TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CẤU TRÚC HỢP LÝ
CHO LƯỚI PHÂN PHỐI 22KV TẠI KHU VỰC
MIỀN TRUNG VÀ TÂY NGUYÊN
SELECTIVE CALCULATION OF A PROPER STRUCTURE FOR 22KV
ELECTRIC DISTRIBUTION GRID SYSTEM IN THE CENTRAL REGION
AND HIGHLANDS OF VIETNAM
NGÔ VĂN DƯỠNG
Đại học Đà Nẵng
NGUYỄN DƯƠNG LONG
Công ty Điện lực 3
TÓM TẮT
Bài báo trình bày phương pháp tính toán, phân tích để lựa chọn cấu trúc hợp lý cho lưới điện
phân phối 22KV. Qua tìm hiểu ưu nhược điểm các dạng cấu trúc lưới điện phân phối đang sử
dụng trên Thế Giới, đề xuất sử dụng kết hợp cấu trúc theo chuẩn Châu Âu và chuẩn Bắc Mỹ
cho lưới điện phân phối tại khu vực Miền Trung và Tây Nguyên.
ABSTRACT
This article is aimed at finding the proper calculation and analysis to select a proper structure
for 22KV Electric Distribution Grid System. After studying the advantages and disadvantages
of structure forms for electric distribution grids used in the world, we decide to propose the
combination of the structures conforming to European and North - American standards to be
applied for electric distribution grid system in the Central Region and Highlands of Vietnam.
1. Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, hệ thống điện (HTĐ) Việt Nam trong những
năm qua đã và đang phát triển nhanh cả về qui mô lẫn công nghệ. Bên cạnh việc hình thành
các đường dây truyền tải để liên kết giữa các khu vực, lưới điện phân phối (LĐPP) cũng phát
triển nhanh theo sự phát triển của các khu kinh tế, khu công nghiệp và các khu đô thị mới...
Tuy nhiên LĐPP ở Việt Nam đang tồn tại nhiều cấp điện áp khác nhau như: 6KV, 10KV,
15KV, 22KV và 35KV, theo chủ trương của Tổng công ty Điện lực Việt Nam [1] là từng
bước chuyển đổi sang cấp 22KV có trung tính trực tiếp nối đất. Hiện nay trên thế giới đang
tồn tại 2 dạng kết cấu LĐPP cơ bản đó là: theo chuẩn Bắc Mỹ có dạng 3 pha, 4 dây và máy
biến áp (MBA) phụ tải sử dụng chủ yếu là loại 1 pha; theo chuẩn Châu Âu có dạng 3 pha, 3
dây trung tính trực tiếp nối đất và MBA phụ tải sử dụng là loại 3 pha. Qua tìm hiểu ưu nhược
điểm của các dạng kết cấu trên [5], kết hợp với thực tế tại Việt Nam cho thấy có thể sử dụng
kết hợp 2 chuẩn trên cho LĐPP 22KV, đặc biệt là tại khu vực Miền Trung và Tây Nguyên.
Nghĩa là: sử dụng phương án dùng MBA 3 pha cho các khu vực phụ tải chủ yếu là 3 pha như
các khu công nghiệp và sử dụng phương án dùng MBA 3 pha kết hợp với MBA 1 pha điện áp
dây và 1 pha điện áp pha cho các khu dân cư. Tuy nhiên, khi sử dụng phương án kết hợp có
thể xuất hiện mất đối xứng lớn trong LĐPP, do đó cần phải tính toán phân bố hợp lý trong
thiết kế và điều chỉnh trong vận hành đảm bảo cho hệ số không đối xứng (KĐX) về dòng và
áp trên lưới phải nằm trong giới hạn cho phép. Mặt khác, để lựa chọn kết cấu hợp lý cho
LĐPP của từng khu vực cụ thể cần có sự tính toán so sánh hiệu quả đầu tư công trình theo
phương án kết hợp so với phương án sử dụng MBA 3 pha như hiện nay.
2. Phương pháp tính toán hệ số không đối xứng
2.1. Lựa chọn phương pháp tính toán
Để tính toán phân tích chế độ KĐX của HTĐ thường sử dụng các phương pháp khác
nhau như: Phương pháp thành phần đối xứng, phương pháp giải tích tổ hợp mạng điện,
phương pháp toạ độ pha... Qua phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp [6] cho thấy
để tính toán hệ số KĐX cho LĐPP thì phương pháp giải tích tổ hợp mạng điện là phù hợp và
dễ tính toán. Tinh thần của phương pháp là xem mạng điện 3 pha là tổ hợp của 3 mạng điện 1
pha, từ đó áp dụng phương pháp giải tích mạng điện để tính toán trực tiếp dòng và áp trên các
pha, tổn thất điện áp trên các nhánhvà điện áp tại các nút với điện áp nút nguồn (nút cân bằng)
đã biết. Trên cơ sở đó có thể tính toán được các thành phần đối xứng của điện áp, dòng điện
trên các nhánh và xác định được hệ số KĐX của LĐPP.
2.2. Mô hình và phương pháp tính toán
Xét sơ đồ thay thế để tính toán
dòng điện nút và nhánh cho một đoạn
đường dây tại nút k như hình 1.
Trong đó, phụ tải được thay thế bằng
các tổng trở có giá trị cố định đấu sao
hoặc tam giác tuỳ theo công suất và
tính chất phụ tải [2][4]. Sử dụng các
định luật Kirhof để tính toán các dòng
điện trên sơ đồ như (1) và (2).
(2) (1)
caca
k
ca
bc
bc
k
bc
ab
ab
k
ab
cncn
k
cn
bn
bn
k
bn
an
an
k
an
YUI
YUI
YUI
YUI
YUI
YUI
Từ đó có thể xác định dòng điện cần cung cấp cho phụ tải tại nút k và dòng điện trên
nhánh k như sau:
(4) (3)
1
1
1
m
i
i
c
k
ptc
k
c
m
i
i
b
k
ptb
k
b
m
i
i
a
k
pta
k
a
k
bc
k
ca
k
cn
k
ptc
k
ab
k
bc
k
bn
k
ptb
k
ca
k
ab
k
an
k
pta
III
III
III
IIII
IIII
IIII
Trong đó:
- Iai, Ibi, Ici : là dòng
điện trên các nhánh có
nút đầu là k.
- m : là số nhánh có
nút đầu là k
Tương tự để tính toán điện áp trên nhánh thứ k, xét sơ đồ thay thế như hình 2, đối với
LĐPP 22KV có thể bỏ qua các tổng trở tương hỗ giữa dây dẫn pha-pha (Zab=Zbc=Zca=0), dây
dẫn pha-đất (Zan=Zbn=Zcn=0) và giả thiết thông số đường dây trên các pha là đối xứng
(Zaa=Zbb=Zcc=Zd). Từ sơ đồ có thể xác định được tổn thất điện áp trên nhánh k và điện áp tại
nút (k+1) như sau:
(6) (5)
)()(
)()(
)()(
1
1
1
k
c
k
c
k
c
k
b
k
b
k
b
k
a
k
a
k
a
k
b
k
an
k
c
nd
k
c
k
c
k
an
k
b
nd
k
b
k
c
k
bn
k
a
nd
k
a
UUU
UUU
UUU
IIZIZZU
IIZIZZU
IIZIZZU
Từ các công thức (4), (5), (6), sử dụng bài toán lặp trong giải tích mạng điện, với các
Ia
k
Ib
k
Ic
k
In
k
Yan
Ybn
Ycn
Yab
Ybc
Yca
Ian
k
Ibn
k
Icn
k
Iab
k
Ibc
k
Ica
k
Ia
k+1
Ib
k+1
Ic
k+1
In
k+1
Hình 1
Ia
k
Ib
k
Ic
k
In
k
Zaa
Zbb
Zcc
Zn Zan Zbn Zcn
Zab
Zbc Zca
Ua
k
Ua
k+1
Hình 2
điều kiện bờ về điện áp nguồn và
công suất phụ tải đã biết, để tính toán
điện áp tại các nút và dòng điện trên
các nhánh. Từ đó xác định được các
thành phần đối xứng [2] và tính toán
hệ số KĐX cho lưới điện.
(8) (7)
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
2
2
1
2
2
2
2
1
2
2
uj
uu
ij
ii
uj
uu
ij
ii
eK
U
U
K
eK
I
I
K
eK
U
U
K
eK
I
I
K
2.3. Sơ đồ thuật toán và chương trình tính hệ số KĐX
Từ kết quả trên có thể xây dựng các sơ
đồ thuật toán để tính toán hệ số KĐX như
sau:
Trên cơ sở các thuật toán đề tài đã xây dựng chương trình "KDX" [6] [7] cho phép
tính toán dòng điện trên các nhánh, điện áp tại các nút và hệ số KĐX cho LĐPP đến 500 nút,
màn hình và các chức năng tính toán của chương trình như trên hình 6.
Nh
Tính Y
nút
, Z
nh
U = U
đm
Tính dòng
đi
ện tại các nút I
nút
Tính dòng
đi
ện tr
ên các nhánh I
nh
T = U
Tính t
ổn thất điện áp tr
ên các
nhánh và điện áp tại các nút
T
-
U
<
Tính U
0
, U
2
t
và I0, I2 trên các nhánh
Tính K
U0
, K
U2
, K
I0
, K
I2
B
ắt đầu
D
ỪNG
Đ
S
Hình 3: Thuật toán chương trình chính
k = 0
k = k + 1
Tính dòng
đi
ện tại các nút I
nút
k = n
B
ắt đầu
D
ỪNG
Đ
S
Hình 5:
Thu
ật toán
tính dòng điện nút Hình 6: Màn hình chương trình KDX
k = 1
Inh(k) = Inut(k)
nd[j] = k
B
ắt đầu
D
ỪNG
Đ
S
j = j -1
j = 1
j = n
Inh(k) = Inh(k) + Inh(j)
j = 1
k = 1
k = k -1
S
Đ
Đ
S
Hình 4: Thuật toán tính dòng điện nhánh
3. Tính toán hiệu quả đầu tư để lựa chọn cấu trúc cho LĐPP
3.1. Phương pháp tính toán: Qua tìm hiểu các phương pháp tính toán hiệu quả đầu tư
công trình [2][4], đối với LĐPP đề tài sử dụng phương pháp hàm chi phí hằng năm Z để tính
toán phân tích hiệu quả đầu tư công trình, làm cơ sở cho việc lựa chọn cấu trúc hợp lý cho
từng khu vực. Hàm chi phí được xác định như sau:
(9) )())(( CAAAKKKaaZ htTBAtthtTBAtttcvh
Trong đó: - K, A: là vốn đầu tư và tổn thất điện năng của các thành phần trong lưới.
- avh, atc, C: là hệ số vận hành, thu hồi vốn và giá 1KWh tổn thất.
Để đảm bảo tính đúng đắn khi so sánh các phương án cần đảm bảo nguyên tắc: Chất
lượng điện năng đến hộ xa nhất, phạm vi và công suất cấp điện của các phương án là tương
đương; Mật độ phụ tải trong phạm vi cấp điện phân bố đều; Phụ tải của lưới 3 pha là đối
xứng.
3.2. Nguyên tắc bố trí cấu trúc lưới: Đối với mỗi khu vực tuỳ theo thực tế của công
trình có thể lựa chọn một trong các dạng cấu trúc LĐPP sau, giữa phương án dùng MBA 3
pha và phương án dùng MBA 1 pha trong sơ đồ kết hợp:
a. Cấu trúc 1:
b. Cấu trúc 2:
c. Cấu trúc 3:
3.3. Lựa chọn cấu trúc cho LĐPP: Trên cơ sở cấu trúc lưới xây dựng theo 2 phương
án, tiến hành tính toán hàm chi phí hàng năm Z theo (9). Phương án được lựa chọn sẻ là
phương án có hàm chi phí Z bé nhất.
4. Áp dụng tính toán cho LĐPP thực tế
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu ở mục 2 và mục 3, đề tài đã tiến hành tính toán cho
2 lưới điện thực tế [6] kết quả như sau:
S
(3pha)
XT2
XT1
Hình 7: Cấu trúc dùng MBA 3 pha
S
1
(1pha)
S
2
(1pha)
S
3
(1pha)
Hình 8: Cấu trúc dùng MBA 1 pha
S
(3pha)
XT2
XT1
XT3
XT4
Hình 9: Cấu trúc dùng MBA 3 pha
S
1
(1pha)
S
2
(1pha)
S
3
(1pha)
Hình 10: Cấu trúc dùng MBA 1 pha
S
(3pha)
Hình 11: Cấu trúc dùng MBA 3 pha
S
1
(1pha)
S
2
(1pha)
S
3
(1pha)
S
4
(1pha)
Hình 12: Cấu trúc dùng MBA 1 pha
4.1. Dự án điện khí hoá xã Vĩnh Thịnh, tỉnh Bình Định (dạng LĐPP khu vực nông
thôn)
CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CHỈ TIÊU KINH TẾ
Thông số Đ.vị 3 pha hổn
hợp Chỉ tiêu Đ.vị 3 pha hổn hợp
KUmax % 0,00 0,11
Umax trung
áp % 1,90 2,10
Vốn đầu t
ư
công trình 103
VNĐ
8.432,96 7.413,61
Umax hạ áp % 2,90 2,61
A 103KWh 97,70 95,86
Hàm chi
phí
tính toán Z
103
VNĐ
1.296,35 1.146,81
4.2. Dự án cải tạo lưới Buôn Mê Thuộc, tuyến 472-F1 (dạng LĐPP khu vực đô thị)
CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CHỈ TIÊU KINH TẾ
Thông số Đ.vị 3 pha hổn
hợp Chỉ tiêu Đ.vị 3 pha hổn hợp
KUmax % 0,00 0,11
Umax trung
áp % 1,90 2,10
Vốn đầu t
ư
công trình 103
VNĐ
8.432,96 7.413,61
Umax hạ áp % 2,90 2,61
A 103KWh 97,70 95,86
Hàm chi
phí
tính toán Z
103
VNĐ
1.296,35 1.146,81
Qua kết quả tính toán cho 2 trường hợp trên cho thấy phương án sử dụng cấu trúc kết
hợp có hàm chí phí tính toán hàng năm Z nhỏ hơn và hệ số KĐX nằm trong giới hạn cho
phép, cho nên cấu trúc hợp lý sử dụng cho các khu vực trên là LĐPP có cấu trúc kết hợp.
5. Kết luận
Chương trình "KDX" được sử dụng để tính toán phân bố dòng điện và điện áp cho
LĐPP có xét đến yếu tố bất đối xứng. Kết quả chạy chương trình có thể nhận được dòng điện
trên các nhánh và điện áp tại các nút trên cả 3 pha và hệ số KĐX về dòng điện và điện áp.
Đối với LĐPP 22 KV có trung tính trực tiếp nối đất có thể sử dụng cấu trúc kết hợp
giữa chuẩn Châu Âu và chuẩn Bắc Mỹ, tuy nhiên trong từng trường hợp cụ thể cần có sự tính
toán để hệ số KĐX về dòng và áp nằm trong giới hạn cho phép và có sự so sánh hàm chi phí
Z với phương án dùng MBA 3 pha để lựa chọn.
Qua kết quả tính toán cho thấy đối với LĐPP khu vực Miền Trung và Tây Nguyên nếu
bố trí cấu trúc hợp lý thì phương án kết hợp giữa MBA 1 pha và 3 pha có hàm chi phí thấp.
Đặc biệt đối với khu vực Tây Nguyên có nhiều cụm phụ tải công suất nhỏ ở xa trung tâm thì
phương án nầy khá hiệu quả.