Tài liệu Lập trình tính toán chế độ xác lập của hệ thống phân phối swer

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- NGUYỄN ANH HUY LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HỆ THỐNG PHÂN PHỐI SWER Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số: 605251 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2015 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Nguyễn Văn Liêm. Chữ ký:…..... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . . Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. .............................................................. 2. .............................................................. 3. .............................................................. 4. .............................................................. 5. .............................................................. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Anh Huy. MSHV:12820134 Ngày, tháng, năm sinh: 30/03/1983. Nơi sinh: Huyện Lấp Vò - Tỉnh Đồng Tháp. Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện. Mã số : 605251 I. TÊN ĐỀ TÀI: Lập trình tính toán chế độ xác lập của hệ thống phân phối SWER II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng thuật toán để tính toán các giá trị điện áp, góc pha, công suất thực và công suất phản kháng ở chế độ xác lập của hệ thống phân phối SWER. Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế của hệ thống SWER và tính toán cho một thiết kế tiêu biểu lưới điện SWER trong thực tế. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/07/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/05/2015 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Nguyễn Văn Liêm. Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2015 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ (Họ tên và chữ ký) LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy Nguyễn Văn Liêm, người đã tận tình hướng dẫn, cung cấp những tài liệu vô cùng quí giá và giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô người đã giảng dạy và truyền đạt những tri thức khoa học giúp em hoàn thiện các kiến thức trong suốt quá trình theo học cao học. Con vô cùng biết ơn Cha Mẹ và gia đình nuôi con khôn lớn, luôn là chỗ dựa vững chắc về vật chất lẫn tinh thần, tạo mọi điều kiện để con được học tập, trưởng thành cho đến ngày hôm nay. Xin chân thành cảm ơn các Anh Chị, bạn bè cùng lớp Thiết bị, mạng và nhà máy điện khoá 2012 (đào tạo tại trường Đại Học Cần Thơ) đã giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như trong cuộc sống. Cần Thơ, tháng 05 năm 2015 Nguyễn Anh Huy Abstract The high cost of grid extension to rural areas, which are often characterized by scattered communities with low load densities, requires the use of low cost electrification technologies to ensure economic viability. In Single Wire Earth Return (SWER) power distribution networks, the earth itself forms the current return path of the single phase system leading to significant cost savings on conductors, poles and poletop hardware compared to conventional systems. However, challenges exist in SWER with regard to earthing and safety as well as the dependence on earth conductivity to supply consumer loads. This work presents models for the optimal planning of SWER power distribution networks. The earth return path is modeled as a conductor based on the Carson line model taking into consideration specific ground properties of the considered location. A load flow algorithm for radial SWER networks is subsequently formulated whereby the overhead line and ground voltages and currents are determined using the backward/forward sweep method. The developed models are applied to a case study in Southern of Viet Nam to test their practical application. In addition, comparative studies are done to determine how the proposed optimization models compare with previous distribution planning models. The numerical analysis includes the impact of deterministic distributed generation on the SWER planning problem. TÓM TẮT Đáp ứng nhu cầu cung cấp điện đến các vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa và vùng cao có mật độ dân cư thưa thớt, tải nhỏ phân bố rãi với chi phí đầu tư thấp đang là một bài toán thách thức đối với các đơn vị cung ứng điện. Để giải quyết bài toán đó trong phạm vi đề tài này đề xuất một phương pháp phân phối điện 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về (Single Wire Earth Return-SWER) để đáp ứng nhu cầu phân phối điện cho các khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa, vùng cao. Với lợi thế chỉ có 1 dây dẫn điện góp phần giảm thiểu các loại vật tư thiết bị trên lưới cũng như giảm số lượng trụ điện giúp hệ thống lưới điện SWER kinh tế hơn so với các dạng lưới điện truyền thống. Tuy nhiên vấn đề then chốt của lưới điện SWER là làm sao xử lý được hệ thống nối đất đạt yêu cầu vận hành cũng như cách ly được với nguồn cung cấp. Giới thiệu phương pháp đánh số nhánh mạng điện dạng hình tia và đề xuất giải thuật quét thuận/quét nghịch để xây dựng thuật toán tính bài toán phân bố công suất cho lưới điện SWER trong đó hệ thống nối đất trở về được xây dựng dựa trên mô hình Carson. Tính toán các giá trị và ứng dụng mô hình này vào các lưới điện thực tế tại miền nam Việt Nam. So sánh với các dạng lưới điện hiện hữu để kết luận. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Văn Liêm. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Học viên thực hiện Nguyễn Anh Huy GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm Single wire earth return - SWER MỤC LỤC PHẦN 1: MÔ HÌNH VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA SWER .................................................. 1 CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. Đặt vấn đề: ............................................................................................................................. 1 2. Khái niệm về hệ thống SWER: .............................................................................................. 1 3. Sự cần thiết của bài toán tính toán chế độ xác lập đối với việc quy hoạch, thiết kế và vận hành một hệ thống SWER: ......................................................................................................... 3 4. Các hạn chế trước đây:........................................................................................................... 4 5. Mục tiêu của đề tài: ................................................................................................................ 5 6. Phạm vi nghiên cứu: .............................................................................................................. 5 7. Nội dung nghiên cứu: ............................................................................................................ 6 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN 1 DÂY DÙNG DẤT DẪN DÒNG TRUNG HÒA-SWER .......................................................................................... 7 1. Lịch sử hình thành của hệ thống SWER: ............................................................................... 7 2. Các ưu điểm của hệ thống SWER: ........................................................................................ 8 3. Giới thiệu một số hệ thống SWER tiêu biểu trên Thế Giới: ................................................ 10 CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU CÁC THÀNH PHẦN TRONG MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY SWER ....................................................................................................................................... 12 1 Máy biến áp cách ly: ............................................................................................................ 12 2 Dây dẫn trong hệ thống SWER: .......................................................................................... 13 3 Hệ thống sứ đỡ và sứ dừng dây trong hệ thống SWER: ...................................................... 14 4 Máy biến áp phân phối cho phụ tải trong hệ thống SWER: ................................................ 15 5 Bộ điều chỉnh điện áp: ......................................................................................................... 17 6 Thiết bị bảo vệ: .................................................................................................................... 19 6.1 Máy cắt tự đóng lại (Reclosers): ..................................................................................... 20 6.2 Bảo vệ chống sóng điện áp lan truyền trên đường dây: .................................................. 21 7 Thiết bị nối đất trong hệ thống SWER: ............................................................................... 22 8 Hiện tượng tăng áp và hiệu ứng Ferranti: ............................................................................ 25 9 Dao động dọc đường dây do gió: ......................................................................................... 26 CHƯƠNG IV: MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐƯỜNG DÂY SWER ............................................. 28 1. Mô hình trở kháng đường dây: ............................................................................................ 29 2. Mô hình đường dây J.R.Carson: .......................................................................................... 29 3. Dung dẫn trên dọc đường dây: ............................................................................................. 31 4. Giải thuật phân bố công suất: .............................................................................................. 32 CHƯƠNG V: LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN CÁC GIÁ TRỊ XÁC LẬP CỦA MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY SWER BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ......................................................... 35 I. Phân tích bài toán SWER: ............................................................................................. 35 1. Khảo sát nhu cầu cấp điện cho một khu vực thực tế: .......................................................... 35 2. Giải thuật tính toán cho sơ đồ lưới điện hình tia (SWER): .................................................. 38 II. Các thuật toán lập trình trong Matlab và kết quả tính toán cho bài toán phân bố công suất của hệ thống điện SWER: ................................................................................................. 42 1. Giới thiệu sơ lược về Matlab Simulink: .............................................................................. 42 2. Thực hiện lập trình tính toán các giá trị đầu vào cho hệ thống SWER: .............................. 42 PHẦN 2: XÂY DỰNG TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ................................................................ 47 VÀ THIẾT KẾ TIÊU BIỂU ..................................................................................................... 47 CHƯƠNG VI: TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN SWER .................................. 47 I. Phạm vi ứng dụng của SWER: ...................................................................................... 47 1. Giới thiệu một số quy định về hiệu quả đầu tư trong cung cấp điện của ngành điện tại Việt Nam: ......................................................................................................................................... 47 HVTH : Nguyễn Anh Huy Single wire earth return - SWER GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm 2. Đánh giá tình hình cung cấp điện cho các khu vực nông thôn tại miền nam Việt Nam:..... 47 3. Đánh giá khả năng ứng dụng SWER trong cung cấp điện cho các khu vực nông thôn tại miền nam Việt Nam: ................................................................................................................ 48 II. Tiêu chuẩn thiết kế lưới điện SWER các khu vực nông thôn tại miền nam Việt Nam: 48 1. Giới thiệu các tiêu chuẩn thiết kế lưới điện phân phối đang ứng dụng: .............................. 48 2. Đánh giá khả năng ứng dụng các tiêu chuẩn thiết kế hiện hữu cho lưới điện SWER: ........ 49 3. Chi tiết thiết kế của các phần tử lưới điện SWER: .............................................................. 50 CHƯƠNG VII: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT KẾ TIÊU BIỂU HỆ THỐNG ĐIỆN SWER ...... 61 I. Khảo sát nhu cầu cung cấp điện cho một khu vực nông thôn có phụ tải 100kVA: ....... 61 1. Sơ đồ vị trí mặt bằng:........................................................................................................... 61 2. Mục đích đầu tư: .................................................................................................................. 62 3. Hiện trạng lưới điện của khu vực: ....................................................................................... 62 II. Phương án 1 – Xây dựng thiết kế và dự toán công trình cấp điện cho khu vực nêu trên theo thiết kế đường dây trung áp 1 pha 12,7kV 2 dây truyền thống: ....................................... 63 A. Tổng quan về công trình: ............................................................................................... 63 1. Điều kiện khí hậu tính toán: ................................................................................................. 63 2. Lựa chọn dây dẫn điện và dây trung hòa: ............................................................................ 64 3. Lựa chọn cách điện và phụ kiện: ......................................................................................... 67 4. Các biện pháp bảo vệ: .......................................................................................................... 69 4.1 Các thiết bị đóng cắt đầu tuyến: ...................................................................................... 69 4.2 Tiếp đất đường dây: ........................................................................................................ 69 5. Các giải pháp thiết kế cột và móng: ..................................................................................... 69 5.1 Các giải pháp kết cấu cột: ............................................................................................... 69 5.2 Các giải pháp phần móng: ............................................................................................... 70 B. Các bản vẽ chi tiết của hệ thống lưới điện: ................................................................... 71 1. Bản vẽ mặt bằng bố trí trụ: .................................................................................................. 71 2. Bản vẽ trụ vượt sông: ........................................................................................................... 72 3. Bản vẽ chi tiết trụ 18m:........................................................................................................ 73 4. Bản vẽ chi tiết trụ 14m:........................................................................................................ 74 5. Bản vẽ chi tiết móng trụ:...................................................................................................... 75 5.1 Loại móng đà cản 1,2m và 1,5m (móng b-a) dùng cho trụ 14m đỡ thẳng, trụ 14m đỡ góc và trụ 14m dừng giữa tuyến:..................................................................................................... 75 5.2 Loại móng 2 đà cản 1,5m (móng b-b) dùng cho trụ 14m dừng cuối tuyến: ................... 76 5.3 Loại móng bê tông 1,5x1,5x1 m3 dùng cho trụ đấu nối 18m, trụ đầu tuyến 18m: ......... 77 6. Bản vẽ chi tiết chằng và móng neo: ..................................................................................... 78 7. Bản vẽ trụ đấu nối 18m: ....................................................................................................... 79 8. Bản vẽ trụ đầu tuyến: ........................................................................................................... 80 9. Bản vẽ trụ đỡ thẳng: ............................................................................................................. 81 10. Bản vẽ trụ đỡ góc: ......................................................................................................... 82 11. Bản vẽ trụ dừng giữa tuyến: .......................................................................................... 83 12. Bản vẽ trụ dừng cuối tuyến: .......................................................................................... 83 13. Bản vẽ chi tiết trụ lắp đặt MBA phân phối: ................................................................... 84 14. Bản vẽ chi tiết hệ thống tiếp đất: ................................................................................... 85 14.1 Bản vẽ bộ tiếp đất lặp lại có dây tiếp đất luồng trong thân trụ: ...................................... 85 14.2 Bản vẽ bộ tiếp đất lặp lại có dây tiếp đất ngoài trụ: ........................................................ 86 14.3 Bản vẽ bộ tiếp đất lặp lại có dây tiếp đất đặt trong bê tông trụ:...................................... 87 14.4 Bản vẽ chi tiết phương pháp đóng cọc tiếp đất: .............................................................. 88 14.5 Bản vẽ chi tiết phương pháp đóng cọc tiếp đất: .............................................................. 89 C. Tổng mức đầu tư cho công trình: .................................................................................. 89 HVTH : Nguyễn Anh Huy Single wire earth return - SWER GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm III. Phương án 2 – Xây dựng thiết kế và dự toán công trình cấp điện cho khu vực nêu trên theo thiết kế đường dây trung áp 12,7kV 1 pha 1 dây (SWER): .............................................. 90 A. Tổng quan về công trình: ............................................................................................... 90 1. Điều kiện khí hậu tính toán: không thay đổi so với phương án 1 (Chi tiết xem tại mục II.A.1 - Chương 7). ................................................................................................................... 90 2. Lựa chọn dây dẫn điện: tính tương như phương án 1, chọn cùng loại cáp nhôm trần lõi thép ACSR 35 để dễ so sánh (đặc tính cáp đã nêu trong tại mục II.A.2 – Bảng 7.2 – Chương 7) .. 90 3. Lựa chọn cách điện và phụ kiện: do đặc tính lưới điện SWER có cùng cấp điện áp với dạng lưới điện đang vận hành nên tiêu chuẩn vật tư và cấp cách điện giống như các loại vật tư đã nêu tại mục II.A.3 - Chương 7. ................................................................................................. 90 4. Các biện pháp bảo vệ: .......................................................................................................... 90 5. Các giải pháp thiết kế cột và móng: ..................................................................................... 91 5.1 Các giải pháp kết cấu cột: ............................................................................................... 91 5.2 Các giải pháp phần móng: ............................................................................................... 91 B. Các bản vẽ chi tiết của hệ thống lưới điện SWER: ....................................................... 92 1. Bản vẽ mặt bằng bố trí trụ: .................................................................................................. 92 2. Bản vẽ mặt cắt vượt sông: ................................................................................................... 92 3. Bản vẽ trụ đấu nối 18m và máy biến áp cách ly 100kVA: .................................................. 93 4. Bản vẽ trụ đầu tuyến 18m: ................................................................................................... 94 5. Bản vẽ trụ đỡ thẳng và trụ đỡ góc:....................................................................................... 95 6. Bản vẽ trụ dừng giữa tuyến:................................................................................................. 96 7. Bản vẽ trụ dừng cuối tuyến: ................................................................................................. 97 8. Bản vẽ chi tiết móng trụ:...................................................................................................... 98 8.1 Loại móng 02 đà cản 1,2m (móng a-a) dùng cho trụ 14m đỡ thẳng và trụ 14m dừng giữa tuyến: ........................................................................................................................................ 98 8.2 Loại móng 2 đà cản 1,5m (móng b-b) dùng cho trụ 14m dừng cuối tuyến: ................... 99 8.3 Loại móng bê tông 1,5x1,5x1 m3 dùng cho trụ đấu nối 18m, trụ đầu tuyến 18m: ....... 100 9. Bản vẽ chi tiết chằng và móng neo: ................................................................................... 101 10. Bản vẽ vị trí trụ lắp MBA cách ly: .............................................................................. 102 11. Bản vẽ chi tiết hệ thống nối đất: .................................................................................. 103 11.1 Bản vẽ chi tiết nối đất tại các TBA phân phối: ............................................................. 103 11.2 Bản vẽ chi tiết nối đất tại TBA cách ly: ........................................................................ 104 11.3 Bản vẽ chi tiết phương pháp đóng cọc tiếp đất: ............................................................ 105 C. Tổng mức đầu tư cho công trình: ................................................................................ 105 1 Xây dựng chi phí hoán chuyển một MBA 1 pha 100kVA loại có điện áp 12,7/0,23kV sang cấp điện áp 22/12,7kV:................................................................................................... 105 2 Tính toán tổng mức đầu tư cho công trình bao gồm đường dây trung áp SWER và MBA cách ly 100kVA: ..................................................................................................................... 106 IV. So sánh kết quả của hai phương án: ............................................................................ 106 V. Xây dựng mối liên hệ giữa chi phí theo chiều dài đường dây: .................................... 107 CHƯƠNG VIII : ỨNG DỤNG VÀ Ý TƯỞNG TƯƠNG LAI .............................................. 110 1. Ứng dụng : ......................................................................................................................... 110 2. Ý tưởng cho tương lai: ....................................................................................................... 110 HVTH : Nguyễn Anh Huy Single wire earth return - SWER GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm PHẦN 1: MÔ HÌNH VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA SWER CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề: Ngày nay, để đáp ứng nhu cầu cung cấp điện đến các vùng nông thôn, vùng sâu, vùng xa và vùng cao có mật độ dân cư thưa thớt (tải nhỏ phân bố rãi) với chi phí đầu tư thấp nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu an toàn, độ tin cậy cao, đảm bảo tính kinh tế khi vận hành đang là một bài toán thách thức đối với các đơn vị cung ứng điện. Để giải quyết bài toán đó trong phạm vi đề tài này đề xuất một phương pháp phân phối điện 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về (Single Wire Earth Return-SWER) để đáp ứng nhu cầu phân phối điện cho các khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa, vùng cao có mật độ dân cư thưa thớt với chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành thấp. 2. Khái niệm về hệ thống SWER: Hệ thống phân phối điện 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về (SWER) thường được sử dụng để cấp nguồn cho các khu vực nông thôn, các khu vực dân cư thưa thớt với chi phí đầu tư và vận hành thấp. Hệ thống SWER thường được cấp nguồn trung áp 1 pha thông qua 1 máy biến áp cách ly 1 pha. Mục đích của việc sử dụng máy biến áp cách ly là để tạo điểm nối đất riêng cho nguồn của hệ SWER ở chế độ vận hành 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về. Các phần tử trong hệ thống SWER đều được nối đất. Đất (Earth) đóng vay trò là dây dẫn dòng trở về nguồn trong hệ thống SWER. Hình 1.1 giới thiệu một sơ đồ mô phỏng hệ thống SWER điển hình. Các thành phần chính của mạng điện SWER trong hình 1.1 như sau: máy biến áp cách ly có đầu sơ cấp được đấu nối với điện áp dây của lưới điện trung áp 3 pha 22kV và đầu sơ cấp có điện áp 12,7kV, trong đó có một đầu được nối đất trực tiếp. Nguồn trung áp 1 pha 12,7kV được truyền dẫn đến các máy biến áp phân phối 12,7/0,24kV trong mạng điện SWER để cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, HVTH : Nguyễn Anh Huy Trang 1 Single wire earth return - SWER GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm dòng trở về nguồn tại các hộ tiêu thụ điện được dẫn về nguồn thông qua hệ thống nối đất tại các máy biến áp phân phối. Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống SWER điển hình. Hình 1.2 và 1.3 giới thiệu về đường dây cấp nguồn cho một hệ thống SWER và máy biến áp cách ly. Hình 1.2 Nhánh rẽ cấp nguồn cho hệ thống SWER điển hình. HVTH : Nguyễn Anh Huy Trang 2 Single wire earth return - SWER GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm Hình 1.3 Máy biến áp cách ly trong hệ thống SWER đầu vào 2 pha và đầu ra 1 pha 3. Sự cần thiết của bài toán tính toán chế độ xác lập đối với việc quy hoạch, thiết kế và vận hành một hệ thống SWER: Bài toán phân bố công suất là nền tảng của mọi bài toán phân tích và điều khiển hệ thống điện. Bài toán phân bố công suất là cơ sở cho cho các nghiên cứu về:  Quy hoạch hệ thống điện (planning).  Tính toán tối ưu hoá (optimization) chế độ làm việc.  Tính toán ổn định (stability).  Phân tích chế độ sự cố (fault). Đối với hệ thống SWER thì đó cũng không phải là ngoại lệ. Để đáp ứng các yêu cầu về quy hoạch, thiết kế và vận hành một hệ thống SWER thì đòi hỏi ta phải tính toán được các giá trị xác lập của các thông số như: điện áp (V), góc pha (), công suất thực (P) và công suất phản kháng (Q),…của một hệ thống SWER. Qua đó ta mới có cái nhìn chính xác về một mô hình phân phối điện, lựa chọn được các phương án vận hành tối ưu cũng như là đánh giá được độ tin cậy của một hệ thống SWER. HVTH : Nguyễn Anh Huy Trang 3 Single wire earth return - SWER GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm Hiện nay, một số nước trên thế giới đã xây dựng các hệ thống mạng phân phối dạng SWER cho các khu vực nông thôn và đã đáp ứng được các nhu cầu điện khí hóa nông thôn với mức chi phí đầu tư và vận hành thấp. Để có thể áp dụng mô hình lưới điện dạng SWER phục vụ mục đích điện khí hóa các khu vực nông thôn Việt Nam đòi hỏi phải xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học cho mạng điện phân phối SWER với các thông số đầu vào lấy từ điều kiện thực tế tại Việt Nam qua đó mới phân tích chính xác được các lợi thế của hệ thống điện dạng SWER và làm căn cứ tính toán quy hoạch, thiết kế cũng như vận hành sau này cho hệ thống SWER – đó là tính cấp thiết của đề tài này. 4. Các hạn chế trước đây: Mặc dù việc xây dựng hệ thống phân phối điện dạng SWER đã được ứng dụng tại nhiều nước trên Thế Giới tuy nhiên công nghệ này vẫn chưa được áp dụng tại Việt Nam. Mục tiêu cơ bản của đề tài này là phân tích mô phỏng một hệ thống SWER theo các thông số đầu vào thu thập từ thực tế tại các khu vực nông thôn miền nam Việt Nam qua đó rút ra các nhận định và so sánh với các phương án cung ứng điện hiện hữu nhằm góp phần nâng cao khả năng điện khí hóa các khu vực nông thôn Việt Nam. Một số nước trên thế giới đã xây dựng và đưa vào vận hành các hệ thống mạng phân phối dạng SWER từ rất lâu nhằm thúc đẩy các khu vực nông thôn phát triển hơn. Tuy nhiên việc đầu tư hệ thống SWER phải được phân tích sâu hơn ở các khía cạnh sau:  Đối với một số khu vực nông thôn có tình hình phụ tải phát triển nhanh hơn quy hoạch dẫn đến phải đầu tư các dạng lưới điện khác để đáp ứng nhu cầu phụ tải nên gây ra tình trạng lãng phí khi đầu tư lưới điện dạng SWER.  Hiện nay các hệ thống SWER tại New Zealand và Australia bị hạn chế về khả năng dẫn dòng điện của đất (tối đa 8A theo NZECP 41:1993). Ghi chú: “NZECP 41:1993”: NEW ZEALAND ELECTRICAL CODE OF PRACTICE PAGE 41, PUBLISH 1993. HVTH : Nguyễn Anh Huy Trang 4 Single wire earth return - SWER  GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm Người dân tại các khu vực nông thôn ngày càng có nhiều cơ hội hơn trong việc tiếp cận các nguồn điện thay thế khác chẳng hạn như: điện gió, điện mặt trời,…  Việc sử dụng các thiết bị điện tử cao cấp đòi hỏi đơn vị cung cấp điện phải nâng cao chất lượng điện cung ứng.  Đổi mới trong phương thức sản xuất tại các khu vực nông thôn đòi hỏi phải nâng cao tính tự động hóa. Cụ thể nhu cầu về việc sử dụng các dạng motor công suất lớn trong tưới tiêu ngày càng tăng.  Giảm lợi nhuận cho đơn vị cung cấp điện.  Công nghệ này vẫn còn có giá trị đối với các khu vực vùng sâu vùng xa, tuy nhiên cũng có thể vì nó mà làm cho các nhà đầu tư trì hoãn tính cấp bách trong việc xây dựng mới lưới điện 3 pha cho các khu vực nông thôn xa xôi. 5. Mục tiêu của đề tài: Mục tiêu của đề tài là mô phỏng một mô hình phân phối điện 1 dây dùng đất dẫn dòng trở về (SWER) để tính toán được các giá trị: điện áp (V), góc pha (), công suất thực (P) và công suất phản kháng (Q) ở chế độ xác lập. Mô phỏng được các thành phần lưới điện SWER bằng các mô hình toán học như: mô hình đường dây, máy biến áp phân phối, phụ tải 1 pha và các hệ thống nối đất,… Tính toán các chi phí đầu tư và xây dựng thiết tiêu biểu lưới điện SWER cho một khu vực tại miền nam Việt Nam. 6. Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng được một mô hình mô phỏng hệ thống SWER bằng phần mềm Matlab. Tính toán phân bố công suất tại giá trị xác lập của hệ thống SWER. Đối với các phụ tải chỉ xét dạng phụ tải 1 pha vì mục đích của hệ thống SWER là cung cấp điện đến các khu vực nông thôn, vùng sâu, vùng xa và vùng cao phần lớn tải tiêu thụ là 1 pha. HVTH : Nguyễn Anh Huy Trang 5 Single wire earth return - SWER GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm 7. Nội dung nghiên cứu: Xây dựng được mô hình các phần tử trong lưới điện SWER bao gồm: đường dây, máy biến áp phân phối 1 pha, hệ thống nối đất, phụ tải 1 pha, các thiết bị đóng cắt (Recloser, FCO…) và các thiết bị bào vệ (LA, relay…) Xây dựng được thuật toán xác định các thông số đường dây. Xây dựng được thuật toán để tính toán tại chế độ xác lập cho bài toán phân bố công suất của môt hệ thống SWER. Tính toán được các giá trị điện áp (V), góc pha (), công suất thực (P) và công suất phản kháng (Q) ở chế độ xác lập. HVTH : Nguyễn Anh Huy Trang 6 Single wire earth return - SWER GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN 1 DÂY DÙNG DẤT DẪN DÒNG TRUNG HÒA-SWER 1. Lịch sử hình thành của hệ thống SWER: Lloyd Mandeno (1888-1973) một kỹ sư điện New Zealand là người đã đề xuất phương pháp phân phối điện dưới dạng 1 dây dùng đất dẫn dòng trung hòa (SWER). Mandeno trình bày ý kiến của mình trong một bài báo có nội dung “Cấp điện cho các khu vực nông thôn New Zealand” vào năm 1947 tại Viện nghiên cứu và hội nghị các kỹ sư. Mandeno nêu bật được sự cần thiết cho việc cấp điện đến các cộng đồng nông thôn ở New Zealand nhằm thúc đẩy nền kinh tế New Zealand. Trước đó đã có nhiều phương pháp cung cấp điện ba pha tần số 50Hz đến các vùng nông thôn tuy nhiên với chi phí lớn nên chưa mang lại được hiệu quả mong muốn. Hình 2.1 Kỹ sư điện Lloyd Mandeno mang quốc tịch New Zealand Trong công trình nghiên cứu, Mandeno đề xuất các khu vực nông thôn được điện khí hóa bằng việc xây dựng hệ thống SWER một pha nhận nguồn từ mạng ba pha bằng cách sử dụng các máy biến áp cách ly có sơ cấp nối vào điện áp dây của mạng 3 pha và thứ cấp 1 pha. Những ưu điểm của cấu hình dạng này như sau:  Đường dây truyền dẫn một sợi giảm thiểu khả năng sự cố giữa các dây dẫn lân cận, đồng thời tổn thất hổ cảm giữa các đường dây cũng được loại bỏ. HVTH : Nguyễn Anh Huy Trang 7 Single wire earth return - SWER GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm  Sự cố do chạm đất dây chuyền được giảm thiểu ở mức thấp nhất vì các rơle bảo vệ chống chạm đất chỉ hoạt động trên hệ thống ba pha. Sự cố chạm đất trên các nhánh rẽ sẽ không kích hoạt các rơ le chạm đất do dòng đất đã bị cách ly thông qua hệ thống MBA cách ly.  Khả năng điều chỉnh độ sụt áp linh hoạt khi cung cấp đến hộ tiêu thụ.  Việc xây dựng 1 hệ thống dây dẫn (dây pha) duy nhất sẽ làm giảm đáng kể số lượng thiết bị trên lưới cụ thể là giảm sứ cách điện, trụ điện, giảm lực căng đầu trụ dẫn tới giảm kích thước trụ so với lưới điện phân phối ba pha.  Việc sử dụng ít thiết bị trên lưới điện góp phần làm giảm xác suất xảy ra sự cố do thiết bị gây ra đồng thời làm giảm chi phí bảo trì. Hình 2.2 Giới thiệu mô hình máy biến áp cách ly trong hệ thống SWER. 2. Các ưu điểm của hệ thống SWER: Tính hiệu quả của các hệ thống SWER trong việc phân phối cung cấp điện trên một khoảng cách dài đến các vùng nông thôn dân cư thưa thớt đã được ghi nhận tại một số quốc gia trên thế giới. Cụ thể công nghệ này đã được ứng dụng tại New Zealand, Australia, Brazil, Namibia và Nam Phi. Công nghệ SWER đã HVTH : Nguyễn Anh Huy Trang 8 Single wire earth return - SWER GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm đi tiên phong ở New Zealand vào năm 1925 và nhanh chóng trở nên phổ biến như là phương pháp tối ưu cho viêc điện khí hóa nông thôn. Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điện hệ thống SWER. Chi phí lắp đặt một hệ thống SWER thường khoảng một phần ba hoặc một nửa so với các hệ thống ba pha và một pha thông thường. Việc sử dụng 1 dây truyền tải góp phần làm giảm trọng lượng dây dẫn, giảm lực căng đầu trụ dẫn đến việc giảm khả năng chịu lực của trụ điện đồng thời giảm số lượng vật tư thiết bị điện trên lưới. Vì vậy, hệ thống SWER thường đòi hỏi ít hơn khoảng 50% sứ đỡ dây (đối với dây dẫn nhôm bình thường), việc xây dựng hạ tầng nhẹ hơn giúp giảm đáng kể chi phí trong đầu tư. Ngày nay hệ thống SWER đã được sử dụng rộng rãi và góp phần cung ứng điện cho hơn 2 triệu người trên Thế Giới giải quyết bài toán cung cấp điện cho các khu vực nông thôn, miền núi, vùng cao, hải đảo nơi mà con người chỉ sống phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống để chiếu sáng sinh hoạt. Nhằm để thúc đẩy sự phát triển tại các vùng nông thôn thông qua việc đầu tư lưới điện phân phối, hệ thống SWER được đánh giá nổi trội và có thể đáp ứng được các tiêu chí về giá thành và kỹ thuật. Tuy nhiên hệ thống SWER chỉ có thể cung ứng tốt cho các phụ tải thỏa mãn tiêu chí sau:  Công suất các hộ tiêu thụ nhỏ, vào khoảng 30  100 kWh / tháng. HVTH : Nguyễn Anh Huy Trang 9 Single wire earth return - SWER GVHD: TS.Nguyễn Văn Liêm  Mật độ phân bố dân cư có công suất sử dụng điện dưới 0,5kVA/km.  Các khu vực có mật độ phân bố dân cư thấp, không dày đặc. 3. Giới thiệu một số hệ thống SWER tiêu biểu trên Thế Giới: Hệ thống SWER đã được sử dụng để cung ứng điện tại một số khu vực nông thôn thuộc Lào, Cambodia và Cộng hòa Nam Phi,…. Đặc biệt đơn vị cung ứng điện tại Nam Phi – Công ty Eskom tỏ ra hào hứng với các mô hình SWER và bỏ ra rất nhiều công sức để nghiên cứu phát triển các hệ thống SWER, kết quả là họ đã đạt được một số kết quả rất khả quan. Điều này có phần trái ngược với việc nghiên cứu phát triển hệ thống dạng SWER tại New Zealand và Australia, nơi mà việc cung cấp điện dạng SWER đã phát triển từ rất lâu. Ở Nam Phi khi đầu tư mới lưới điện thì hệ thống dạng SWER luôn được cân nhắc trước tiên do đặc tính phụ tải tại đất nước này thường phân bố rãi và công suất tiêu thụ nhỏ. Hình 2.4 Giới thiệu lưới điện SWER thực tế tại Queensland. HVTH : Nguyễn Anh Huy Trang 10