Huong dan su dung powerworld

Hướng dẫn sử dụng Power World Simulator

HƯỚNG DẨN SỬ DỤNG

CHƯƠNG TRÌNH POWERWORLD

SIMULATOR

Đinh Công Thiện

Đinh Công Thiện-ĐH Tây Đô (1)


1.Giới thiệu

PowerWorld Simulator là một trong những phần mềm mô phỏng hệ thống điện của hãng PTI. Phần mềm cung cấp các công cụ mô phỏng hiệu quả và quan trọng cho phép khảo sát các đối tượng, hệ thống hay quá trình kỹ thuật - vật lý giúp người kỹ sư điện có khả năng rút ngắn thời gian và giảm được chi phí nghiên cứu. Điều quan trọng nhất của phần mềm này là khả năng tính toán bài toán giá thành điện năng và hiển thị trực tiếp giá thành này tại các thanh cái cũng như trên các đường dây tải điện. Đây là một công cụ rất hữu ích trong việc tính toán thiết kế và định chế độ vận hành cho hệ thống điện và hơn nữa là hướng tới mục tiêu thị trường điện ở Việt Nam.

2.1 Sơ lược các đối tượng trên sơ đồ đơn tuyến

Thanh cái (Bus): Bus là nơi mà các thiết bị như đường dây/máy biến áp,máy phát, tải… nối vào.

Có 3 loại Bus:

C Slack bus(swing): bus cân bằng

C Load bus:hầu hết trong hệ thống là load bus

C Voltage controlled bus: điện áp ở bus được điều chỉnh ở trong phạm vi cho trước

Đường dây/máy biến áp(Transmission line/transformer): thiết bị truyền tải công suất giữa các bus.

Nguồn( Generator): nguồn phát công suất

Tải(load): Thiết bị tiêu thụ công suất

Thiết bị bù:

C Swiched shunt: Bù ngang

C Series capacitor: Bù dọc

Máy cắt (Circuit Breakers ): thiết bị đóng/cắt các thiết bị khác như: DZ/MBA, nguồn,tải…

Biểu đồ hình tròn: thiết bị thể hiện mức độ mang tải của DZ/MBA…

Và một số thiết bị khác: mặt phân cách, hình nền…

2.2.Tạo một Case mới

Để khởi động chương trình nhấp đôi chuột vào biểu tượng PowerWorld Simulator. Để tạo một Case mới, từ menu chính chọn File>New Case hoặc

click lên nút Open simulator Case trên thanh công cụ. Màn hình sẽ chuyển sang màu trắng, đây là màu mặc định của một sơ đồ một sợi mới của Powerworld, các sơ đồ một sợi này được dùng trong việc phân tích để tái hiện lại hệ thống điện 3 pha và dùng 1 dây để thể hiện mỗi thiết bị 3 pha.

Để xem một file đã có sẵn chọn File >Open Case từ menu chính hoặc chọn nút Open Case trên thanh công cụ.



2.2.1. Chèn thiết bị phân phối( Bus )

Bus là thành phần quan trọng nhất của mô hình hệ thống điện, nó được dùng để thể hiện các điểm kết nối nơi mà các thiết bị được kết nối với nhau trong hệ thống điện. Trong việc xây dựng mô hình hệ thống điện dùng PowerWorld Simulator bạn có thể vẽ các Bus trên sơ đồ một sợi gắn với các thiết bị như máy phát và tải với Bus. Việc chèn các Bus trên sơ đồ một sợi nói chung là đơn giản gồm các bước sau:

- chọn Insert>Bus từ menu chính hoặc chọn nút Bus trên thanh công cụ.

- Click chuột lên nền sơ đồ nơi mà bạn muốn đặt Bus mới. Khi đó sẽ xuất hiện một hộp thoại Bus Options.

Hình2.1- Hộp thoại Bus options

Từ hộp thoại này chúng ta nhập đầy đủ thông tin cần thiết như đặt tên, kích cỡ, định hướng vùng, điện áp định mức của Bus cũng như Tải và các thành phần rẽ nhánh nối vào nó.

- Click OK để đóng hộp thoại, Bus mới sẽ xuất hiện, nó có hình dạng là một đường thẳng nằm ngang hoặc thẳng đứng trên sơ đồ.

2. Chèn một máy phát

Tiếp theo chúng ta gắn Máy phát với Bus, các Máy phát cũng được chèn theo từng bước tương tự như chèn Bus, trình tự như sau:

- Chọn Insert>Generator từ menu chính hoặc chọn nút Generator trên thanh công cụ.

- Click chuột trái lên Bus trên sơ đồ ở vị trí mà bạn muốn gắn vào, lúc đó hộp thoại Generator Options sẽ xuất hiện.



Hình 2.2 - Hộp thoại Generator Options

Từ hộp thoại này chúng ta nhập đầy đủ thông tin cần thiết, như lựa chọn đơn vị của Máy phát, kích thước hiển thị, chiều, công suất tác dụng giới hạn, công suất phản kháng giới hạn, điểm đặt điện áp và bảng giá.

- Click OK, để đóng hộp thoại kết thúc việc tạo lập Máy phát. Sơ đồ sẽ trông giống như sơ đồ dưới đây.

Hình 2.3 – Sơ đồ một sợi gồm 1 Bus và 1 Máy phát

3. Thêm Bus thứ hai cùng với Tải

Tương tự, để thêm Bus thứ hai chọn Insert>Bus từ menu chính hoặc click

vào nút Bus trên thanh công cụ.

- Click chuột lên nền sơ đồ nơi nào đó phía bên phải của Bus thứ nhất. Khi đó sẽ xuất hiện một hộp thoại Bus Options. Điền đầy đủ các thông số cần thiết,và click OK để kết thúc việc chèn Bus thứ hai.

- Để vẽ Tải ta chọn Insert>Load từ menu chính hoặc click vào nút Load

trên thanh công cụ. Click chuột trái lên điểm cuối của Bus thứ hai này, ngay lúc đó hộp thoại Load Options sẽ xuất hiện.



Hình2. 4 – Hộp thoại Load Options

- Điền đầy đủ các thông số cần thiết như Tải là công suất tác dụng(MW), công suất phản kháng(Mvar), hướng của biểu tượng, ..

- Click OK để đóng hộp thoại và kết thúc việc chèn Tải.

Sơ đồ lúc này có dạng như hình vẽ.

slack

100 Mvar 200 MW

TwoOne

203 MW

111 Mvar

Hình 2.5 – Sơ đồ một sợi có 2 Bus, Máy phát và Tải

4. Chèn đường dây xoay chiều

Để nối hai Bus với nhau, chúng ta sẽ chèn đường dây AC bằng cách:

- Chọn Insert>Tranmission Line từ menu chính hoặc click vào nút

Tranmission Line ở trên thanh công cụ. Click chuột trái vào điểm bắt đầu đường dây và kéo chuột đến điểm cuối đường dây. Trong quá trình kéo chuột bạn có thể vẽ từng đoạn đường dây theo ý mình bằng cách click chuột trái một lần cho một đoạn, và để kết thúc đoạn cuối cùng hình thành đường dây thì nhấp đôi chuột tại điểm cuối đường dây. Hộp thoại Tranmission Line / Transformer Options sẽ xuất hiện.



Hình 2.6 – Hộp thoại Tranmission Line / Transformer

Nhập đầy đủ các thông số cần thiết như các thông số đường dây như điện trở, điện kháng, dung dẫn…

- Click OK để kết thúc việc chèn đường dây.

Hình 2.7 – Sơ đồ một sợi gồm : 2Bus , Máy phát, Tải , Đường dây

5. Chèn flow pie chart trên đường dây

Khi đường dây được vẽ xong nó sẽ tự động có 1 flow pie chart, bạn có thể chèn thêm vào line flow pie chart bằng cách click vào nút line flow pie

chart sau đó click gần đường dây, hộp thoại sẽ xuất hiện, điền đúng và có thể thay đổi kích cỡ .

Hình 2.8 – Hộp thoại Line/ Tranformer flow pie chart

- Click OK để đóng hộp thoại.



6. Chèn máy cắt

- Chọn Insert> Circuit breaker từ menu chính hoặc chọn nút Circuit

breaker trên thanh công cụ và click lên đường dây gần Bus 1. Hộp thoại Circuit breaker Options sẽ xuất hiện.

Hình 2. 9- Hộp thoại Circuit breaker

- Click OK để kết thúc, và tương tự ta chèn máy cắt ở gần Bus 2.

7. Chèn máy biến áp

Để chèn 1 máy biến áp trước hết chúng ta cần chèn 1 Bus thứ 3 khác cấp điện áp.

- Chọn Insert> Tranformer từ menu chính hoặc chọn nút Tranfomer

trên thanh công cụ, sau đó click lên Bus 3 và vẽ 1 đường dây tới Bus 2 khi bạn vẽ xong đường dây thì hộp thoại Tranmission Line /Transformer Option sẽ xuất hiện. Nhập các thông số cần thiết như điện trở, điện kháng,dung dẩn, kích cỡ …

Hình 2.10 – Hộp thoại Tranmission Line /Transformer Option



- Click OK để kết thúc,và lặp lại tương tự vẽ thêm 1 máy biến áp giữa Bus 1 và Bus 3 khi đã hoàn thành ta có sơ đồ dưới đây:

Hình 2.11 – Sơ đồ 3Bus , Máy phát, Máy biến áp, Đường dây, Tải

8. Chèn tụ bù ngang (Swichted Shunt )

Swichted Shunt là gồm các tụ điện ghép lại để cung cấp năng lượng phản kháng (MVAR) hoặc tiêu thụ công suất phản kháng.

- Chọn Insert>Swichted Shunt từ menu chính hoặc chọn nút Swichted

shunt trên thanh công cụ. Click lên Bus mà bạn muốn đặt khi đó hộp thoại Swichted Shunt Option sẽ xuất hiện.

Hình 2.12 – Hộp thoại Swichted Shunt Options

Xác định số Bus và nhập giá trị định mức vào ô Nominal Mvar .



- Click OK để đóng hộp thoại , giả sử ta đặt tụ bù ở Bus 3 , sơ đồ như sau:

Hình 2.13 – Sơ đồ một sợi có Swichted Shunt

8. Ghi tiêu đề, hiển thị các thông số cho Bus và đường dây

Chúng ta xây dựng gần như đã xong một Case mới, tuy nhiên trước khi kết thúc chúng ta sẽ nhập một số ô thông tin trực tiếp lên sơ đồ để giúp ta quan sát hoạt động của sơ đồ được tốt hơn.

- Chọn Insert>text từ menu chính để đưa hộp thoại text object ra nhập tên mà ban muốn đặt và click OK. Để định dạng nhanh chọn Fromat>Font để chọn font, màu, cỡ chữ từ hộp thoại Format Multiple Objects

- Để thêm các thông số hiển thị như điện áp, dòng công suất, tổn thất công suất… ta thực hiện như sau:

Nhấp chuột phải lên Bus hoặc Đường dây để gọi menu con.

Chọn Add new fields Around Bus từ menu con. Nó sẽ mở hộp thoại Bus fields.

Hình 2.14- Hộp thoại Bus fields

Chọn vị trí mà bạn muốn thêm ô mới và click OK . Hộp thoại Bus fields mở ra.



Hình 2.15 – Hộp thoại Bus Field Options

Chỉnh sửa và lựa chọn kiểu hiển thị rồi click OK.

Lần lượt làm tương tự cho Đường dây, Máy phát, Tải ta có các thông số trên sơ đồ mà ta muốn hiển thị. Ta có sơ đồ đơn giản sau:

Hình 2.16 – Sơ đồ Case có hiển thị các thông số đơn giản

9. Chạy mô phỏng một Case

Để chạy mô phỏng 1 Case trước hết chúng ta click vào nút Run Mode trên thanh công cụ.

Sau đó chọn Simulator>Play hoặc click vào nút single solution trên thanh công cụ. Sơ đồ hoạt động như hình 17, và bạn đã hoàn thành một Case mới.



Hình 2.17 – Sơ đồ Case đang hoạt động

2.3.Cách giải quyết vấn đề tối ưu công suất (OPF)

PowerWorld Simulator là một phần mềm ứng dụng được thiết kế để mô phỏng hoạt động của hệ thống điện cao áp. Trong chế độ chuẩn Simulator giải bài toán tính trào lưu công suất bằng thuật toán Newton – Raphson. Với sự tăng cường công suất tối ưu (OPF), Simulator OPF cũng có thể giải những phương trình đó sử dụng OPF. Đặc biệt Simulator OPF giải bài toán OPF sử dụng thuật toán LP.

Mục đích của OPF xác định cực tiểu hàm mục tiêu (hàm chi phí) bằng cách thay đổi sự điều khiển hệ thống khác nhau mà có chú ý đến các ràng buộc cân bằng cũng như các ràng buộc không cân bằng, nó dùng để mô tả ràng buộc cân bằng công suất và các giới hạn hoạt động khác.

Trong Simulator OPF, chức năng LP OPF tìm lời giải tối ưu bằng cách thử dần giữa lời giải chuẩn và tiếp đến giải thuật toán tuyến tính để thay đổi các điều chỉnh hệ thống để loại bỏ bất kỳ vi phạm giới hạn nào.

1. Giải một OPF, ví dụ cho hệ thống 3 Bus:

Ở đây chúng ta sẽ bắt đầu với Case 3 Bus (B3LP) có trong PowerWorld / Simulator/ Sample Cases. Bus 1 là Slack bus.Tất cả các Bus được kết nối với nhau qua đường dây có kháng 0,1pu và có giới hạn là 100MVA, có một tải 180MW ở Bus3.

Chi phí của các máy phát là:

- Bus 1: 10 $/ MWh, phạm vi 0 400 MW

- Bus 2: 12 $/ MWh, phạm vi 0 400 MW

- Bus 1: 20 $/ MWh, phạm vi 0 400 MW



Ta tiến hành các bước sau:

- Mở Case B3LP.

- Kiểm tra các thông số trên đường dây bằng cách click phải lên mỗi đường dây, Bus, máy phát và chọn các hộp thoại Line/Bus/Generator information từ menu sổ xuống.

- Chọn Run Mode.

Hình 2.18 – Sơ đồ 3 Bus mô phỏng sử dụng LP OPF > Primal LP

- Để tính OPF, yêu cầu trường trạng thái AGC của tất cả các miền (Areas) phải được chọn là OPF. Để đặt AGC của miền thành OPF: Chọn LP OPF>OPF Areas. Hộp thoại OPF Areas Records sẽ tự động mở ra. Kiểm tra trường trạng thái AGC đã được chọn là OPF chưa. Nếu chưa, thì nhấp đôi chuột lên trường để thay đổi giá trị, sau đó đóng hộp thoại OPF Areas Records.

- Chọn LP OPF > Primal LP để mô phỏng Case. Chú ý là giới hạn trên đường dây không được đặt trước để ép buộc.

Bạn có thể thấy hình giống như dưới đây:

Chú ý: Đường dây nối Bus 1 và Bus 3 bị quá tải và toàn bộ các Bus có cùng chi phí .

2. OPF Line Limit Enforcement (Ràng buộc giới hạn đường dây)

- Chọn LP/OPF >OPF Areas. Cột Branch MVA xác định liệu giới hạn MVA trên đường dây và máy biến áp (mà có ít nhất một đầu nối vào miền này) có được ép buộc hay không. Đối với đường dây truyền tải hay máy biến áp có ràng buộc OPF thì chức năng Line/ Transformer Constraints phải không bị vô hiệu hóa trên hộp thoại OPF Option. Và riêng từng đường dây/máy biến áp phải thực hiện ràng buộc trên màn hình hiển thị OPF line/ Tranformer MVA Constraints.



- Nhấp đôi chuột lên trường Branch MVA để thay đổi giá trị thành Yes, sau đó đóng hộp thoại OPF Areas.

- Chọn LP/ OPF > Options.

- Hộp thoại LP OPF tự động mở ra, chọn mục Constraint Option và click Disable line/ Tranformer MVA Limit Enforcement để loại bỏ dấu chọn.

- Click Solve LP OPF sau đó click OK.

Hình 2.19 –Giải ví dụ 3PLP với ép buộc giới hạn trên đường dây.

LP – OPF phân bố lại để loại bỏ vi phạm giới hạn. Chi phí ở các Bus có thay đổi so với ví dụ trước. Chi phí mới ở Bus 3 là 14 $/MWh. Để kiểm tra điều này ta thực hiện tiếp:

- Tăng 1MW ở Bus 3, click chuột phải lên tải và nhập 181.0 lên trường Constant Power /MW Value trong hộp thoại Load option và click OK.

- Chọn LP OPF > Primal LP.

Toàn bộ chi phí tăng lên 1935 $/hr so với giá trị trước là 1921 $/hr, ta thấy chênh lệch 14$/hr khi Bus 3 đã tăng lên 1MW.

3. Giải thích vấn đề Bus 3 LMP = 14$/MWh .

Toàn bộ đường dây có cùng tổng trở, công suất chạy trên các mạch được phân bố tỉ lệ nghịch với tổng trở

- Đối với Bus 1 để cấp 1MW cho Bus 3, khi 2/3MW chạy trực tiếp theo đường từ 1 đến 3, trong khi 1/3MW sẽ theo đường 1 đến 2 đến 3.

- Tương tự, đối với Bus 2 cung cấp 1MW cho Bus 3, thì 2/3 MW sẽ theo đường 2 đến 3 và 1/3MW sẽ theo đường 2 đến 1 đến 3.



- Để cung cấp thêm 1MW cho Bus 3, ta cần thay đổi công suất phát của máy phát 1 (Pg1) cộng với công suất thay đổi máy phát 2 (Pg2) bằng 1MW.

Pg1 + Pg2 = 1MW

- Với đường dây từ 1 đến 3 bị giới hạn nên không thể cho phép tăng công suất truyền trên đó.

(2/3)Pg1 + (1/3)Pg2 = 0

- Giải hệ phương trình trên ta có:

Pg1 = - 1MW và Pg2 = 2MW

Cost = ( Pg*LMP) = [(-1MW)*(10.00$/MWh) + (2MW)*(12.00$/MWh)]

= 14.00$/hr.

4. Chi phí của OPF khi có ràng buộc .

Tương tự như chi phí của Bus, bạn cũng có thể tính chi phí của việc thực hiện ràng buộc trên đường dây. Đối với đường dây truyền tải giá trị này thể hiện phần chi phí hệ thống tiết kiệm được khi giới hạn công suất tăng lên 1.0MVA .

Chọn LP OPF>OPF Line and Transformer, hộp thoại OPF constraints mở ra. Chú ý: cột MVA Marginal Cost hiển thị 6.0 cho đường dây từ Bus 1 đến Bus 3. Giá trị này được xác định như sau:

- Nếu không có sự thay đổi hệ thống tải Pg1 + Pg2 = 0 - Nếu ta thêm 1 MVA cho dòng trên nhánh từ Bus 1 Đến Bus 3 (2/3)Pg1 + (1/3) Pg2 = 1- Giải hệ phương trình trên ta có: Pg1 = 3MW và Pg2 = - 3MW

Cost = ( Pg*LMP) = [(3MW)*(10.00$/MWh) + (-3MW)*(12.00$/MWh)] = - 6.00$/hr.

Như vậy lưới tiết kiệm được 6.00$/hr.

5. OPF không thể ép buộc được ràng buộc.

Tiếp theo ta sẽ quan sát Case với các ràng buộc không ép buộc được. Ta tiến hành tăng tải ở Bus 3 lên 250 MW và chạy lại LP OPF.

- Click chuột phải lên Bus 3 và nhấp 250 vào trường Constant Power/ MW Value.

- Chọn LP OPF > Primal LP.

Chú ý rằng đường dây nối giữa Bus 3 với các Bus khác đã đạt giới hạn MVA và máy phát ở Bus 3 đang cung cấp cho tải. Khi tải đã vượt quá các giới hạn trên đường dây truyền tải.



Hình 2.20 –Giải ví dụ B3LP với máy phat ở Bus 3 đang mang tải.

Tiếp theo ta sẽ mở máy phát ở Bus 3 và như vậy ràng buộc đã không ép buộc được nữa:

- Click lên biểu tượng máy cắt màu đỏ nối giữa máy phát và Bus 3 để mở máy cắt

- Chọn LP OPF > Primal LP

Hình 2.21-Giải ví dụ B3LP với ràng buộc không ép buộc được.Tất cả hai ràng buộc không thể ép buộc, nếu 1 ràng buộc có thể ép buộc

do không điều khiển Slack gắn với sự ép buộc mà ràng buộc không thể loại bỏ từ LP cơ bản.



Chú ý là giá trị LMP ở Bus 3 đạt đến 1000$/MWh. Chi phí phụ thuộc chi phí tùy ý của biến Slack, giá trị này được xác định ở trường Marginal Violation Cost của hộp thoại LP OPF > Options.


Huong dan su dung powerworld

Education

Transcript of Huong dan su dung powerworld