Luận Văn Mô hình đường dây truyền tải điện, mô phỏng và vận hành đường dây bằng phần mềm matlab

Đồ án tốt nghiệp năm 2011
Đề tài: MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN, MÔ PHỎNG VÀ VẬN HÀNH ĐƯỜNG DÂY BẰNG PHẦN MỀM MATLAB


MỤC LỤC
MỤC LỤC ii
DANH MỤC HÌNH vi
DANH MỤC BẢNG . ix
MỞ ĐẦU 1
TỔNG QUAN 2
Tổng quan đề tài . 2
Lý do chọn đề tài 2
Phạm vi của đề tài 2
CHƯƠNG I: CÁC THÔNG SỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY VÀ CÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN 3
1.1. Các đặc tính của đường dây truyền tải điện . 3
1.1.1. Cấu tạo đường dây dẫn điện trên không 3
1.1.2. Ký hiệu của dây dẫn điện . 5
1.1.2.1. Dây Nga . 5
1.1.2.2. Dây Mỹ 5
1.1.2.3. Dây Pháp . 5
1.1.3. Các loại cáp ngầm . 5
1.2. Điện trở của đường dây truyền tải điện 6
1.2.1. Điện trở dây dẫn 6
1.2.2. Khả năng mang tải của dây dẫn điện trên không 7
1.3. Điện cảm của đường dây truyền tải điện . 9
1.3.1. Các hệ thức cơ bản của điện cảm . 9
1.3.1.1. Từ thông móc vòng bên trong 11
1.3.1.2. Từ thông móc vòng bên ngoài . 12
1.3.2. Điện cảm và bán kính trung bình nhân của đường dây truyền tải điện . 13
1.3.3. Điện cảm của đường dây truyền tải điện một pha 15
1.3.4. Điện cảm của đường dây truyền tải điện ba pha . 16
1.3.5. Cảm kháng đường dây truyền tải điện đơn ba pha đối xứng 18
1.3.6. Cảmkháng đường dây truyền tải điện ba pha hoán vị . 19
1.3.7. Cảm kháng đường dây truyền tải điện ba pha lộ kép 20
1.3.8. Dùng bảng kiểm tra cảm kháng của dây dẫn . 22
1.4. Điện dung của đường dây truyền tải điện 29
1.4.1. Điện dung với bản cực song song, điện tích điểm và dây dẫn hình trụ . 29
1.4.2. Điện dung của đường dây một pha 31
1.4.3. Điện dung của đường dây ba pha đối xứng . 33
1.4.4. Điện dung của đường dây lộ kép . 36
1.5. Tổn hao vầng quang của đường dây tải điện . 39
1.5.1. Hiện tượng vầng quang và tổn hao do vầng quang . 39
1.5.2. Ví dụ . 41
1.6. Các thông số đường dây cáp ngầm . 42
1.6.1. Điện trở và cảm kháng của cáp ngầm 42
1.6.1.1. Cáp ba pha ba lõi có chung vỏ chì và vỏ bọc kim loại nếu có . 42
1.6.1.2. Tổng trở của đường dây ba pha gồm các dây cáp một lõi 43
1.6.2. Điện dung của đường dây cáp 48
1.6.2.1. Điện dung cáp một lõi 48
1.6.2.2. Điện dung cáp ba lõi . 49
CHƯƠNG II: MÔ HÌNH ĐƯỜNGDÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 53
2.1. Tổng quát . 53
2.2. Truyền tải điện ba pha . 53
2.3. Đường dây truyền tải điện tải ngắn 54
2.4. Đường dây truyền tải điện có chiều dài trung bình . 56
2.4.1. Mạch  chuẩn 56
2.4.2. Mạch T chuẩn 57
2.5. Đường dây truyền tải điện dài 58
2.6. Mạch tương đương của đường dây dài 65
2.6.1. Mạch  tương đương 65
2.6.2. Mạch T tương đương 67
2.7. Cách tính hằng số mạch A , B , C , D của đường dây truyền tải điện . 68
2.8. Mô hình mạch điện một đường dây dài . 75
CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN 77
3.1. Tính toán vận hành đường dây tải điện ngắn . 77
3.1.1. Tính toán đường dây ngắn từ các điều kiện về đầu nhận . 77
3.1.2. Tính toán đường dây ngắn từ các điều kiện của đầu phát 83
3.1.3. Bài toán đặc thù của đường dây tải điện 85
3.2. Tính toán biểu diễn đường dây tải điện theo sơ đồ hình  . 87
3.2.1. Tính toán theo các điều kiện về đầu nhận . 87
3.2.2. Tính toán theo các điều kiện của đầu phát 88
3.2.3. Phương pháp tính từng bước 91
CHƯƠNG IV: PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN . 94
4.1. Định nghĩa bài toán phân bố công suất 94
4.2. Phương trình công suất đường dây đơn giản . 94
4.2.1. Tổng quát . 94
4.2.2. Trường hợp đặc biệt 97
4.2.3. Kết luận 98
4.2.4. Bài toán ứng dụng . 99
4.3. Các phương trình cơ bản . 101
4.3.1. Phương trình dòng điện điểm nút, viết cho nút k như sau 101
4.3.2. Phương trình điện áp viết cho mạch vòng thứ k có dạng tổng quát . 103
4.3.3. Phương trình công suất nút . 106
4.4. Khảo sát phân bố công suất dùng ma trận YTCbằng phép lặp GAUSS –SEIDEL
106
4.5. Khảo sát phân bố công suất dùng ma trận ZBUSbằng phép lặp GAUSS –SEIDEL.
112
4.6. Phân bố công suất và phương pháp NEWTON –RAPHSON . 114
4.6.1. Tính toán theo số phức dạng vuông góc 114
4.6.2. Tính toán theo số phức dạng cực . 116
CHƯƠNG V: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB 120
5.1. Tìm hiểu về công ty MathWorks 120
5.2. Giới thiệu . 120
5.3. Các hộp công cụ của Matlab . 122
5.4. Giới thiệu hộp công cụ Simulink 123
5.5. Giới thiệu hộp công cụ SimPowerSystem . 125
5.5.1. Giới thiệu SimPowerSystem 125
5.5.2. Các thư viện của SimPowerSystem . 126
5.5.2.1. Thư viện Electrical Sources . 126
5.5.2.2. Thư viện Elements 127
5.5.2.3. Thư viện Power Electronics . 128
5.5.2.4. Thư viện Machines . 129
5.5.2.5. Thư viện Measurements . 130
5.5.2.6. Thư viện Application Libraries 131
5.5.2.7. Extra Library . 132
5.5.3. Trình tự mô phỏng một mạch điện . 132
CHƯƠNG VI: PHÂN TÍCH VẬN HÀNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN BẰNG
PHẦN MỀM MATLAB 133
6.1. Bài toán ứng dụng . 133
6.2. Các bước giải bài toán ứng dụng bằng chương trình lineperf phân tích, tính toán,
vận hành đường dây truyền tải điện 134
6.2.1. Bước 1 134
6.2.2. Bước 2 134
6.2.3. Bước 3 134
6.2.4. Bước 4 135
6.2.5. Bước 5 135
6.2.6. Bước 6 135
6.2.7. Bước 7 135
6.2.8. Bước 8 136
6.2.8.1. Bù ngang 136
6.2.8.2. Bù dọc 136
6.2.8.3. Bù hỗn hợp 136
6.2.9. Bước 9 137
6.2.10. Bước 10 137
6.3. Kết quả bài toán ứng dụng 137
6.3.1. Chương trình mô phỏng và vận hành đường dây 137
6.3.2. Các thông số đường dây . 137
6.3.3. Câu a 137
6.3.4. Câu b 138
6.3.5. Câu c 138
6.3.6. Câu d 138
6.3.7. Câu e 139
6.3.8. Câu f . 139
6.3.9. Câu g 140
6.3.10. Câu h 140
6.3.11. Câu i . 141
6.3.12. Câu j . 142
6.3.13. Câu k 142
CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 143
7.1. Kết luận 143
7.2. Kiến nghị 143
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 145


MỞ ĐẦU
Điện năng là yếu tố năng lượng gần như hàng đầu trong công cuộc xây dựng phát
triển và bảo vệ đất nước ngày càng giàu mạnh, văn minh và tiên tiến. Khi các công
trình nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp, khu đô thị . đ ược thi công thì vi ệc xây
dựng một hệ thống truy ền tải điện, cung cấp điện là rất quan trọng. Để đảm bảo an toàn
cho mọi người trong quá trình thi công cũng như vận hành thì vi ệc thiết kế một hệ
thống cung cấp điện cần đảm bảo các yêu cầu về: điện áp, công suất truyền tải, độ sụt
áp trên đường dây, chống sét
Trước khi thi công hệ thống điện cho bất kỳ công trình l ớn hay nhỏ nào thì chúng ta
phải tính toán kỹ lưỡng các thông số trong hệ thống khi vận hành các trường hợp bình
thường,sự cố .của hệ thống cung cấp điện để có biện pháp khắc phục , hạn chế thi ệt hại
đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành sử dụng. Việc tính toán phân bố công suất trên
lưới điện phân phối trước khi thi công được dựa trên sự mô phỏng, vận hànhtrên phần
mềm. Để việc tính toán thi ết kế được nhanh chóng ngày nay người ta thường sử dụng
các phần mềm chuyên dụng để mô phỏng, m ột trong những phần mềm đólà MatLab.
Tuy đã cố gắng rất nhiều nhưng do kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình thực
hiện đồ án Tốt nghiệp sẽ có nhiều phầnsai sót, rất mong sự góp ý của quý Thầy Côđể
bài báo cáo này được hoàn thiện hơn.


TỔNG QUAN
Tổng quan đề tài
Điện tử -vi tính là haitrong những ngành có tốc độ phát triển mạnh. Vì thế, việc
ứng dụng chuyên ngành công nghệ thông tin vào ngành điệncông nghiệpđể nâng cao
hiệu quả sản xuấtlà điều tất yếu. Máy tính không chỉ giúp ta thiết kế, tính toán nhanh ,
mô phỏngcác bài toán về hệ thống điện mà nó còn có thể kiểm soát được mọi hoạt
động của cơ sở dữ liệu, phát hiện sự cố, thậm chí còntự động khắc phục sự cố, .
Với đề tài “MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN, MÔ PHỎNG VÀ VẬN
HÀNH ĐƯỜNG DÂY BẰNG PHẦN MỀM MATLAB” sẽ tìm hi ểu cácnội dung:
Chương I: Các thông số trên đường dây truyền tải điện
Chương II: Mô hình đường dây truyền tải điện
Chương III: Các phương pháp tính toán đường dâytruyền tải điện
Chương IV: Phân bố công suất trên đường dây truyền tải điện
Chương V: Giới thiệu phần mềm Matlab
Chương VI: Phân tích vận hành đường dây truyền tải điện bằng phần mềm Matlab
Chương VII: Kết luậnvà kiến nghị
Lý do chọn đề tài
Đề tài có nhiều ứng dụng hệ thống thực tế và có tính chính xác tương đối cao.
MatLab là phần mềm đa năng, có thể lập trình, mô phỏng, giao tiếp với các hệ
thống lớn. Ngôn ngữ MatLab là ngôn ngữ bậc cao nên rất linh hoạt với các ứng dụng
phức tạp, MatLab còn có thể liênkết với nhiều phần mềm khác và nhiều chương trình
có thể chạy cùng một lúc, kết quả được tính toán nhanh và chính xác.
Với đam mê tìm hiểu về ngành nghề và các ứng dụng thực tếcủa MatLab trong quá
trình học tập nên tôi rất hài lòng vềđề tài này.
Phạm vicủa đề tài
Đối tượng nghiên cứu: Ứng dụng phần mềm MatLab để mô phỏng vận hành đường
dây truyền tải điện.
Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu các ứng dụng của MatLab cho việc tính toán, mô
phỏng vận hành đường dây truyền tải điện.


CHƯƠNGI: CÁC THÔNG SỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY
VÀ CÁP TRUYỀN TẢI ĐIỆN
1.1. Các đặc tính của đường dây truyền tải điện
1.1.1. Cấu tạo đường dây dẫn điện trên không
Kết cấu điển hình của đường dây truyền tải điện trên không gồm có: Cột, dây dẫn,
sứ cách điện, dây chống sétvà các phụ kiệnkhác. Các đường dâytrên không một mạch
và hai mạch bố trí cùng một cột được sử dụng phổ biến. Ngoài ra, khi đường dây có
Uđm
> 230(kV) thì nên phân pha dây dẫn để hạn chế tổn thất vầng quang.
Các loại dây dẫn truyền tải cao áp như: Dây nhôm lõi thép AC (Aluminum
Conductor), dây nhôm lõi thép tăng cường ACSR (Aluminum Conductor SteelReinforced), dây toàn nhôm AAC (All Aluminum Conductor), dây toàn hợp kim nhôm
AAAC (All Aluminum Alloy Conductor), và dây nhôm lõi hợp kim nhôm ACAR
(Aluminum Conductor Alloy Reinforced).Có cácthông số kỷ thuật tra phụ lục 1.
Tất cả các dây nhôm được dùng dưới dạng cáp nhiều sợi vặn xoắn. Cáp đồng nhất
được chế tạo từ nhiều sợi có đường kính như nhau. Chúng gồm một sợi dây trung tâm
ở giữa bao bọc bên ngoài bởi nhiều lớp dây quấn vặn xoắn xem hình 1.1:
Hình 1.1: Cáp bảy sợi D = 3d
Ngoài ra có một số loại cáp như sau:
Hình 1.2: Trình bày một số cáp vặn xoắn
Các cáp phức hợp như cáp nhôm lõi thép (AC, ACSR) hay almelec –thép gồm các
sợi có đường kính bằng nhau, tiết diện có thể đến 250(mm
2
) đến 300(mm
2
) xem hình
1.3. Tiết diện lớn hơn thường dùng cáp có sợi nhôm và sợi thép không cùng đường
kính, cho phép thay đổi tỷ số giữa tiết diện phần nhôm với tiết diện phần thép để đảm
bảo vừa sức bền cơ và tính dẫn điện của dây dẫn. Phần thép dùng tăng sức bền cơ khí,
phần nhôm dùng để dẫn điện.
Hình 1.3: Một số dây nhôm lõi thép ACSR
Hình 1.4: Dây cáp rỗng
Đường dây tải điện siêu cao ápdo yêu cầu phải tăng đường kính dây dẫn để giảm tổn
thất vầng quang và cảm kháng của đường dây nên cóthể dùng dây rỗng xem hình 1.4:
Loại dây này ít được sử dụng vì l ắp đặt khó khăn và sức bền cơ kém. Một dạng khác
của dây dẫn đường dây siêu cao áp là mỗi pha c ủa dây dẫn được phân làm nhi ều dây đặt ở
các đỉnh của một đa giác đều (tam giác, hình vuông, l ục giác ) gọi là dây phân pha.
1.1.2. Ký hiệu của dây dẫn điện
1.1.2.1. Dây Nga
Các loại dây dẫn được kí hiệu bằng chữ cái và chữ số. Chữ cái chỉ vật liệu làm ra
dây đó. Chữ số chỉ tiết diện của dây (mm
2
). Các chữ cái như sau: M: Đồng, A: Nhôm,
AC: Nhôm lõi thép, ACY: Nhôm lõi thép tăng cường,  C: Thép.
1.1.2.2. Dây Mỹ
Vì đơn vị đo lường của Mỹ khác với đơn vị đo lường quốc tế nên phải quy đổi, sau
đây là đơn vị đo chiều dài phổ biến một số nước ở Bắc Mỹ và Châu Âu:
1(mile) = 1609(m). 1(m) = 3.281(foot).
1(inch) = 2,54(cm). 1(cm) = 0.3937(inch) = 393.7(mile).
1 (foot) = 12(inch) = 30,48(cm) = 3.048(dm).
1(mile) = 0,001(inch) =10
-3
(inch) = 0.001*2.54 = 2.54*10
-3
(cm).
Để đo tiết diện dây dẫn còn sử dụng đơn vị đo:
1 cmil (circular mil) = 5,067.10
-4
(mm
2
).
1 cmil là diện tích hình tròn có đường kính là 1(mile) hay 10
-3
(inch).
1.1.2.3. Dây Pháp
Dây hợp kim nhôm dùng ở Pháp có tên Almelec được tiêu chuẩn ký hiệu AGS/L.
1.1.3. Các loại cáp ngầm
Cáp ngầm có một hay nhiều lõi có vỏ bọc bảo vệ (vỏ chì hoặc vỏ nhôm) các dây
dẫn được cách điện với nhau và cách điện với vỏ bọc. Lõi cáp được làm bằng dây đồng
hay dây nhôm nhiều sợi vặn xoắn. Cáp một lõi dây dẫn có tiết diện tròn, trong cápcó
nhiều lõi dây dẫn có tiết diện hình quạt (hay bầu dục). Dây dẫn rỗng ở giữa được dùng
cho loại cáp đầy dầu. Cách điện được dùng là giấy tẩm dầu, cao su, vải tẩm vecni, đối với
cáp ng ầm cao áp cách điện chủ yếu là giấy tẩm dầu.
Ở điện áp cao vừa phải khoảng 30(kV) cáp điện lực có kết cấu rắn chắc xem hình
1.5. Cách điện là một băng giấy quấn thật chặt quanh lõi. Sau khi quấn giấy, cáp được
tẩm chân không bằng dầu cách điện có độ nhớt cao. Vì cách điện rắn có xu hướng tồn
tại các khe hở (chứa đầy hơi của chất tẩm cách điện) là nơi gây ra phóng điện trong
chất khí (vầng quang) nên cách điện loại này không dùng cho điện cao áp.
Hình 1.5: Cáp một lõi, cách điện bằng giấy, vỏ chì
Ở cáp cao áp, hợp chất tẩm có độ nhớt cao được thay bằng chất có độ nhớt thấp
(cáp đầy dầu) hoặc được thay bằng khí trơ thường là khí nitơ (cáp đầy khí) để duy trì ở
áp suất cao để lấp kín các khe hở nhằm tăng cường độ cách điện.
Các loại cách điện dùng trong chế tạo cáp điện:
- Cách điện bằng giấy tẩm dầu.
- Cách điện bằng Polyetylene (PE).
- Cách điện bằng Polyvynilclorit(PVC).
- Cách điện cao su.
- Cách điện polyetylen khâu mạch (XLPE).
- Màn chắn điện từ cho dây và cáp điện.
Cáp ba lõi hay nhiều lõi có hai loại cơ bản:
- Cáp có đai cách điện.
- Cáp có đai kim loại.
Kíchthước của cáp đã được tiêu chuẩn hóa và có thể tra ở phần phụ lục 1:
1.2. Điện trở của đường dây truyền tải điện
1.2.1. Điện trở dây dẫn
Điện trở của dây dẫn có đơn vị l à ( km /  ) xem phụ lục 1. Trên th ực tế, nếu dùng
công thức tính điện trở một chiều
F
l
R   (F là tiết diện dây dẫn) để tính điện trở của
các loại dây dẫn thì kết quả hoàn toàn không giống ởphụ lục 1, mà thông thường bé
hơn vì các lý do:


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TS. Hồ Văn Hiến (2005), “Hệ thống điện truyền tải và phân phối”, nhà xuất
bản Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.
[2] TS. Quyền Huy Ánh (2006), “Giáo trình cung cấp điện”,nhà xuất bảntrường
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh.
[3] TS. Trần Quang Khánh, “Cung cấp điện”,nhà xuất bản khoa học và kỷ thuật.
[4] Nguyễn Vinh Quang (2004), “Nhập môn Matlab 6.5”, nhà xuất bản khoa học
và kỷ thuật.
[5] Bùi Ngọc Thư (2002), “Mạng cung cấp và mạng phân phối”, nhà xuất bản
khoa học kỹ thuật.
[6] Trần Bách (2008), “Lưới điện và hệ thống điện”, nhà xuất bản trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội.
[7] TS. Quyền Huy Ánh (2005), “Giáo trình giải tích mạng điện trên máy tính”,
nhà xuất bảntrường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh.
[8] Trang web hỗ trợ online về MATLAB: http://www.mathworks.com/
[9] http://www.dientuvietnam.net.vn
[10] http://www.webdien.com
[11] http://www.************.vn
[12] Và một số trang web khác.