Nghiên cứu giải pháp giảm tổn thất công suất cho lưới điện phân phối của công ty điện lực ba đình

Ở luận văn này dự kiến tìm hiểu về phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối theo hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất nhằm tìm kiếm được cấu trúc lưới điện tối ưu qua đó ứng dụng vào

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn: TS Trương Ngọc Minh

Hà Nội, 5/2023

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn: TS Trương Ngọc Minh

Hà Nội, 2023

Chữ ký của GVHD

L ỜI CẢM ƠN

Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của TS Trương Ngọc Minh trong việc hoàn thành luận văn này Trong quá trình làm luận văn, em không thể tránh được các thiếu sót, mong các thầy cô và các bạn góp ý để em hoàn thiện hơn luận văn của mình

Em xin cam đoan luận văn: “Nghiên cứu giải pháp giảm tổn thất công suất cho lưới điện phân phối của Công ty ĐL Ba Đình” do em tự nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của cô TS Trương Ngọc Minh

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Em xin chân thành cảm ơn

HỌC VIÊN

Nguyễn Mạnh Tùng

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Do trực tiếp kết nối với các hộ tiêu thụ điện, lưới điện phân phối (LĐPP) đóng vai trò quan trọng đối với việc bảo đảm chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện Nhu cầu về vận hành tối ưu lưới phân phối, cụ thể là nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy và giảm tổn thất điện năng, ngày càng được quan tâm nghiên cứu với nhiều bài toán và kịch bản đa dạng, đặc biệt là trong công tác quy hoạch phát triển và thiết kế lưới điện Cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, lưới điện phân phối cũng không ngừng được nâng cấp mở rộng hoặc xây dựng mới, đi kèm theo là việc phát triển nguồn và lưới để đáp ứng nhu cầu công suất của phụ tải Vấn đề bảo đảm các chỉ tiêu chất lượng hoạt động của lưới điện phân phối trung và hạ áp luôn được quan tâm tại các đơn vị Điện lực Thực tế vận hành cho thấy, sơ đồ kết lưới hiện nay còn khá nhiều khía cạnh chưa thực sự tối ưu, đồng thời hiện nay các chỉ số về độ tin cậy cung cấp điện và yêu cầu tối ưu hóa chế độ vận hành cho lưới trung hạ áp ngày càng được quan tâm và đưa vào chỉ tiêu thi đua của các Điện lực.Ba Đình là một trong 4 quận trung tâm của thủ đô Đây là nơi tập trung nhiều cơ quan quan trọng của Đảng, Nhà nước nói chung và Hà Nội nói riêng Công ty Điện lực Ba Đình là đơn vị trực thuộc Tổng Công ty Điện lực Thành Phố Hà Nội, được giao nhiệm vụ quản lý vận hành, kinh doanh bán điện, đảm bảo cấp điện liên tục an toàn và ổn định trong địa bàn quận

Luận văn lựa chọn hướng nghiên cứu nhằm xác định một cấu hình mới của LĐPP để đạt các mục tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, giảm tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện trung áp của Công ty Điện lực Ba Đình

Cụ thể là nghiên cứu giải pháp giảm tổn thất công suất cho lưới điện phân phối tại Công ty Điện lực Ba Đình

Mục đích nghiên cứu của luận văn

Bài toán tái cấu trúc LĐPP có thể được thực hiện với nhiều hàm mục tiêu khác nhau như hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất, hàm mục tiêu đảm bảo tiêu

chuẩn kỹ thuật, đảm bảo dòng ngắn mạch… Ở luận văn này dự kiến tìm hiểu về phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối theo hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất nhằm tìm kiếm được cấu trúc lưới điện tối ưu qua đó ứng dụng vào lưới điện phân phối thực tế của Công ty Điện lực Ba Đình, thành phố Hà Nội

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là xuất tuyến lưới phân phối trung áp (22kV) 454E1.8; 464E1.8 và 470E1.8 của Công ty Điện lực Ba Đình, thành phố

Hà Nội dựa trên thực tế thu thập được

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là việc tái cấu trúc lưới điện phân phối theo hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất Trong nội dung nghiên cứu, việc tìm điểm mở trên LĐPP thực chất là đi xác định một cấu hình mới của LĐPP để đạt các mục tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, giảm tổn thất công suất tác dụng…

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

+ Hiện tại LĐPP khi thiết kế có dạng kín nhưng trong chế độ vận hành thì chúng thường vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá… Việc xác định vị trí

mở của các khóa điện cho hệ thống lưới phân phối để tạo nên chế độ vận hành tối

ưu, dựa trên nền tảng ngôn ngữ lập trình MATLAB sẽ giúp cho việc vận hành lưới điện đơn giản, linh hoạt, dễ dàng hơn trong việc thiết kế hệ thống bảo vệ rơ

le, điều chỉnh điện áp dễ dàng, giảm thiểu phát sinh các chi phí sau này để nâng cao khả năng vận hành của lưới

Nội dung nghiên cứu

Nhằm đạt được mục đích nghiên cứu trên, các nội dung sau đã được thực hiện trong luận văn:

- Nghiên cứu một số phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối

- Xây dựng các hệ phương trình để tính toán trào lưu công suất

- Tìm hiểu và áp dụng phương pháp tìm kiếm cấu hình lưới điện phân

phối có tổn thất công suất nhỏ nhất cho lưới điện đã chọn

Trên các cơ sở phạm vi nghiên cứu dự kiến, bản thuyết minh luận văn được

chia thành các nội dung như sau:

- Phần mở đầu

- Chương 1 Tổng quan về bài toán tái cấu trúc lưới phân phối

- Chương 2 Tính toán trào lưu công suất

- Chương 3 Áp dụng kỹ thuật thuật toán tìm kiếm cấu hình lưới điện phân

phối có tổn thất công suất nhỏ nhất

- Chương 4.Tính toán và áp dụng

- Nhận xét và kết luận chung

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Do trực tiếp kết nối với các hộ tiêu thụ điện, lưới điện phân phối (LĐPP) đóng vai trò quan trọng đối với việc bảo đảm chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện Nhu cầu về vận hành tối ưu lưới phân phối, cụ thể là nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy và giảm tổn thất điện năng, ngày càng được quan tâm nghiên cứu với nhiều bài toán và kịch bản đa dạng, đặc biệt là trong công tác quy hoạch phát triển và thiết kế lưới điện Cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, lưới điện phân phối cũng không ngừng được nâng cấp mở rộng hoặc xây dựng mới, đi kèm theo là việc phát triển nguồn và lưới để đáp ứng nhu cầu công suất của phụ tải Vấn đề bảo đảm các chỉ tiêu chất lượng hoạt động của lưới điện phân phối trung và hạ áp luôn được quan tâm tại các đơn vị Điện lực Thực tế vận hành cho thấy, sơ đồ kết lưới hiện nay còn khá nhiều khía cạnh chưa thực sự tối ưu, đồng thời hiện nay các chỉ số về độ tin cậy cung cấp điện và yêu cầu tối ưu hóa chế độ vận hành cho lưới trung hạ áp ngày càng được quan tâm và đưa vào chỉ tiêu thi đua của các Điện lực.Ba Đình là một trong 4 quận trung tâm của thủ đô Đây là nơi tập trung nhiều cơ quan quan trọng của Đảng, Nhà nước nói chung và Hà Nội nói riêng Công ty Điện lực Ba Đình là đơn vị trực thuộc Tổng Công ty Điện lực Thành Phố Hà Nội, được giao nhiệm vụ quản lý vận hành, kinh doanh bán điện, đảm bảo cấp điện liên tục an toàn và ổn định trong địa bàn quận

Luận văn lựa chọn hướng nghiên cứu nhằm xác định một cấu hình mới của LĐPP để đạt các mục tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, giảm tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện trung áp của Công ty Điện lực Ba Đình

Cụ thể là nghiên cứu giải pháp giảm tổn thất công suất cho lưới điện phân phối tại Công ty Điện lực Ba Đình

Mục đích nghiên cứu của luận văn

Bài toán tái cấu trúc LĐPP có thể được thực hiện với nhiều hàm mục tiêu khác nhau như hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất, hàm mục tiêu đảm bảo tiêu

chuẩn kỹ thuật, đảm bảo dòng ngắn mạch… Ở luận văn này dự kiến tìm hiểu về phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối theo hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất nhằm tìm kiếm được cấu trúc lưới điện tối ưu qua đó ứng dụng vào lưới điện phân phối thực tế của Công ty Điện lực Ba Đình, thành phố Hà Nội

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là xuất tuyến lưới phân phối trung áp (22kV) 454E1.8; 464E1.8 và 470E1.8 của Công ty Điện lực Ba Đình, thành phố

Hà Nội dựa trên thực tế thu thập được

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là việc tái cấu trúc lưới điện phân phối theo hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất Trong nội dung nghiên cứu, việc tìm điểm mở trên LĐPP thực chất là đi xác định một cấu hình mới của LĐPP để đạt các mục tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, giảm tổn thất công suất tác dụng…

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Hiện tại LĐPP khi thiết kế có dạng kín nhưng trong chế độ vận hành thì chúng thường vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá… Việc xác định vị trí

mở của các khóa điện cho hệ thống lưới phân phối để tạo nên chế độ vận hành tối

ưu, dựa trên nền tảng ngôn ngữ lập trình MATLAB sẽ giúp cho việc vận hành lưới điện đơn giản, linh hoạt, dễ dàng hơn trong việc thiết kế hệ thống bảo vệ rơ

le, điều chỉnh điện áp dễ dàng, giảm thiểu phát sinh các chi phí sau này để nâng cao khả năng vận hành của lưới

Nội dung nghiên cứu

Nhằm đạt được mục đích nghiên cứu trên, các nội dung sau đã được thực hiện trong luận văn:

- Nghiên cứu một số phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối

- Xây dựng các hệ phương trình để tính toán trào lưu công suất

- Tìm hiểu và áp dụng phương pháp tìm kiếm cấu hình lưới điện phân

phối có tổn thất công suất nhỏ nhất cho lưới điện đã chọn

Trên các cơ sở phạm vi nghiên cứu dự kiến, bản thuyết minh luận văn được

chia thành các nội dung như sau:

- Phần mở đầu

- Chương 1 Tổng quan về bài toán tái cấu trúc lưới phân phối

- Chương 2 Tính toán trào lưu công suất

- Chương 3 Áp dụng kỹ thuật thuật toán tìm kiếm cấu hình lưới điện phân

phối có tổn thất công suất nhỏ nhất

- Chương 4.Tính toán và áp dụng

- Nhận xét và kết luận chung

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI PHÂN

PHỐI 1

1.1 Giới thiệu chung về lưới điện phân phối 1

1.2 Bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối 2

1.2.1 Mô hình toán 3

1.2.2 Một số phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối 4

1.2.2.1 Thuật toán cắt vòng kín [1] 4

1.2.2.2 Thuật toán đổi nhánh [2] 6

1.2.2.3 Thuật toán tìm ngược Backtracking [3] 7

1.2.2.4 Thuật toán tái cấu trúc cho hệ thống lưới điện phân phối lớn cho tổng tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất [4] 8

1.2.3 Nhận xét 9

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT 11

2.1 Xây dựng các hệ phương trình 11

2.1.1 Hệ phương trình cân bằng dòng nút 11

2.1.2 Hệ phương trình cân bằng công suất nút 13

2.2 Phương pháp Newton-Raphson 15

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG KỸ THUẬT THUẬT TOÁN TÌM KIẾM CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ TỔN THẤT CÔNG SUẤT NHỎ NHẤT 22

3.1 Đặt vấn đề: 22

3.2 Thuật toán tái cấu trúc lưới điện phân phối 22

3.2.1 Giai đoạn 1: 23

3.2.2 Giai đoạn 2: 24

3.3 Các bước tiến hành 25

3.4 Sơ đồ thuật toán 26

3.4.1 Giai đoạn 1: 26

3.4.2 Giai đoạn 2: 27

3.5 Ví dụ 28

3.5.1 Giai đoạn 1: 29

3.5.2 Giai đoạn 2: 36

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG 39

4.1 Mô tả lưới điện: 39

4.2 Mô tả quá trình thực hiện thuật toán: 42

4.2.1 Giai đoạn 1: 45

4.2.2 Giai đoạn 2: 48

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Giải thuật của Merlin và Back 5

Hình 1.2: Phương pháp kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange methods 7

Hình 1.3: Đồ thị so sánh kết quả các phương pháp 10

Hình 2.1: Minh họa phương pháp Newton-Raphson 16

Hình 2.2: Sơ đồ khối phương pháp Newton-Raphson 17

Hình 2.3: Sơ đồ khối áp dụng phương pháp Newton-Raphson trong tính toán trào lưu công suất 21

Hình 3 1 Sơ đồ thuật toán tái cấu hình lưới điện phân phối GĐ1 27

Hình 3 2: Sơ đồ thuật toán tái cấu hình lưới điện phân phối GĐ2 28

Hình 3 3: Sơ đồ lưới 5 nút 29

Hình 3 4: Sơ đồ lưới 5 nút sau khi mở khóa 7 34

Hình 3 5: Sơ đồ lưới 5 nút sau khi mở khóa 7&3 35

Hình 3 6: Sơ đồ lưới 5 nút sau khi mở khóa 7,3&2 36

Hình 3 7: Sơ đồ lưới 5 nút sau khi kết thúc GĐ1 37

Hình 3 8: Lưới hình tia tối ưu 38

Hình 3 9: Lưới hình tia bất kỳ 38

Hình 4 1: Mạch vòng phân phối trung áp các lộ 454E1.8, 464E1.8 và 470E1.8 40

Hình 4 2: Giao diện nhập dữ liệu nút 42

Hình 4 3: Giao diện nhập dữ liệu nhánh 43

Hình 4 4: Giao diện chính của chương trình 44

Hình 4 5: Kết quả thu được qua 2 giai đoạn 49

Hình 4 6: Kết quả cuối cùng của bài toán 50

Hình 4 7 Sơ đồ của Lưới điện 51

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh kết quả của các phương pháp nêu trên 9

Bảng 3 1: Dữ liệu các nhánh của lưới điện 29

Bảng 3 2: Danh sách các khóa điện 30

Bảng 3 3: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 1 30

Bảng 3 4: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 2 30

Bảng 3 5: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 3 31

Bảng 3 6: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 4 31

Bảng 3 7: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 5 32

Bảng 3 8: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 6 32

Bảng 3 9: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 7 33

Bảng 3 10: Tổn thất công suất của các trường hợp mở khóa trong bước 1 33

Bảng 3 11: Danh sách các khóa xem xét mở sau bước 1 34

Bảng 3 12: Tổn thất công suất tác dụng của các trường hợp mở khóa trong bước 2 34

Bảng 3 13: Danh sách các khóa xem xét mở sau bước 2 35

Bảng 3 14: Tổng tổn thất công suất trong vòng lặp thứ ba 35

Bảng 3 15: Danh sách khóa mở và các khóa liền kề sau giai đoạn 1 36

Bảng 4 1: Thông số của lưới điện 42

Bảng 4 2: Danh sách khóa mở và kết quả tổn thất công suất GĐ1 47

Bảng 4 3: Kết quả Giai đoạn 2 50

Bảng 4 4: Kết quả của bài toán 50

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI

PHÂN PHỐI 1.1 Giới thiệu chung về lưới điện phân phối

Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thực hiện nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng

Trong hệ thống điện, lưới điện phân phối (LĐPP) nhận điện năng từ lưới truyền tải hay trạm biến áp trung gian của cấp truyền tải để cung cấp điện đến các

hộ tiêu thụ Các yêu cầu chính đối với lưới điện phân phối bao gồm:

- Mạng điện phân phối cung cấp điện năng trực tiếp cho khách hàng sử dụng, do đó chất lượng điện áp là yêu cầu quan trọng cần được bảo đảm Điện áp của lưới phân phối phải nằm trong giới hạn cho phép Độ biến thiên điện áp cho phép là ± 5% Uđm;

- Các thiết bị như máy biến áp, đường dây, cầu chì…phải được đảm bảo không bị quá tải;

- Để đảm bảo việc cung cấp điện liên tục và ít gây mất điện nhất cho khách hàng, lưới điện phân phối phải được cung cấp từ nhiều nguồn khác nhau như : có nhiều nguồn cung cấp, có đường dây dự phòng, có nguồn thay thế;

- Thiết kế lưới điện phân phối vận hành dễ dàng linh hoạt và phù hợp với việc phát triển lưới điện trong tương lai;

- Việc duy tu bảo dưỡng cho lưới phân phối phải đảm bảo chi phí nhỏ nhất Tại Việt nam, lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối điện cho các trạm phân phối trung áp, lưới hạ áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải hạ áp Phụ tải của lưới phân phối Việt Nam đa dạng và phức tạp, nhất là ở một số khu vực các phụ tải sinh hoạt, dịch vụ và tiểu thủ công nghiệp đa phần cùng trong 1 hộ phụ tải

Các LĐPP này khi thiết kế có dạng kín nhưng trong chế độ vận hành thì chúng thường vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá Trong mạch vòng các xuất tuyến được liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc thiết bị nối mạch vòng (RMU), các thiết bị này vận hành ở vị trí mở Khi cần sửa chữa hoặc có sự cố đường dây điện thì việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển

đổi nguồn cung cấp bằng thao tác đóng cắt dao cách ly phân đoạn hay tự động chuyển đổi nhờ các thiết bị nối mạch vòng

So với dạng hình tia, mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn, đó chính là lí

do tồn tại của mạch vòng, song lại gây vấn đề phức tạp về bảo vệ rơle Cấu trúc mạch vòng chỉ thích hợp cho mạng có số lượng trạm trên mạch vòng ít Mặt khác cùng với một giá trị vốn đầu tư thì hiệu quả khai thác mạch vòng kín so với mạch hình tia là thấp hơn Ngoài ra, chất lượng phục vụ của mạng hình tia đã liên tục được cải thiện, đặc biệt là những thập niên gần đây với sự xuất hiện các thiết bị công nghệ mới và các thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện, tăng tiết diện dây dẫn và bù công suất phản kháng, do vậy chất lượng điện mạng hình tia đã được cải tạo nhiều

Kết quả của nhiều nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành đã đưa đến kết luận nên vận hành lưới phân phối theo dạng hình tia bởi các lý do:

 Dễ dàng hơn trong việc thiết kế hệ thống bảo vệ rơle

 Điều chỉnh điện áp dễ dàng hơn

 Dự báo và điều khiển dòng công suất dễ dàng hơn

 Vận hành đơn giản, linh hoạt

 Chi phí thấp

Do đó, LĐPP thường có các điểm mở để tạo thành lưới điện hình tia khi cần thiết Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thì phụ tải của LĐPP thay đổi liên tục nên bài toán xác định vị trí các điểm mở của LĐPP ngày càng quan trọng Việc tìm điểm mở trên LĐPP thực chất là đi xác định một cấu hình mới của LĐPP để đạt các mục tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, cải thiện độ tin cậy cung cấp điện, giảm tổn thất công suất tác dụng… Bài toán này thường được gọi là bài toán tái cấu trúc LĐPP

1.2 Bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối

Bài toán tái cấu trúc lưới điện thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng/mở các cặp thiết bị chuyển mạch không những không đòi hỏi nhiều về vốn đầu tư mà còn giúp giảm tổn thất điện năng đáng kể khi cân bằng tải giữa các tuyến được thiết lập Không chỉ vậy, tái cấu trúc lưới điện phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới và giảm số khách hàng bị mất điện khi

sự cố Tái cấu trúc lưới điện có ý nghĩa quan trọng trong quản lý, vận hành lưới điện

Bài toán tái cấu trúc có thể được thực hiện với nhiều hàm mục tiêu khác nhau, như hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất, hàm mục tiêu đảm bảo yêu cầu

kỹ thuật, đảm bảo dòng ngắn mạch, v.v Trong phạm vi đồ án này, bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối theo hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất sẽ được quan tâm

1.2.1 Mô hình toán

Vấn đề tái cấu trúc hệ thống cũng tương tự nhiều bài toán tối ưu khác như bài toán tính toán phân bố tối ưu công suất, tính toán tìm vị trí, dung lượng bù tối ưu… Tuy nhiên, khối lượng tính toán của bài toán tái cấu trúc là lớn do có nhiều biến số tác động đến các trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành như: lưới điện phân phối phải vận hành hở, không quá tải máy biến áp, đường dây, thiết bị đóng cắt, và sụt áp tại các hộ tiêu thụ điện phải nằm trong giới hạn cho phép Vấn đề tiếp theo là phải đóng mở các khóa trong mỗi vòng sao cho tổn thất công suất trên mạng phân phối đặc trưng là nhỏ nhất Để làm được điều này ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm kiếm cấu trúc lưới có tổn thất công suất nhỏ nhất

Về mặt toán học, tái cấu trúc lưới điện là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc theo dòng công suất chạy trên các nhánh:

S ij : dòng công suất trên nhánh ij

S ft : dòng công suất trên đường dây ft

ft: các đường dây được cung cấp điện từ máy biến áp t

không làm việc

Hàm mục tiêu (2) thể hiện tổng tổn thất công suất trên toàn lưới phân phối,

có thể đơn giản hóa hàm mục tiêu bằng cách xét dòng công suất nhánh chỉ có thành phần công suất tải và điện áp các nút tải là hằng số Biểu thức (2.1) đảm bảo cung cấp đủ công suất theo nhu cầu của các phụ tải Biểu thức (2.2) và (2.3) là điều kiện chống quá tải tại trạm trung gian và sụt áp tại nơi tiêu thụ Biểu thức (2.4) đảm bảo rằng các trạm biến thế hoạt động trong giới hạn công suất cho phép Biểu thức (2.5) đảm bảo mạng điện được vận hành với cấu hình tia Với mô tả trên, tái cấu trúc hệ thống lưới điện phân phối là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc Hàm mục tiêu bị gián đoạn, rất khó để giải bài toán tái cấu trúc bằng phương pháp giải tích toán học truyền thống và điều này còn gặp khó khăn hơn khi lưới điện không cân bằng

- Các giả thiết trong bài toán tái cấu trúc:

x Không xét điến các thiết bị bù phản kháng

x Độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối được xem là không đổi khi cấu trúc lưới thay đổi

1.2.2 Một số phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối

1.2.2.1 Thuật toán cắt vòng kín [1]

Giải thuật của Merlin và Back khá đơn giản: “ Đóng tất cả các khóa điện lại tạo thành 1 vòng kín, sau đó giải bài toán phân bố công suất và tiến hành mở lần lượt các khóa có dòng điện bé nhất cho đến khi lưới điện trở thành dạng hình tia”

Ở đây Merlin và Back cho rằng với mạch vòng, lưới điện phân phối luôn có mức

tổn thất công suất bé nhất Vì vậy để có lưới điện phân ph1ối vận hành hình tia,

Merlin và Back lần lượt loại bỏ những nhánh có tổn thất công suất nhỏ nhất, quá

trình sẽ chấm dứt khi lưới điện đạt trạng thái vận hành hở Các giải thuật tìm kiếm

nhánh và biên ứng dụng kỹ thuật Heuristic này mất nhiều thời gian do có khả năng

hiện giải thuật của Merlin và Back, đã được Shirmohammadi bổ sung:

Hình 1.1: Giải thuật của Merlin và Back

Giải thuật này chỉ khác so với các giải thuật nguyên thủy của Merlin và

Back ở chỗ có xét đến điện thế ở trạm trung gian và yếu tố liên quan đến dòng

Lưới điện hình tia?

Đóng khóa điện vừa mở

Mở khóa điện có dòng bé nhất tiếp theo

Kết quả

Yes

Yes No

No

Giải thuật của Merlin và Back được Shirmohammadi chỉnh sửa, ông là tác giả đầu tiên sử dụng kĩ thuật bơm vào và rút ra một lượng công suất không đổi để

mô phỏng thao tác thay đổi cấu trúc của lưới điện phân phối hoạt động hở về mặt vật lý nhưng về mặt toán học là một mạch vòng Dòng công suất bơm vào và rút ra

là một đại lượng liên tục Sau khi chỉnh sửa, kỹ thuật này vẫn còn bộc lộ nhiều nhược điểm như:

- Mặc dù đã áp dụng các kỹ thuật tìm kiếm kinh nghiệm, giải thuật này vẫn cần nhiều thời gian để tìm cấu trúc giảm tổn thất công suất

- Tính chất không cân bằng và nhiều pha chưa được mô phỏng đầy đủ

- Tổn thất công suất của máy biến áp chưa được xét đến trong giải thuật 1.2.2.2 Thuật toán đổi nhánh [2]

Phương pháp kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange methods được bắt đầu với giả thiết là: Lưới điện phân phối được vận hành với cấu trúc hình tia, một khóa điện được đóng lại và đồng thời 1 khóa điện khác trong mạch vòng được mở ra đảm bảo cấu trúc hình tia của lưới điện Mỗi lần thay đổi trạng thái đóng/cắt của một cặp khóa điện, sự thay đổi tổn thất công suất trên lưới lại được đánh giá Phương pháp thay đổi nhánh sẽ dừng lại khi không thể giảm tổn thất công suất được nữa

Được Civanlar phát triển năm 1989, phương pháp này yêu cầu sự phân tích đánh giá dòng công suất trên toàn bộ hệ thống tại thời điểm tính toán Sự thay đổi tổn thất nhờ sự thay đổi trạng thái đóng cắt của cặp khóa điện được tính qua công thức:

Phương pháp này có hạn chế là khối lượng tính toán nhiều, trong lưới điện lớn, số lượng khóa điện nhiều, việc tính toán chế độ trong mỗi lần thay đổi trạng

thái đóng/cắt của cặp khóa điện là rất khó khăn và mất nhiều thời gian

Hình 1.2: Phương pháp kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange methods

1.2.2.3 Thuật toán tìm ngược Backtracking [3]

Thuật toán – Backtracking – được Thomas E.MacDermott nghiên cứu và phát triển năm 1998, thuật toán này cũng là 1 trong những bài toán “mở lần lượt các thiết bị đóng cắt phân đoạn – sequential switch opening method” nhưng xuất phát điểm lại ngược lại so với thuật toán cắt vòng kín của Shirmohammadi Trong thuật toán này, Thomas giả thiết tất cả các khóa điện đều mở, các phụ tải được thay thế bởi các nguồn dòng đồng thời đưa ra 1 tỷ số giữa tổn thất công suất và trị

số nguồn dòng tại nút được cấp điện nhờ khóa điện đang xét đóng Tỷ số giữa tổn thất công suất và nguồn dòng càng nhỏ thì càng có lợi

Giảm số lần thao tác khóa điện bằng cách xem xét các luật Heuristic

Tính toán tổn thất công suất cho các thao tác đóng cắt được đề nghị

Phân bố công suất cho lưới điện mới

Thực hiện thao tác đóng cắt khóa có mức

độ giảm tổn thất công suất nhất

Các thao tác đóng cắt làm giảm tổn thất công suất?

Kiểm tra quá tải

Thuật toán Backtracking gồm các bước như sau:

Bước 1: Mở tất cả các khóa điện, mỗi khóa điện được xem là một kết nối giữa các phụ tải với nhau hay giữa nguồn với phụ tải

Bước 2: Tìm cách gắn lần lượt từng phụ tải vào hệ thống qua một khóa điện duy nhất, khóa điện này sẽ có trạng thái đóng Các phụ tải có quyền lựa chọn xem việc nối với nguồn nào để có tổn thất công suất nhỏ nhất

Bước 3: Tải sau khi được nối vào hệ thống sẽ trở thành nguồn cho các tải kế tiếp xem xét để kết nối ( điều này đảm bảo mỗi tải chỉ được cung cấp điện từ một nguồn duy nhất – điều kiện cấu hình vận hành hình tia)

Bước 4: Quá trình hình thành lưới điện sẽ kết thúc khi tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện Các khóa điện mở là các khóa còn lại trong hệ thống

Phương pháp này của Thomas E.MacDermott đã chứng minh được tính đúng đắn khi đi giải các bài toán mẫu đã được chứng minh như bài toán Civanlar hai nguồn, ba nguồn, bài toán Glamocanin, bài toán Baran và Wu đều cho ra kết quả trùng lặp với các phương pháp khác, điều đó chứng tỏ sự đúng đắn của giải thuật

Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn bị hạn chế là khi lưới điện phân phối lớn với rất nhiều nút và nhiều nguồn cung cấp thì phương pháp này tính toán và phân tích kết quả của từng nhánh và từng nút trong lưới do đó khối lượng tính toán lớn, kết quả đưa ra còn chậm

1.2.2.4 Thuật toán tái cấu trúc cho hệ thống lưới điện phân phối lớn cho tổng tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất [4]

Thuật toán này được F.Vanderson Gomes nghiên cứu và phát triển năm

2004 Thuật toán này đặc biệt phù hợp với hệ thống lưới điện phân phối quy mô lớn Thuật toán bắt đầu với giả thiết tất cả các khóa điện đều đóng Việc quyết định

mở một khóa dựa trên kết quả tính toán trào lưu công suất với tổng tổn thất công suất tác dụng trong lưới nhỏ nhất Phương pháp gồm hai giai đoạn:

1- Các khóa lần lượt được mở ra cho đến khi lưới trở thành hình tia, đồng thời trong quá trình mở khóa, một danh sách các khóa liền kề với khóa được mở sẽ được lưu lại

2- Trao đổi trạng thái các khóa được mở với hai khóa liền kề chúng và so sánh tổng tổn thất trong 2 trường hợp, lựa chọn mở hoàn toàn khóa cho tổn thất công suất tác dụng nhỏ hơn

Phương pháp của F.Vanderson Gomes có những ưu điểm như : kết quả của việc tái cấu trúc lưới không phụ thuộc vào trạng thái các khóa trong lưới ban đầu; phương pháp cho kết quả lưới phân phối hình tia tối ưu đồng thời tránh được việc đưa ra quá nhiều phương án và số lượng tính toán lớn trong việc lựa chọn

1.2.3 Nhận xét

Thông qua mô hình bài toán và các các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối, dễ thấy bài toán tái cấu trúc lưới điện có không gian nghiệm lớn, số lượng bước giải nhiều, đặc biệt là ma trận trạng thái các khóa của lưới điện lớn Do

đó việc giải bài toán tìm kiếm cấu trúc lưới điện tối ưu cần tìm phương pháp sao

cho vừa tìm được nghiệm tối ưu vừa có tốc độ giải nhanh chóng

Các phương pháp trình bày ở mục I.2.2 được tính toán chung với lưới phân phối của Brazil trên máy tính PENTIUM IV, 1,6-GHz với RAM 256 Mb Lưới bao gồm 2 nguồn, nguồn thứ 1 cung cấp cho 258 nút phụ tải với tổng công suất tác dụng là 5140kW, tổng công suất phản kháng là 1949 kVar Nguồn thứ 2 cung cấp cho 218 nút phụ tải, tổng công suất tác dụng là 3874kW, tổng công suất phản

kháng là 1498kVar Trong trường hợp này, tổn thất lúc ban đầu là 202,09 kW

Bảng 1.1: So sánh kết quả của các phương pháp nêu trên

Phương pháp Tổn thất cuối cùng

(kW)

Độ giảm tổn thất so với kết quả tổn thất ban đầu (%)

Hình 1.3: Đồ thị so sánh kết quả các phương pháp

Từ bảng trên, phương pháp [4] cho kết quả tổn thất giảm được 21% so với tổng tổn thất ban đầu trong khi các phương pháp Shirmohammadi [1], thuật toán đổi nhánh [2], McDermott [3] chỉ giảm được tổn thất ít hơn 5% so với tổng tổn thất ban đầu

Do đó, phương pháp [4] sẽ được lựa chọn là phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối nhằm giảm tối đa tổn thất công suất tác dụng trong khuôn khổ đồ

ΔPmin

2 CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT

- Phụ tải được thay thế bằng tổng trở cố định

- Sức điện động và điện kháng máy phát không đổi

Ta xét các thông số của hệ thống được qui đổi về cấp điện áp cơ sở

2.1.1 Hệ phương trình cân bằng dòng nút

Xét sơ đồ gồm có n+1 nút (kể cả nút đất) Nút đất có số thứ tự là 0

Các thông số:

suất và điện áp nút:

୙෡ౡ

m, dòng này có giá trị không đổi trên toàn nhánh, giả thiết chỉ có 1 nhánh nối giữa một cặp nút

‹୩ ൌ ൭ ෍ ›ሶ୩୫

୫ஷ୩

୫ஷ୩

ې൦

Nhận xét:

Tổng các phương trình trong hệ bằng 0, nên 1 phương trình trong hệ là phụ

phương trình tương đương của các phương trình còn lại

ې൦

2.1.2 Hệ phương trình cân bằng công suất nút

Trong tính toán chế độ xác lập, thường ta không biết dòng điện nút, mà chỉ biết công suất nút, do đó, hệ phương trình tính toán chế độ cần chuyển về dạng cân bằng công suất nút

Đây là hệ phương trình cân bằng công suất nút của hệ thống, dễ thấy nó là

hệ phương trình phi tuyến, để giải được hệ này ta có thể dùng phương pháp lặp

Bài toán giải tích chế độ xác lập chuẩn:

Mỗi nút của hệ thống có 2 phương trình thực và được xác định bằng 4 thông số:

- Cần cho trước góc pha điện áp ở một nút nào đó

- Không thể cho trước công suất P (hoặc Q) ở tất cả các nút (không kể nút trung tính - đất, tại đó công suất bằng 0), do vậy phải có ít nhất 1 nút không cho trước công suất, gọi là nút cân bằng công suất

Tùy vào các thông số đã cho trước, 1 lưới điện sẽ gồm 3 loại nút, ứng với 3 loại dữ liệu về nút đó:

1 Nút phụ tải hay nút PQ :

+ Nút này cho trước P và Q

+ Nút PQ bao gồm các nút tải, thường biết được công suất tiêu thụ trong mọi chế độ làm việc, nó cũng bao gồm các nút trung gian (công suất nút bằng 0: P

= 0, Q = 0); các nút nguồn phát bù, phát P và Q cố định theo yêu cầu; các nút bù công suất phản kháng (P = 0, Q = const)

2 Nút nguồn điều khiển điện áp hay nút PV :

+ Nút này cho trước P và mô đun điện áp U

+ Nút PV có nhiệm vụ giữ điện áp tại nó không đổi, nó thường bao gồm các nút nguồn điện lớn, được trang bị các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ; hoặc các nút bù công suất phản kháng, có nhiệm vụ giữ điện áp

+ Các nút PV thường kèm theo 1 ràng buộc về nguồn công suất phản kháng:

Qimin ≤ Qi ≤ Qimax

3 Nút cân bằng :

+ Nút cân bằng cho trước điện áp và góc pha, thường cho Ɂ = 0

+ Nút cân bằng là một nút nhà máy điện có công suất lớn, có nhiệm vụ điều tần cho hệ thống Nút này phát P và Q thay đổi nhằm giữ tần sô hệ thống và điện

áp nút không đổi

2.2 Phương pháp Newton-Raphson

Phương pháp Newton - Raphson được sử dụng phổ biến để giải các phương trình dòng công suất của hệ thống điện Khai triển chuỗi Taylor đối với hàm có hai hay nhiều biến là cơ sở của phương pháp này

xỉ của nghiệm thực sau:

f’(xk)Δxk = - f(xk) (2.4)

Hình 2.1: Minh họa phương pháp Newton-Raphson

b Hệ phương trình phi tuyến:

ې

Hệ phương trình lặp tổng quát thỏa mãn điều kiện detJ ≠ 0 có dạng:

ې

Điều kiện để quá trình lặp dừng là F(X) = 0 Tuy nhiên, do X là nghiệm gần đúng của hệ phương trình, nên quá trình lặp sẽ kết thúc khi ở bước lặp cuối cùng

Hình 2.2: Sơ đồ khối phương pháp Newton-Raphson

i: = i + 1 Giải hệ phương trình

ΔX(i) = -[ J(X(i))] -1 F(X(i))

Tính nghiệm xấp xỉ X(i+1) = X(i) + ΔX(i)

ΔX(i) < ε

Không hội tụ Dừng và in kết quả

2 Ứng dụng trong giải tích lưới điện:

x Pi,t vàQi,t là công suất tác dụng và phản kháng tính được tại nút i theo công thức (10) và (11)

Trong n+1 nút của hệ thống ta có nút cân bằng (giả sử đánh số 0) có các giá

- Các nút PV không cho Q nên ta loại bỏ phương trình ΔQ, chỉ có biến trạng thái δ

- Các nút PQ lập cả 2 phương trình ΔP và ΔQ, có hai biến trạng thái là U

và δ

Như vậy hệ sẽ có (2n c + n g ) = (n+n c ) phương trình, (n+n c) ẩn Các biến nút còn lại là Q ở nút PV và P,Q ở nút cân bằng có thể tính dược dể dàng sau khi đã giải hệ phương trình

ۏێێێێێێ

Trong đó ma trận J =

ۏێێێێێێێ

Æ

Æ Là ma trận Jacobian của hệ thống

Phương trình (2.18) có thể viết gọn hơn như sau:

trong các ma trận con được xác định theo các phương trình công suất (2.11) và (2.12)

(2.23)

Từ phương trình (2.12) ta nhận được các công thức đối với các phần tử

định theo các công thức sau: