zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Nghiên cứu ứng dụng bộ mô phỏng số RTDS trong phân tích đánh giá các chức năng vận hành hệ thống điện theo thời gian thực

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu ứng dụng bộ mô phỏng số RTDS trong phân tích đánh giá các chức năng vận hành hệ thống điện theo thời gian thực nghiên cứu về phương pháp mô phỏng HIL, ứng dụng bộ mô phỏng số RTDS và tiến hành mô phỏng theo thời gian thực một phân vùng lưới điện trung thế với đầy đủ chức năng bảo vệ điều khiển.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ứng dụng bộ mô phỏng số RTDS trong phân tích đánh giá các chức năng vận hành hệ thống điện theo thời gian thực

CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ MÔ PHỎNG SỐ RTDS TRONG PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC CHỨC NĂNG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN THEO THỜI GIAN THỰC A STUDY OF RTDS SIMULATOR FOR ANALYZING POWER SYSTEM OPERATION FUNCTIONS IN REAL-TIME 1 2 3 Phan Quang Nhật , Hoàng Ngọc Hoài Quang , PGS.TS Lê Tiến Dũng 1Công ty Điện lực Thừa Thiên Huế, 0909914186, nhatpq@cpc.vn 2Công ty Điện lực Thừa Thiên Huế, 0963211112, quanghnh@cpc.vn 3Khoa Điện – Đại học Bách Khoa – Đại học Đà nẵng, 0912483535, ltdung@dut.udn.vn Tóm tắt: Mô phỏng từ lâu đã được công nhận là một bước quan trọng và cần thiết trong việc phát triển, thiết kế và thử nghiệm các hệ thống công nghệ. Đối với hệ thống điện, do tính chất phức tạp của các đối tượng tham gia hệ thống và yêu cầu vận hành theo thời gian thực nên các công cụ mô phỏng vận hành hệ thống điện theo thời gian thực còn tương đối hạn chế. Cùng với sự phát triển của các thuật toán mô phỏng và công nghệ xử lý tín hiệu số, công nghệ mô phỏng lặp theo phần cứng (Hardware-In- the-Loop - HIL) cho phép đánh giá, phân tích hiệu quả hệ thống điện theo thời gian thực. Trong đó, bộ mô phỏng số Real-time Digital Simulator (RTDS) được sử dụng để thiết kế và cho phép chạy mô phỏng của một hệ thống điện theo thời gian thực. Trong bài báo này, nhóm tác giả nghiên cứu về phương pháp mô phỏng HIL, ứng dụng bộ mô phỏng số RTDS và tiến hành mô phỏng theo thời gian thực một phân vùng lưới điện trung thế với đầy đủ chức năng bảo vệ điều khiển. Dựa trên lưới điện mô phỏng, nhóm tác giả tiến hành đánh giá các thông số vận hành của lưới điện ở các chế độ kết lưới khác nhau, giả lập các tình huống bất thường trên lưới để kiểm tra hệ thống relay bảo vệ và kiểm thử khả năng đáp ứng của hệ thống DAS. Nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng cung cấp điện cho một hệ thống điện ngày càng phức tạp, việc ứng dụng giải pháp HIL và bộ mô phỏng số RTDS là giải pháp mới và cần thiết để phân tích đánh giá các chức năng vận hành hệ thống điện theo thời gian thực. Từ khoá: mô phỏng thời gian thực; bộ mô phỏng số thời gian thực (RTDS); mô phỏng phần-cứng-trong-vòng-lặp (HIL); mô phỏng hệ thống điện; Opal-RT Abstract: Simulation has long been recognized as an important and necessary step in the development, design and testing of technology systems. For a power system, due to the complex nature of the components and the real-time operation requirements, the real-time power system simulation tools are relatively limited. Along with the development of simulation algorithms and digital signal processing technology, Hardware-In-the-Loop (HIL) simulation allows to evaluate and analyze the efficiency of the power system in real-time. In this approach, a Real-time Digital Simulator (RTDS) is used to design and run the power system simulation in real-time. In this paper, the authors research on the HIL simulation, apply the RTDS digital 121
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 simulator, and conduct a real-time simulation of a distribution grid that has full control and protection functions. Based on the simulated grid, the authors evaluated the operating parameters of the grid in various grid topologies, emulated abnormal situations on the grid to test the protection relay system and test the responsiveness of the DAS system. To improve the quality of power supply of an increasingly complex power system, the application of the HIL solution and RTDS digital simulator is considered a new and necessary solution to analyze power system operating functions in real time. Keyword: real-time simulator; Real-Time Digital Simulator (RTDS); Hardware-In-the- Loop (HIL) simulation; power system simulation; Opal-RT KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa I A Cường độ dòng điện P kW Công suất tác dụng Q kVAr Công suất phản kháng U V Hiệu điện thế CHỮ VIẾT TẮT DAS Distribution Automation System FLISR Fault Location, Isolation and Service Restoration GUI Graphical User Interface HIL Hardware-in-The-Loop RCP Rapid Control Prototyping RTDS Real-time Digital Simulator SCADA Supervisory Control And Data Acquisition SIL Software-In-the-Loop 1. GIỚI THIỆU Mô phỏng, tương tự hoặc kỹ thuật số, từ lâu đã được công nhận là một bước quan trọng và cần thiết trong việc phát triển, thiết kế và thử nghiệm các hệ thống điện. Những tiến bộ gần đây của phần cứng máy tính và kỹ thuật mô hình hóa các thành phần hệ thống điện đã thúc đẩy đáng kể việc nghiên cứu ứng dụng mô phỏng kỹ thuật số cho các hệ thống điện phức tạp. Mô phỏng một hệ thống điện theo thời gian thực có thể đạt được trong thời gian ngắn bằng cách sử dụng các máy tính trạm với tốc độ xử lý cao. Tuy nhiên, khi quy mô của các hệ thống cần mô phỏng ngày càng lớn và phức tạp, số lượng và tốc độ xử lý của CPU càng phải tăng cao. 122
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Một phương pháp mô phỏng kỹ thuật số để mô phỏng một hệ thống điện theo thời gian thực là phương pháp mô phỏng Hardware-In-the-Loop (HIL), trong đó bộ mô phỏng số Real-time Digital Simulator (RTDS) được sử dụng để thiết kế và chạy mô phỏng theo thời gian thực. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả nghiên cứu về phương pháp mô phỏng HIL, ứng dụng bộ mô phỏng số RTDS để mô phỏng một vùng lưới điện phân phối theo thời gian thực. Từ đó tiến hành thử nghiệm trên lưới điện được mô phỏng để phân tích các chức năng vận hành hệ thống điện theo thời gian thực khi kiểm tra hệ thống relay bảo vệ cũng như kiểm thử khả năng đáp ứng của hệ thống DAS. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Các phương pháp mô phỏng thời gian thực Trong mô phỏng theo thời gian thực, có 03 phương pháp mô phỏng điển hình là phương pháp mô phỏng Rapid Control Prototyping (RCP), Software-in-The-Loop (SIL) và Hardware-in the-Loop (HIL). Các phương pháp này khác nhau ở đối tượng sẽ được mô phỏng và mối quan hệ giữa hệ thống điều khiển và quá trình điều khiển (là các thiết bị đơn lẻ hoặc là một hệ thống), sao cho vẫn đảm bảo được yêu cầu khi có bất kỳ thay đổi nào thì hệ thống điều khiển cần phải đáp ứng nhanh và tác động một cách chính xác đối với sự thay đổi đó. Hình 1. Các phương pháp mô phỏng thời gian thực Trong RCP, bằng cách sử dụng bộ mô phỏng thời gian thực, hệ thống điều khiển được mô phỏng và kết nối đến quá trình điều khiển là các thiết bị hoặc hệ thống thực. RCP có ưu điểm là cho phép xây dựng hệ thống điều khiển nhanh hơn, linh hoạt hơn và dễ sửa lỗi hơn. Với SIL, cả thiết bị điều khiển và quá trình điều khiển được mô phỏng trên cùng một bộ mô phỏng. Do cùng một bộ mô phỏng, một mô phỏng SIL có thể thực thi nhanh hơn 123
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 hoặc chậm hơn thời gian thực mà không ảnh hưởng đến tính hợp lệ của kết quả. Một phương pháp khác là HIL, trong đó quá trình điều khiển sẽ được mô hình hóa thành thiết bị hoặc hệ thống mô phỏng trên bộ mô phỏng và được kết nối đến hệ thống điều khiển thực. Sử dụng quá trình điều khiển mô phỏng thường ít chi phí và có độ ổn định cao hơn, do vậy HIL có thể xem là một phương pháp phù hợp để kiểm tra chức năng của hệ thống điều khiển trong điều kiện vận hành theo thời gian thực. 2.2. Mô phỏng Hardware-In-The-Loop (HIL) Mô phỏng HIL được đặc trưng bởi hoạt động của thành phần thực kết nối với các thành phần mô phỏng theo thời gian thực. Phần cứng và phần mềm của hệ thống điều khiển là hệ thống thực. Quá trình điều khiển, bao gồm các cơ cấu chấp hành, các quá trình vật lý và các cảm biến, có thể được mô phỏng toàn bộ hoặc một phần. Thông thường, các cơ cấu chấp hành là thực, quá trình và các cảm biến sẽ được mô phỏng. Mô phỏng HIL được thực hiện trong vòng lặp khép kín, trong đó hệ thống điều khiển thực được thử nghiệm sẽ nhận tín hiệu đáp ứng từ mô phỏng, và cung cấp trở lại mô phỏng. Để thuận lợi trong việc thay đổi hay thiết kế lại một số chức năng của phần cứng hay phần mềm điều khiển, một phần của chức năng điều khiển cũng có thể được mô phỏng. Để phát triển mô phỏng HIL, cần phải có phần cứng có các chức năng đầu vào, đầu ra vật lý phù hợp và phần mềm để tạo ra mô hình mô phỏng thời gian thực. Quy trình xử lý cơ bản trong phần mềm HIL được mô tả như hình 2. Hình 2. Một quy trình xử lý cơ bản của phần mềm HIL 124
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Ưu điểm của mô phỏng HIL nói chung là cho phép thiết kế và kiểm tra phần cứng và phần mềm của hệ thống điều khiển ở các điều kiện môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao/thấp, rung động và chấn động cơ học,..) và không cần vận hành một quá trình điều khiển thực. Do đó, mô phỏng HIL thường được ứng dụng trong việc đánh giá hiệu suất của một số thiết bị phức tạp trong ngành hàng không vũ trụ, chế tạo ô-tô, thiết kế rô-bốt cũng như thử nghiệm đánh giá hiệu quả trong các hệ thống sản xuất có quy mô lớn. Trong lĩnh vực điện, mô phỏng HIL được ứng dụng trong nghiên cứu và phát triển hệ thống bảo vệ relay, các quá trình quá độ điện cơ đối với các thiết bị điện tử công suất, phát triển và thử nghiệm các nguồn năng lượng tái tạo,... 2.3. Bộ mô phỏng số thời gian thực – Real Time Digital Simulator (RTDS) Bộ RTDS là công cụ hữu hiệu cho phép mô phỏng hoạt động của một hệ thống công nghệ theo thời gian thực trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong phương pháp mô phỏng HIL, bộ RTDS được sử dụng để mô phỏng quá trình điều khiển và cho phép kết nối đến một hệ thống điều khiển thực. Bộ RTDS là sự kết hợp của phần cứng và phần mềm máy tính chuyên dụng để cho phép chạy mô phỏng quá trình quá độ hệ thống điện theo thời gian thực. Phần cứng RTDS được thiết kế để dễ dàng ghép nối các thiết bị ngoại vi, hỗ trợ giao thức truyền thông như Modbus, IEC 61870-5-104, IEC 61850,... và cho phép lắp đặt theo nhiều ngăn riêng biệt trong cùng một tủ thiết bị hoặc nhiều tủ thiết bị tuỳ vào độ lớn và mức độ chi tiết mô phỏng, mỗi ngăn là một thiết bị mô phỏng số. Về phần mềm của RTDS, được tổ chức thành 03 khối thành phần: giao diện đồ hoạ người dùng (GUI), trình biên dịch và các thành phần hệ thống điện. Trong lĩnh vực điện, bộ RTDS cung cấp khả năng linh hoạt trong mô phỏng hệ thống điện, cho phép phân tích đánh giá được các tình trạng lỗi hoặc không mong đợi của cơ cấu chấp hành và cảm biến trên toàn bộ hệ thống, giả lập được hầu hết các thiết bị điện và hệ thống điện và cung cấp khả năng kết nối các hệ thống phức tạp với nhau. Chính vì vậy, giải pháp này giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và nâng cao độ tin cậy cho hệ thống được thử nghiệm. 2.4. Thử nghiệm mô phỏng một hệ thống điện thời gian thực với bộ RTDS Trong nghiên cứu này, một phân vùng lưới điện phân phối tại huyện Phong Điền tỉnh Thừa Thiên Huế, với 02 nguồn cấp, 03 xuất tuyến và 14 thiết bị đóng cắt (Recoloser, LBS,…) cùng với các rơle bảo vệ, được lựa chọn để thực hiện mô phỏng với bộ RTDS. 125
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 Hình 3. Phân vùng lưới điện được mô phỏng và kết nối với hệ thống SCADA/DAS Áp dụng phương pháp mô phỏng HIL, lưới điện mô phỏng đóng vai trò là quá trình điều khiển và được thiết lập kết nối đến một hệ thống điều khiển thực là hệ thống SCADA hiện hữu và hệ thống DAS cần thử nghiệm (hệ thống SCADA/DAS). Mô hình thiết lập được biểu diễn tại Hình 4. Thông qua giao thức truyền thông IEC 60870-5-104, hệ thống SCADA/DAS có thể theo dõi, giám sát các tín hiệu trạng thái, đo lường và cảnh báo trên lưới điện mô phỏng theo thời gian thực, đồng thời có thể gửi lệnh điều khiển để thay đổi trạng thái các thiết bị điều khiển được mô phỏng trên lưới điện mô phỏng. Hình 4. Mô hình thiết lập thử nghiệm mô phỏng hệ thống điện 126
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Bằng việc sử dụng các chức năng chuyên dụng trên phần mềm RTDS, toàn bộ các thành phần của lưới điện được mô phỏng với đầy đủ thông số hệ thống, đồng thời các thông số vận hành như dòng điện nhánh, điện áp tại nút, quá trình trào lưu công suất,… được giám sát trong suốt quá trình mô phỏng và là cơ sở để phân tích và đánh giá hệ thống lưới điện theo thời gian thực ở các chế độ kết lưới khác nhau. Trong quá trình thử nghiệm, các tình huống sự cố hoặc bất thường trên lưới mô phỏng sẽ được giả lập để kiểm tra hệ thống rơle bảo vệ và kiểm thử khả năng đáp ứng của hệ thống DAS. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG Ở chế độ vận hành theo kết lưới cơ bản và ở các kết lưới khác, các thông số vận hành của lưới điện mô phỏng (U, I, P, Q,…) được đánh giá là đúng với thực tế. Hình 5. Các thông số vận hành của lưới điện mô phỏng ở trạng thái kết lưới cơ bản Tại thí nghiệm giả lập sự cố 03 pha chạm đất thoáng qua tại vị trí phân đoạn giữa LBS 471/333 Hải Dương và Recloser 471/191 Quảng Ngạn, rơle MC 482 được mô phỏng và được cài đặt đầy đủ các cấp bảo vệ với đầy đủ thông số như cài đặt một rơle thực tế. Khi chạy mô phỏng theo thời gian thực, ngay khi xuất hiện dòng sự cố, hệ thống rơle bảo vệ của lưới điện mô phỏng đã lập tức tác động cắt MC 482 một cách chính xác và cô lập được sự cố. 127
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 Hình 6. Giá trị dòng 3-pha và trạng thái của MC 482 khi giả lập sự cố Để phân tích hoạt động của hệ thống DAS, một thí nghiệm giả lập sự cố 03 pha chạm đất thoáng qua tại phân đoạn giữa Recloser 471 LBS 471/56 Điền Hải được tiến hành trong trường hợp việc tính toán phối hợp bảo vệ rơle chưa đảm bảo tính chọn lọc. Với sự cố nhảy vượt cấp này, hệ thống rơle bảo vệ trên lưới điện mô phỏng vẫn tác động thành công để cô lập vùng sự cố, đồng thời gửi các tín hiệu cảnh báo trip đến hệ thống SCADA/DAS (Hình 7). Hình 7. Hệ thống SCADA ghi nhận sự cố nhảy vượt cấp 128
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Thực hiện chức năng FLISR (Fault Location, Isolation and Service Restoration) ở chế độ tự động, DAS đã định vị chính xác phân đoạn sự cố, phân tích tính toán mạng lưới, đưa ra phương án tối ưu để khôi phục các phụ tải ngoài phạm vi sự cố (Hình 8) và tự động gửi lệnh điều khiển thay đổi trạng thái đến các thiết bị đóng cắt trên lưới điện mô phỏng. Hình 8. Hệ thống DAS đề xuất kịch bản khôi phục phụ tải Các kết quả thí nghiệm trên đã thể hiện được các ưu điểm của giải pháp mô phỏng hệ thống điện bằng bộ RTDS dựa trên phương pháp HIL. Hệ thống điện mô phỏng theo thời gian thực đã đảm bảo đầy đủ các yêu cầu để thay thế cho một hệ thống điện thực trong việc kiểm tra và thử nghiệm các thiết bị vật lý hoặc hệ thống điều khiển thực. Việc có thể giả lập linh hoạt các tình huống sự cố trên hệ thống điện mô phỏng cung cấp khả năng phân tích đánh giá một cách toàn diện các chức năng vận hành của hệ thống, đây là việc sẽ rất phức tạp khi thực hiện đối với hệ thống điện trong thực tế. So với các giải pháp truyền thống, giải pháp mô phỏng hệ thống điện bằng bộ RTDS dựa trên phương pháp HIL có thể xem là một giải pháp mới và hiệu quả nhằm giảm thời gian, chi phí thử nghiệm đồng thời giảm thiểu tối đa việc hư hỏng thiết bị cũng như hạn chế việc tạm ngừng cung cấp điện khi phải tiến hành các thử nghiệm trên hệ thống thực. 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Trong bài báo này, nhóm tác giả đã giới thiệu một cách tổng quát phương pháp mô phỏng Hardware-In-The-Loop và bộ mô phỏng số RTDS, để xây dựng và phân tích đánh giá các chức năng vận hành một hệ thống điện mô phỏng thời gian thực. Trên cơ 129
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 sở kết quả thực nghiệm mô phỏng đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống DAS trên lưới điện mô phỏng kết hợp với hệ thống SCADA hiện hữu cho thấy giải pháp mô phỏng HIL kết hợp với bộ mô phỏng số RTDS cho kết quả tin cậy, đây là cơ sở để đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống DAS trước khi đưa vào áp dụng vận hành trên lưới điện thực. Nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về nâng cao chất lượng cung cấp điện cho hệ thống điện ngày càng phức tạp, việc ứng dụng giải pháp HIL và bộ mô phỏng số RTDS trong mô phỏng hệ thống điện theo thời gian thực là giải pháp mới với nhiều ưu điểm và cần thiết để phân tích đánh giá các chức năng vận hành hệ thống điện theo thời gian thực. Đây là một giải pháp cần được EVN và các đơn vị thành viên xem xét đầu tư để đáp ứng yêu cầu hiện đại hóa vận hành hệ thống điện hiện nay. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R. Isermann, J. Schaffnit, S. Sinsel, 1999. Hardware-in-the-loop simulation for the design and testing of engine-control systems. Control Engineering Practice 7, page 643-653. [2] R. Kuffel, J. Giesbrecht, T. Maguire, R.P. Wierckx, P. McLaren, 1995. RTDS - A fully digital power system simulator operating in real time. IEEE Catalogue No. 95TH8130, page 498-503. [3] Jim A. Ledin, 1999. Hardware-in-the-Loop Simulation. Embedded Systems Programming February 1999, page 42-60. [4] P. Venne, X. Guillaud, F. Sirois, 2007. Testing power system controllers by real-time simulation. IEEE Catalogue, page 13-14. 130

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.