn nhất cho phép

• Chức năng hiển thị

- Hiển thị số liệu đo cũng như tính toán theo bảng, đồng hồ và đồ thị

- Hiển thị đồ thị nhiệt độ trong quá khứ

Hình 3. Giao diện kết quả tính toán đường dây

• Chức năng mô phỏng

Chức năng này thực hiện tính toán với các dữ liệu giả định. Nhân viên vận hành có thể chuyển sang chế độ manual để tính toán với các dữ liệu giả định trong một khung thời gian xác định. Ví dụ, chức năng mô phỏng được sử dụng trong những trường hợp cần tính toán thời gian quá tải cho phép của đường dây còn lại khi muốn tách một trong hai đường dây đang vận hành song song.

Hình 4. Giao diện DataSetting

Chức năng xuất báo cáo

Các kết quả tính toán có thể được xuất ra dưới dạng các file excel, phục vụ công tác lưu trữ và báo cáo.

2. Ưu điểm của chương trình

Khả năng kết nối dữ liệu theo chuẩn: Module có thể kết nối với các loại cơ sở dữ liệu thời gian thực bằng giao diện DDE và OPC, đem đến tính tương thích cao đối với các server thu thập dữ liệu khác.

Sử dụng đơn giản: Các thao tác nhập xuất dữ liệu đều có thể thực hiện trên các file dạng (*.txt) và (*.xls).

Nâng cao khả năng tải của đường dây: Kết quả tính toán của module cho thấy sự khác biệt lớn về khả năng tải của đường dây trong các điều kiện thời tiết khác nhau. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong vận hành, đặc biệt là với những nơi thời tiết thay đổi lớn theo mùa trong năm. Nếu như trước đây, khả năng tải của đường dây được xác định cố định theo các thông số thiết kế, thì với module tính toán này, khả năng tải của đường dây đã được xem xét toàn diện hơn, đem đến các biện pháp vận hành hợp lý hơn theo thời tiết từng vùng, từng mùa, từng thời điểm nhất định trong năm. Điều này rõ ràng có ý nghĩa rất lớn trong việc tận dụng tài nguyên lưới điện, cũng như giảm thiểu các sự cố nghiêm trọng đối với đường dây trong công tác truyền tải điện năng.

Với các ưu điểm trên, module giám sát đường dây sẽ tạo điều kiện cho các công ty điện lực và truyền tải điện nâng cao khả năng tải của hệ thống điện, đảm bảo sự vận hành an toàn cho đường dây và tiết kiệm đầu tư.

Hình 5. File kết quả tính toán Online

Các vấn đề cần được tiếp tục xem xét

Hiện tại, module giám sát ĐDTK đang sử dụng các dữ liệu liên quan đến thời tiết ở dạng giả định, theo thời tiết điển hình của từng vùng mà đường dây đi qua. Chính vì vậy, để nâng cao độ chính xác của các tính toán, nhất thiết phải nghiên cứu xây dựng một hệ thống giám sát thời tiết dọc theo tuyến đường dây, và điều này đã được thực hiện rất nhiều trên thế giới. Khi các dữ liệu thời tiết được lấy trực tuyến và chính xác, kết quả tính toán theo module sẽ đem đến những thông tin hết sức hữu ích cho việc vận hành đường dây trên thực tế.

Nguyễn Vũ Hiệp, Trần Anh Thái - Công ty ATS




TÒA SOẠN TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM
Phòng 406-407-408, Tòa nhà Văn phòng, số 87 Láng Hạ, Ba Đình, Hà Nội.
Email: toasoan@nangluongvietnam.vn

Liên hệ Thư ký Tòa soạn: Mai Văn Thắng (Hotline: 0969998822)

Liên hệ Giám đốc Trung tâm Đối ngoại: Lê Mỹ (Hotline: 0949723223)

Liên hệ Trung tâm Quảng cáo: Nguyễn Tiến Sỹ (Hotline: 0969998811) - Phan Thanh Dũng (Hotline: 0942632014)

Trang TTĐT của Tạp chí Năng lượng Việt Nam hoạt động theo Giấy phép số: 66/GP-TTĐT, cấp ngày 30/3/2018
của Cục Quản lý Phát thanh, Truyền hình và Thông tin Điện tử - Bộ Thông tin - Truyền thông.

Based on MasterCMS 2012 ver 2.3