Tổng quan nghiên cứu
Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Điện năng đóng vai trò thiết yếu trong sự phát triển kinh tế và nâng cao đời sống của Việt Nam, kéo theo nhu cầu sử dụng điện tăng trưởng mạnh mẽ trong mọi lĩnh vực Ngành điện đang đối mặt với cơ hội và thách thức trong việc đảm bảo cung cấp điện liên tục, đáp ứng nhu cầu xã hội ngày càng cao Do tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải và phân phối là đáng kể, việc đánh giá và tìm kiếm giải pháp giảm thiểu tổn thất này trở nên vô cùng cấp thiết.
Các nghiên cứu về giảm tổn thất điện năng ngày càng được quan tâm, tuy nhiên, mỗi nghiên cứu lại sử dụng một công cụ tính toán khác nhau Phần mềm PSS/SINCAL đang dần được sử dụng rộng rãi trong ngành điện nhờ tính năng phân tích lưới đa dạng và giao diện thân thiện Lưới điện Cửa Lò đã có nhiều thay đổi sau thời gian vận hành, đòi hỏi việc đánh giá và tối ưu hóa để giảm tổn thất điện năng Vì vậy, đề tài "Nghiên cứu tính toán tổn thất điện năng và đề xuất các giải pháp giảm tổn thất điện năng của lưới phân phối Áp dụng cho lưới điện Cửa Lò" được chọn làm luận văn thạc sĩ.
Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan
Tổng quan nghiên cứu chọn lọc 18 nghiên cứu, bao gồm 4 nghiên cứu quốc tế và 14 nghiên cứu tại Việt Nam, tập trung vào các giải pháp và phương pháp tính toán giảm tổn thất điện năng.
Các nội dung chính mà tác giả tỉm hiểu và nghiên cứu:
- Nghiên cứu về các phương pháp tính toán tổn thất điện năng
- Nghiên cứu về các giải pháp giảm tổn thất điện năng
- Nghiên cứu về các thuật toán tối ưu nhằm giảm tổn thất điện năng lưới điện phân phối
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm tính toán, phân tích lưới điện phân phối Nội dung của các công trình mà luận án tham khảo là:
Theo nghiên cứu của Vũ Thị Mỹ [4], bù công suất phản kháng là một giải pháp hiệu quả để giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối, được tính toán kỹ thuật và đánh giá hiệu quả kinh tế chi tiết.
Theo nghiên cứu của Phùng Văn Phú [5], luận văn Thạc Sĩ tập trung vào các phương pháp đánh giá tổn thất điện năng kỹ thuật cho lưới trung áp Luận văn này thực hiện các tính toán so sánh, sử dụng số liệu thực của hệ thống điện Việt Nam, để kiểm nghiệm các bước tính toán và kết quả theo quy trình chuẩn Mục tiêu là đánh giá các quy trình và phương pháp đang được sử dụng rộng rãi, đồng thời đưa ra khuyến nghị về quy trình tính toán tổn thất điện năng hiện hành.
Theo nghiên cứu của Nguyễn Hữu Dũng [8], luận văn đánh giá hiện trạng tổn thất điện năng (TTĐN) trên lưới điện Thanh Hóa, phân tích nguyên nhân và đề xuất giải pháp giảm TTĐN về mức tối thiểu Giải pháp bù tối ưu trên lưới điện được tính toán và cho thấy khả năng tiết kiệm 5.750.559 kWh.
Theo nghiên cứu của Nguyễn Đức Lương [14], một phương pháp tìm kiếm và tính toán khả dụng đã được đề xuất để tối ưu hóa vận hành lưới điện phân phối hở, sử dụng phần mềm cho phép tái cấu trúc lưới linh hoạt và hiệu quả Giải pháp này giúp giảm thiểu tổn thất công suất bằng cách xác định các khoá đóng/cắt tối ưu, phù hợp với điều kiện thực tế của lưới điện phân phối Việt Nam.
Các nghiên cứu nước ngoài đã đề xuất các phương pháp tính toán và đánh giá tổn thất điện năng, tuy nhiên, chúng thường thiếu sự tập trung cụ thể vào đối tượng nghiên cứu.
Các công trình nghiên cứu trước đây đã cung cấp tư liệu và kiến thức nền tảng để tác giả hình thành hiểu biết chung Từ đó, tác giả có thể tiếp cận và đi sâu vào nghiên cứu vấn đề "Nghiên cứu tính toán tổn thất điện năng và đề xuất các giải pháp giảm tổn thất điện năng của lưới phân phối Áp dụng cho lưới điện Cửa Lò".
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Luận văn tập trung nghiên cứu tính toán tổn thất điện năng trong lưới phân phối, từ đó đề xuất các giải pháp giảm thiểu tổn thất, đặc biệt áp dụng cho lưới điện khu vực Cửa Lò nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm năng lượng.
Các mục tiêu cụ thể của luận án gồm:
Một là, có cái nhìn tổng quan về lưới điện phân phối và TTĐN lưới điện phân phối
Hai là, tính toán, đánh giá TTĐN lưới điện phân phối
Ba là, đề xuất các giải pháp giảm TTĐN lưới điện phân phối
Bốn là, sử dụng phần mềm PSS/SINCAL tính toán cho một lộ cụ thể Lộ 471-
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn: Lưới điện phân phối, cụ thể là Lộ 471 - E15.16 Cửa Lò
Luận văn tập trung nghiên cứu các phương pháp tính toán tổn thất điện năng, từ đó đề xuất giải pháp giảm tổn thất cho lưới điện phân phối, đặc biệt là tối ưu hóa lưới điện trên lộ đường dây 471-E15.16 Cửa Lò bằng phần mềm PSS/SINCAL.
Phương pháp nghiên cứu và nguồn số liệu
Luận văn sử dụng đa dạng phương pháp nghiên cứu, bao gồm tiếp cận ngành và tiếp cận điểm, nhằm phân tích sâu sắc các khía cạnh khác nhau của vấn đề Bên cạnh đó, tác giả còn ứng dụng phần mềm chuyên dụng để phân tích, tổng hợp số liệu một cách khoa học và chính xác, từ đó đưa ra những đánh giá khách quan Phương pháp so sánh, đối chiếu cũng được sử dụng để làm nổi bật sự khác biệt và tương đồng giữa các đối tượng nghiên cứu, góp phần làm rõ hơn các luận điểm trong luận văn.
Luận văn sử dụng nguồn số liệu từ chương trình đào tạo cho Điện lực Cửa
Lò của Thầy hướng dẫn.
Điểm mới của luận văn
Luận văn này tập trung vào việc phân tích và tối ưu hóa lưới điện phân phối sử dụng phần mềm PSS/SINCAL, đặc biệt áp dụng cho Lộ 471 - E15.16 Cửa Lò, từ đó đề xuất các giải pháp và phương thức vận hành cụ thể để nâng cao hiệu quả hoạt động của lưới điện.
Những đóng góp của luận văn
- Về phương diện học thuật:
Hệ thống hóa những vấn đề lý luận chung về tổn thất điện năng lưới điện phân phối
- Về phương diện thực tiễn:
Nghiên cứu cung cấp phương pháp tính toán, phân tích và tối ưu hóa lưới điện cho các công ty điện lực, đặc biệt là Điện lực Cửa Lò, giúp đề xuất phương thức vận hành phù hợp và hiệu quả.
Kết cấu luận văn
Luận văn được cấu trúc thành bốn chương, không bao gồm các phần như kết luận, mục lục, danh mục chữ viết tắt, danh mục bảng, phụ lục và tài liệu tham khảo, nhằm đảm bảo tính mạch lạc và tập trung vào nội dung chính.
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu lưới điện phân phối và tổn thất điện năng lưới điện phân phối
Chương 2: Các phương pháp tính toán tổn thất điện năng và các giải pháp giảm tổn thất điện năng lưới điện phân phối
Chương 3: Cơ sở lý thuyết thuật toán tìm điểm mở và vị trí đặt tụ bù tối ưu lưới điện phân phối
Chương 4: Sử dụng phần mềm PSS/SINCAL tối ưu hóa lộ 471-E15.16 Cửa Lò.
Cơ sở lý thuyết lưới điện phân phối
Khái niệm lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối (LĐPP) là một phần của hệ thống điện, bao gồm các đường dây và trạm biến áp (TBA) có cấp điện áp đến 110 kV, thực hiện nhiệm vụ phân phối điện năng từ các TBA trung gian đến các phụ tải LĐPP bao gồm lưới điện trung áp (6 kV ÷ 110 kV) và lưới điện hạ áp (0,4 kV).
Hình 1.1 Mô hình truyền tải và phân phối điện năng Đặc trưng của lưới điện phân phối trong hệ thống điện:
Đảm bảo chất lượng điện năng trực tiếp cho phụ tải, đóng vai trò then chốt trong việc duy trì độ tin cậy cung cấp điện.
- Sử dụng tỷ lệ vốn rất lớn (khoảng 50 % vốn trong hệ thống điện)
- Tỷ lệ tổn thất điện năng lớn (khoảng 40 % ÷ 50 %).
Cấu trúc của lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối (LĐPP) là khâu cuối cùng cung cấp điện cho phụ tải, bắt đầu từ các trạm biến áp trung gian và cấp điện trực tiếp cho các hộ tiêu thụ.
Lưới điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng cho các phụ tải, đảm bảo chất lượng điện năng nằm trong giới hạn cho phép để các thiết bị hoạt động hiệu quả theo yêu cầu Về cấu trúc, lưới phân phối thường được thiết kế theo một số cấu trúc nhất định [3].
Lưới điện phân phối hình tia không phân đoạn có ưu điểm là đơn giản và chi phí thấp, tuy nhiên, độ tin cậy lại không cao, không đáp ứng được yêu cầu của các phụ tải quan trọng.
Hình 1.2 Lưới điện phân phối hình tia không phân đoạn
Lưới điện phân phối hình tia phân đoạn, chia thành nhiều đoạn nhờ thiết bị phân đoạn như dao cách ly và máy cắt, có độ tin cậy phụ thuộc lớn vào các thiết bị này và hệ thống điều khiển của chúng.
Hình 1.3 Lưới điện phân phối hình tia có phân đoạn
Lưới điện kín vận hành hở có cấu trúc mạch vòng kín hoặc hai nguồn, trang bị các thiết bị phân đoạn Trong điều kiện bình thường, lưới vận hành ở trạng thái hở, nhưng khi xảy ra sự cố hoặc cần sửa chữa, các thiết bị đóng cắt sẽ được sử dụng để điều chỉnh cấp điện Phân đoạn bị sửa chữa sẽ mất điện, trong khi các phần còn lại vẫn được cấp điện bình thường.
Hình 1.4 Lưới điện kín vận hành hở
Vận hành hở giúp giảm chi phí và đơn giản hóa hoạt động so với vận hành kín Mặc dù vận hành kín có khả năng tăng độ tin cậy, nhưng đòi hỏi đầu tư đáng kể vào thiết bị bảo vệ và điều khiển chính xác Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở mang lại sự cân bằng giữa độ tin cậy và chi phí.
Đặc điểm chung của lưới điện phân phối
Để tăng độ tin cậy cung cấp điện, cấu trúc mạch vòng nên được vận hành hở, mặc dù chế độ vận hành bình thường của lưới điện phân phối (LĐPP) là vận hành hở, hình tia.
Trong mạch vòng, các xuất tuyến liên kết với nhau qua thiết bị kết nối mạch vòng, thường ở trạng thái mở, cho phép chuyển đổi nguồn cung cấp để duy trì điện liên tục khi có sự cố hoặc cần sửa chữa, đảm bảo nguồn điện không bị gián đoạn lâu dài.
Phụ tải của lưới điện phân phối (LĐPP) đa dạng, bao gồm cả sinh hoạt, dịch vụ và tiểu thủ công nghiệp Mạng mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn so với mạng hình tia, nhưng lại phức tạp về rơle bảo vệ và chỉ thích hợp cho mạng có công suất lớn với số lượng trạm ít Hiệu quả khai thác mạch vòng kín thấp hơn so với mạch hình tia, trong khi chất lượng mạng hình tia ngày càng được cải thiện Vận hành LĐPP theo dạng hình tia đơn giản hơn, dễ phục hồi sau sự cố và ít khó khăn trong lập kế hoạch cắt điện cục bộ.
Tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối
Khái quát về điện năng
Điện năng, sản phẩm của quy trình liên hoàn sản xuất, truyền tải và phân phối, đòi hỏi sự cân bằng giữa công suất phát và tiêu thụ tại mọi thời điểm để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.
Trong kinh doanh điện năng, việc ghi điện đầu nguồn và tại các hộ tiêu thụ là hai khâu quan trọng nhất Quản lý phụ tải tiêu thụ gặp nhiều khó khăn do mỗi khách hàng sử dụng một đồng hồ riêng Ngoài ra, tổn thất điện năng, bao gồm tổn thất kỹ thuật và phi kỹ thuật, là một vấn đề lớn trong quá trình vận hành.
Quản lý kinh doanh điện năng là một ngành lớn và phức tạp với những đặc thù riêng Mọi chiến lược kinh doanh trong ngành này cần xuất phát từ những đặc thù đó để đạt được năng suất và hiệu quả cao nhất.
Khái niệm về tổn thất điện năng
Tổn thất điện năng, theo định nghĩa, là phần năng lượng điện hao hụt trong quá trình truyền tải và phân phối, được tính bằng hiệu số giữa tổng điện năng nhận vào và tổng điện năng giao đi trong một khoảng thời gian nhất định Công thức tính tổn thất điện năng (\$\$\Delta A = A_{nhận} - A_{giao}\$\$) thể hiện sự chênh lệch này, và thời gian xác định thường là một năm (8760 giờ).
Hình 1.5 Minh họa tổn thất điện năng
Phân loại tổn thất điện năng
Tổn thất điện năng (TTĐN) xảy ra trong suốt quá trình phân phối điện, bao gồm cả tổn thất kỹ thuật và phi kỹ thuật Nghiên cứu này tập trung vào tổn thất phát sinh trong quá trình phân phối điện, không bao gồm tổn thất ở các nhà máy điện, khâu truyền tải và tiêu thụ tại các hộ gia đình.
1.3.3.1 Tổn thất điện năng phi kỹ thuật
TTĐN phi kỹ thuật phát sinh từ các hành vi vi phạm sử dụng điện như trộm cắp điện, sai sót trong quản lý (công tơ hỏng không thay thế, ghi sai chỉ số), và sai phạm trong kiểm định định kỳ, dẫn đến thất thoát điện năng.
1.3.3.2 Tổn thất điện năng kỹ thuật
TTĐN kỹ thuật là lượng điện năng tiêu hao không thể tránh khỏi trong quá trình truyền tải điện TTĐN kỹ thuật có thể được phân loại thành hai loại khác nhau.
Tổn thất điện năng (TTĐN) phụ thuộc trực tiếp vào dòng điện I², thể hiện lượng điện năng tiêu hao do phát nóng trên các phần tử khi dòng điện chạy qua TTĐN do phát nóng chủ yếu xảy ra trên điện trở tác dụng của đường dây và các cuộn dây trong máy biến áp (MBA), đây là hai thành phần chính gây ra tổn thất kỹ thuật trong hệ thống điện.
TTĐN phụ thuộc vào điện áp U2, bao gồm tổn thất do rò điện, tổn thất không tải của MBA và tổn thất trong mạch từ của các thiết bị đo lường Tổn thất không tải của MBA là thành phần lớn nhất và có thể xác định thông qua số liệu của các TBA.
Để xác định tổn thất điện năng (TTĐN) kỹ thuật, cần tính toán ba thành phần chính: TTĐN do phát nóng trên điện trở tác dụng của đường dây, TTĐN do phát nóng trên điện trở tác dụng của các cuộn dây MBA (phụ thuộc dòng điện và xác định dựa trên tính toán chế độ xác lập của lưới điện), và TTĐN trong lõi thép của các MBA (không phụ thuộc vào phụ tải).
Nguyên nhân dẫn đến tổn thất điện năng
Lưới điện phân phối, bao gồm trạm biến áp (TBA) và đường dây, chịu ảnh hưởng lớn từ điều kiện tự nhiên và ô xi hóa, làm giảm hiệu quả làm việc của MBA và dây tải điện, gây hao tổn điện năng Thiên tai có thể gây đổ cột, đứt dây, ảnh hưởng đến sản lượng truyền tải Nhiệt độ cao cũng làm giảm chất lượng truyền tải điện.
1.3.4.2 Nguyên nhân chủ quan a) Công nghệ của máy móc thiết bị
Trong quá trình phân phối và truyền tải điện năng, tổn thất điện năng (TTĐN) là không thể tránh khỏi Lượng TTĐN phụ thuộc vào trình độ kỹ thuật truyền tải, với công nghệ tiên tiến giúp giảm thiểu sự cố và hao tổn điện năng Do đó, các nước kém phát triển thường có tỷ lệ tổn thất điện cao hơn so với các nước phát triển.
Hệ thống thiếu đồng bộ và sự phát triển của khoa học công nghệ đòi hỏi đổi mới công nghệ truyền tải để tránh tổn thất Đội ngũ cán bộ, nhân viên ngành điện cần thông thạo kỹ thuật, kinh tế, nghiệp vụ để hướng dẫn khách hàng và quản lý thiết bị điện an toàn, đồng thời phải được đào tạo chính quy.
Tình trạng đường dây và trạm biến áp chưa bàn giao gây ra sự cố kéo dài do trách nhiệm sửa chữa bị đùn đẩy Điện năng quan trọng và khách hàng đa dạng khiến việc quản lý trở nên khó khăn Quản lý khách hàng yếu kém dẫn đến thất thu tiền điện do kiểm soát hợp đồng lỏng lẻo.
Quản lý khách hàng có hệ thống giúp ngành điện nắm vững mục đích sử dụng điện, tính giá phù hợp và xử lý sự cố kịp thời, góp phần giảm thất thoát điện năng (TTĐN).
CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ CÁC GIẢI PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Các phương pháp tính toán tổn thất điện năng
Đo lường và tính toán là hai nhóm phương pháp xác định TTĐN, trong đó đo lường cho kết quả tin cậy hơn nhưng khó phân biệt tổn thất kỹ thuật và phi kỹ thuật Các phương pháp tính toán cho phép đánh giá tổn thất với mọi phần tử, tuy nhiên độ chính xác không cao và phụ thuộc vào số liệu lưới điện Cần lựa chọn phương pháp tính toán mà thông số dễ thu thập và kết quả có độ chính xác cao, tùy theo yêu cầu đánh giá TTĐN.
2.1.1 Phương pháp bậc thang hóa đồ thị phụ tải
Phương pháp bậc thang hóa đồ thị phụ tải được mô tả trong [8] Với công thức tính TTĐN theo (2.1), đồ thị phụ tải theo Hình 2.1 n 2 i i i=1 ΔΑ = ¦R I t (2.1)
Trong đó: R: Điện trở dây dẫn (:);
Ii: Dòng điện trung bình trong khoảng thời gian t (A) i
Dựa vào đồ thị phụ tải (Hình 2.1), TTĐN được xác định như sau:
2.1.2 Phương pháp thời gian tổn thất công suất cực đại
Phương pháp tính toán thời gian tổn thất công suất cực đại được mô tả chi tiết trong tài liệu [9] Công thức tính toán tổn thất điện năng (TTĐN) được thể hiện ở phương trình (2.3), đồng thời đồ thị phụ tải được minh họa ở Hình 2.2 Thời gian tổn thất công suất cực đại được xác định thông qua các công thức (2.9) và (2.10), giúp đánh giá chính xác tổn thất điện năng trong hệ thống.
Tổn thất công suất tác dụng trên điện trở R của đường dây trong thời gian T được tính bằng tích phân của tổn thất công suất theo thời gian vận hành, giúp đánh giá hiệu quả hoạt động của đường dây.
Nếu đồ thị phụ tải có hình bậc thang với n bậc, mỗi bậc dài ∆i và có công suất không đổi (Hình 2.4):
Hình 2.2 Phụ tải hình bậc thang
Nếu chưa biết giá trị Ut có thể tính gần đúng bằng cách lấy Ut = Uđm: n n
TTĐN năm thường tính theo đồ thị phụ tải kéo dài năm ∆ti = 1 h: n n
Nếu đồ thị phụ tải là trơn ta có thể viết như sau:
Với: τ P là thời gian tổn thất công suất lớn nhất do CSTD gây ra τ Q là thời gian tổn thất công suất lớn nhất do CSPK gây ra
Trong thực tế tính toán, thường giả thiết đồ thị CSPK và CSTD gần giống nhau cũng có nghĩa là cosφ của phụ tải không đổi trong năm
Với giả thiết này τP = τQ = τ và có thể viết: max 2 2 ma 2 max m x max
Thời gian tổn thất công suất lớn nhất, ký hiệu là W, thể hiện khoảng thời gian mà dòng điện không đổi Imax gây ra tổn thất điện năng tương đương với tổn thất do dòng điện thực tế gây ra trong một năm Ý nghĩa của W là giúp đơn giản hóa việc tính toán và đánh giá tổn thất điện năng, đặc biệt khi dòng điện thay đổi theo thời gian.
Giá trị W được tính toán cho đồ thị phụ tải có quy luật biến đổi ổn định, nhưng cần lưu ý sử dụng W Q phụ thuộc Q bù trong các bài toán bù để tránh sai sót.
Công suất W có thể được xem như một hàm số phụ thuộc vào thời gian sử dụng công suất lớn nhất của phụ tải và hệ số công suất cos φ, được biểu diễn qua công thức max τ = f(T, cosφ).
Theo [5], công thức kinh nghiệm hoặc đồ thị thống kê về quy luật hoạt động của phụ tải có thể được sử dụng để xác định W, với \$\tau = 0,124 + T_{max} \cdot 10^{-4} \cdot 8760\$ (giờ) (2.11).
Theo giá trị cos φ cụ thể, W có thể tra theo đồ thị τ = f T , cosφ max :
Hình 2.3 Mối quan hệ τ = f(T max )
2.1.3 Phương pháp hệ số tổn thất điện năng
Phương pháp hệ số tổn thất điện năng, được mô tả chi tiết trong [10], sử dụng công thức (2.16) để tính toán hệ số TTĐN dựa trên ĐTPT (Hình 2.4) Mối quan hệ giữa hệ số phụ tải và hệ số TTĐN được thể hiện qua công thức (2.20) và trực quan hóa bằng đồ thị Hình 2.5.
Để xác định nhanh tổn thất điện năng (TTĐN) trong lưới điện, một phương pháp hiệu quả là sử dụng hệ số TTĐN dựa trên dòng điện trung bình bình phương, đặc biệt hữu ích khi đã biết đồ thị phụ tải ngày đêm.
Hình 2.4 Xác định dòng điện trung bình bình phương I tb
Dòng điện trung bình bình phương I²tb là giá trị dòng điện không đổi, chạy trên đường dây trong thời gian khảo sát T, gây ra TTĐN (tổn thất điện năng).
Với khoảng thời gian tính toán TTĐN T = 8760 giờ (1 năm)
Trong đó: R là điện trở của lưới điện (:)
Itb là dòng điện trung bình bình phương trong năm:
2 tb t 2 tbt 2 max t max t max t ΔΑ = 3 R I 8760 = I 3 I R 8760 = LsF ΔP 8760
Trong đó hệ số TTĐN:
Hệ số TTĐN (Loss Factor - LsF) là tỷ số giữa tổn hao công suất trung bình (∆Ptb) và tổn hao công suất phụ tải cực đại (∆Pmax) trong một khoảng thời gian nhất định, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả sử dụng điện năng.
Ngoài ra ta có hệ số tải: tb max
Hệ số tải LF (Load Factor): Là tỷ số công suất tiêu thụ trung bình (Ptb) trên công suất tiêu thụ cực đại (Pmax)
Nếu xét trong khoảng thời gian T xác định (ngày, tuần, tháng, năm) thì: tb max max Ρ A
Phương pháp hệ số tổn hao điện năng tập trung vào việc xác định mối quan hệ giữa điện năng tiêu thụ (A) và tổn thất điện năng (ΔA) trong một khoảng thời gian (T) nhất định Việc xác định chính xác quan hệ giữa hệ số tổn thất (LsF) và lượng tổn thất (LF) cho phép xác định hoàn toàn tổn thất điện năng (ΔA), đây là yếu tố cốt lõi của phương pháp này.
Dựa trên các hàm thực nghiệm, mối quan hệ giữa LF và LsF cho thấy sự khác biệt về giá trị, thường thì LF < LsF < LF 2.
LsF = c LF + 1 - c LF Với: LTT c = 0,3 ; LPP c = 0,15 (2.21) Ở quốc gia Anh và Úc: LsF = 0,2 LF + 0,8 LF 2 (2.22) Ở quốc gia Mỹ sử dụng công thức:
- Đối với đô thị: LsF = 0,3 LF + 0,7 LF 2 (2.23)
- Đối với nông thôn: LsF = 0,16 LF + 0,84 LF 2 (2.24)
Từ công thức (2.20), tính toán TTĐN theo hệ số tổn thất là: ΔA = ΔΡmax T LsF (2.25)
Hệ số tổn thất có thể được tính từ các quan hệ thực nghiệm theo hệ số tải
Hình 2.5 Mối quan hệ giữa LsF và LF
2.1.4 Phương pháp sử dụng đồ thị phụ tải điển hình
Phương pháp sử dụng ĐTPT điển hình được mô tả trong [8] Với thời gian tổn thất công suất theo công thức (2.26), TTĐN của lưới TA theo công thức (2.31)
Phương pháp ĐTPT điển hình được áp dụng cho lưới truyền tải, kết hợp sơ đồ lưới điện thực tế và số liệu ĐTPT điển hình, cùng công suất lớn nhất tại nguồn, để tính toán chế độ xác lập của lưới.
Các số liệu cần thiết ban đầu phục vụ cho tính toán TTĐN bao gồm:
- Số liệu điện năng tiêu thụ của các thành phần phụ tải, đồ thị phụ tải điển hình cho các loại phụ tải
- Đối với mỗi phụ tải, thời gian tổn thất công suất lớn nhất (W) được tính theo đồ thị phụ tải theo công thức: max -4 2 τ = 0,124 + T 10 8760 (2.26)
Để tính toán tổn thất điện năng (TTĐN) trên lưới trung áp, cần thu thập và xử lý số liệu về sơ đồ lưới điện, thông số các phần tử, hệ số mang tải (Kt) của máy biến áp phân phối và hệ số công suất (cos φ) của các nút phụ tải, giả thiết rằng các nút phụ tải có đặc tính phụ tải (ĐTPT) tương đồng với ĐTPT của toàn bộ lộ đường dây trung áp đang xét.
Thuật toán được thực hiện như sau:
- Xác định xấp xỉ ban đầu giá trị công suất của các nút phụ tải: i
Trong đó: Sđm Bi: Công suất định mức biến áp phân phối của tải nút i
Kti: Hệ số mang tải của biến áp phân phối nút tải i
Các giải pháp giảm tổn thất điện năng lưới điện phân phối
Nhu cầu điện năng cao và tăng trưởng phụ tải nhanh gây quá tải và điện áp thấp cho lưới điện phân phối Lưới điện nông thôn đối mặt với địa hình phức tạp, phụ tải không đồng đều, và biểu đồ phụ tải xấu Sự mất cân đối giữa tăng trưởng phụ tải và đầu tư cải tạo lưới điện cần được giải quyết để giảm thiểu tổn thất điện năng và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.
2.2.1.1 San phẳng đồ thị phụ tải
San phẳng đồ thị phụ tải (ĐTPT) có vai trò quan trọng trong việc vận hành an toàn, tiết kiệm và giảm tổn thất điện năng (TTĐN) Đồ thị phụ tải xấu, với chênh lệch lớn giữa cao điểm và thấp điểm, có thể gây quá tải hoặc non tải, ảnh hưởng đến thiết bị và tăng nguy cơ sự cố, đồng thời làm giảm hiệu quả kinh tế của hệ thống Giải pháp san phẳng ĐTPT có thể áp dụng hiệu quả cho các phụ tải sản xuất như nhà máy, xí nghiệp, trạm xử lý nước, và các cơ sở tiểu thủ công nghiệp bằng cách hạn chế hoạt động vào giờ cao điểm và khuyến khích sử dụng điện vào giờ thấp điểm, kết hợp với công nghệ mới để nâng cao hiệu quả sử dụng điện Việc áp dụng giá điện theo giờ (cao điểm - thấp điểm - bình thường) sẽ mang lại hiệu quả cao cho giải pháp này.
2.2.1.2 Vận hành kinh tế trạm biến áp
Vận hành kinh tế trạm biến áp (TBA) được mô tả chi tiết trong tài liệu [12], sử dụng phương trình tổn thất công suất (2.39) để phân tích Đồ thị tổn thất trong TBA, minh họa qua Hình 2.6, thể hiện sự biến thiên theo các chế độ làm việc khác nhau Phụ tải thực tế và vận hành kinh tế của TBA được thể hiện trong Hình 2.7, từ đó tính toán tổng tổn thất điện năng (TTĐN) hằng năm theo công thức (2.45).
Để đảm bảo phân bố công suất tối ưu qua các máy biến áp (MBA) trong trạm biến áp (TBA) khi có nhiều MBA ghép song song và phụ tải thay đổi, cần tuân thủ các điều kiện quan trọng Các MBA phải có phần trăm điện áp ngắn mạch (UN%) bằng nhau, cùng tỷ số biến áp, cùng tổ đấu dây ba pha ở cả phía sơ cấp và thứ cấp, cùng đầu phân áp và thứ tự pha Điều này xuất phát từ việc tối ưu hóa phương trình tổn thất trong trạm và phần mạng sau trạm.
Công thức \$\Delta P = \Delta P_0 + k \cdot \Delta Q_c\$ thể hiện tổng tổn thất không tải qui dẫn của trạm biến áp Trong đó, \$\Delta P_0\$ là tổn thất không tải của máy biến áp, \$k \cdot \Delta Q_c\$ là tổn thất không tải của các phần tử khác trong hệ thống, và k là hệ số qui đổi, giúp tính toán tổn thất một cách chính xác.
Tổn thất ngắn mạch qui dẫn của trạm được biểu diễn bằng công thức \$\Delta P = \Delta P + k \cdot \Delta Q_c\$, trong đó \$\Delta P_N\$ là tổn thất ngắn mạch trong dây quấn máy biến áp Ngoài ra, \$\Delta Q\$ đại diện cho tổn thất ngắn mạch của các phần tử khác trong hệ thống.
S : Công suất của phụ tải (công suất truyền tải thực tế của trạm) đm BA
S : Dung lượng định mức của máy biến áp. Đối với trạm có n máy biến áp:
1 S ΔP = n ΔP + ΔP n S Đ ã c c c ă á â ạ (2.40) Đối với trạm có n + 1 máy biến áp:
Như vậy giữa tổn thất và công suất có mối quan hệ:
Dựa trên mối quan hệ này, ta xây dựng các đường đồ thị tổn thất trong trạm biến áp (TBA) tương ứng với các chế độ vận hành khác nhau, bao gồm vận hành một máy, hai máy song song và ba máy song song để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng.
Hình 2.6 Tổn thất trong trạm biến áp với các chế độ làm việc
Dựa vào đồ thị trên ta có thể thấy :
Khi S < S1 → vận hành 1 máy biến áp sẽ kinh tế
Khi S1 < S < S2 → vận hành 2 máy biến áp sẽ kinh tế
Khi S > S2 → vận hành 3 máy biến áp sẽ kinh tế
Để xác định thời điểm tối ưu thêm một máy biến áp vào vận hành song song, ta tính giá trị công suất mà tại đó tổn thất khi vận hành n máy biến áp bằng tổn thất khi vận hành (n+1) máy biến áp.
Khi tính sơ bộ có thể xác định trị số gần đúng theo tổn thất công suất trong trạm không kể đến các phần tử khác trên mạng
Trong thực tế S(t) thay đổi khá nhiều trong vòng ngày đêm nên theo quan điểm vận hành kinh tế ta có thể thực hiện như sau:
Hình 2.7 Phụ tải thực tế và vận hành kinh tế trạm biến áp
Từ 0 → t1 vận hành 1 máy biến áp
Từ t1 → t2 vận hành 2 máy biến áp
Từ t2 → t3 vận hành 1 máy biến áp
Để vận hành hiệu quả, cần tối thiểu hóa tổn thất điện năng (TTĐN) trong trạm biến áp (TBA), vì lượng điện năng tổn thất ∆A phụ thuộc vào ∆P, thời gian và chế độ vận hành của máy biến áp (MBA) Tổn thất điện năng ∆A hàng năm được tính toán dựa trên biểu thức cụ thể.
Trong đó: t : Thời gian đóng máy vào lưới τ : Thời gian chịu TTCS lớn nhất; τ = f (Tmax, cos φtb)
Như vậy, ứng với mỗi chế độ làm việc của MBA (1 ca, 2 ca, 3 ca) ta có trị số t và τ coi không đổi; lấy đạo hàm ∆A = f(S) và cho bằng không ΔA = 0 S w w (2.46)
Từ đó tính được dung lượng tối ưu Stư khi ∆A → min
2.2.1.3 Bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối
Bù CSPK là một vấn đề quan trọng trong lưới điện phân phối, đặc biệt khi tổn thất điện năng trên lưới là rất lớn [2] Việc giảm thiểu tổn thất, dù chỉ một vài phần trăm, có thể mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể Công suất phản kháng đóng vai trò then chốt trong việc bù CSPK.
Công suất phản kháng (CSPK) có tính cảm Q sinh ra từ trường xoay chiều, cần thiết cho quá trình chuyển đổi điện năng Dòng điện từ trường dao động gây tổn thất điện năng và hao tổn điện áp trên dây dẫn, ảnh hưởng tiêu cực đến lưới điện.
Để giảm thiểu TTĐN và hao tổn điện áp do từ trường, tụ điện được đặt gần vùng từ trường để tạo ra điện trường xoay chiều, cung cấp CSPK dung tính QC ngược pha với từ trường, tạo thành mạch dao động Năng lượng được truyền qua lại giữa điện trường và từ trường, chỉ phần thừa Q - QC mới đi về nguồn, giúp giảm CSPK Việc bù CSPK cần tránh gây quá bù (QC > Q) để không làm tăng điện áp quá mức ở nút tải.
Bù cưỡng bức, hay bù kỹ thuật CSPK, được sử dụng để cân bằng CSPK và giảm tổn thất trên lưới truyền tải Việc phân tán công suất bù xuống lưới giúp tăng độ dự trữ CSPK, đảm bảo an toàn cho hệ thống điện Mặc dù CSPK là yếu tố không thể thiếu, bù cưỡng bức giúp giảm thiểu tổn thất điện năng do CSPK gây ra.
Bù kinh tế: Nhằm giảm tổn thất điện năng và giảm điện áp do đó nâng cao chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện năng
Tụ bù mang lại nhiều lợi ích quan trọng như giảm CSTD (công suất tác dụng đỉnh) yêu cầu, giảm tải cho MBA (máy biến áp) nhờ giảm yêu cầu CSPK (công suất phản kháng), từ đó kéo dài tuổi thọ MBA Đồng thời, tụ bù giúp giảm TTĐN (tổn thất điện năng), cải thiện hệ số công suất và cân bằng tải giữa các pha Tuy nhiên, cần lưu ý nguy cơ cộng hưởng và tự kích thích ở phụ tải khi vận hành ở chế độ cực tiểu, có thể dẫn đến quá áp.
Hiện nay, có hai phương pháp đặt tụ bù thường được thực hiện:
Bù tập trung trên lưới trung áp là giải pháp hiệu quả nhờ giá thành rẻ, công suất đơn vị lớn, dễ lắp đặt, quản lý và vận hành, giúp tối ưu hóa hệ thống điện.
- Bù phân tán tại các TBA phân phối hạ áp: Hiệu quả cao hơn do bù sâu hơn, nhưng nguy cơ cộng hưởng và tự kích thích cao
2.2.1.4 Xác định điểm mở tối ưu hóa vận hành
Theo [13] tác giả đã mô tả nội dung xác định điểm mở tối ưu hóa vận hành
Kết luận chương 2
- Các phương pháp tính toán tổn thất điện năng:
Việc xác định chiều dòng điện thực tế gặp nhiều khó khăn do sự biến đổi liên tục của dòng điện, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, làm cho phương pháp này trở nên phức tạp.
Phương pháp điện trở đẳng trị đơn giản và dễ tính toán, tuy nhiên, việc áp dụng cho lưới điện phức tạp gặp khó khăn do sự phụ thuộc của điện trở đẳng trị vào dòng điện thực tế trong các nhánh.
Phương pháp thời gian hao tổn công suất cực đại giúp xác định thông số tính toán dễ dàng với khối lượng đo đếm nhỏ, tuy nhiên, việc thiếu ĐTPT đòi hỏi sử dụng công thức thực nghiệm để xác định Tmax, dẫn đến sai số lớn trong kết quả.
Xác định tổn thất điện năng theo biểu đồ phụ tải mang lại kết quả chính xác cao, và việc lập đồ thị phụ tải trong ngành điện đã trở thành hiện thực, giúp nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống điện.
Phương pháp xác định tổn thất điện năng theo biểu đồ phụ tải là một giải pháp ưu việt trong việc tính toán tổn thất điện năng (TTĐN) trên lưới điện phân phối, mang lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền thống.
- Các giải pháp giảm tổn thất điện năng:
Giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh của ngành điện, tạo điều kiện cho sự phát triển bền vững của các điện lực trong môi trường kinh tế thị trường cạnh tranh.
Mục tiêu giảm tổn thất trên LĐPP cần nhiều giải pháp đồng bộ, bao gồm cả biện pháp quản lý và hành chính để giảm thiểu tổn thất thương mại.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN TÌM ĐIỂM MỞ VÀ VỊ TRÍ ĐẶT TỤ BÙ TỐI ƯU LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Các tiêu chí ảnh hưởng đến việc tối ưu lưới phân phối
3.1.1 Tổn thất công suất tác dụng
Lưới phân phối trung áp có đặc điểm là phụ tải lớn và không đồng đều, đặc biệt tại các khu vực đông dân cư Dòng công suất truyền tải trên đường dây cao, nhưng điện áp sử dụng lại không cao, dẫn đến dòng điện lớn trên các dây dẫn Điều này gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt cao, làm nhiệt độ dây dẫn tăng trong những thời điểm cao điểm, từ đó làm tăng tổng trở, tăng tổn thất và giảm khả năng tải của đường dây.
Tình trạng quá tải cục bộ và trào lưu công suất không hợp lý trên các đường dây dẫn đến tổn thất công suất đáng kể, làm giảm khả năng tải và chất lượng điện năng của lưới điện phân phối trung áp.
Trong lưới phân phối trung áp, tổn hao điện áp là tiêu chí quan trọng cần quan tâm trong thiết kế và vận hành Điện áp không đạt giới hạn cho phép có thể gây hỏng hóc thiết bị, thiếu công suất hoặc tăng tổn thất Điện áp cao gây lão hóa cách điện, trong khi điện áp thấp làm thiết bị quá nhiệt và động cơ không khởi động được, đặc biệt ở khu vực ngoại thành với khoảng cách phụ tải lớn.
Tổn thất điện áp được tính theo công thức: đm đm
Điện áp thực tế trên thiết bị (U) cần nằm trong khoảng cho phép, được xác định bởi giới hạn trên (∆U+) và giới hạn dưới (∆U-), tuân theo công thức ∆U- ≤ U ≤ ∆U+.
Trong lưới điện phân phối (LĐPP), ngắn mạch thường xảy ra ở vị trí xa nguồn Mạng điện vận hành kín có dòng ngắn mạch lớn hơn so với mạng điện hở do dòng ngắn mạch đến từ cả hai phía Do đó, thiết bị trong mạng điện kín cần chịu được dòng điện cao hơn, dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu lớn hơn so với mạng điện hình tia.
Để giảm chi phí đầu tư xây dựng và nâng cao hiệu quả kinh tế, lưới phân phối thường được vận hành hở.
Phương pháp xác định điểm mở tối ưu
Các nghiên cứu về bài toán xác định điểm mở tối ưu mạch vòng thường sử dụng phương pháp kỹ thuật đổi nhánh và phương pháp mở lần lượt các thiết bị đóng cắt phân đoạn Để giảm số lần thay đổi trạng thái của thiết bị phân đoạn, các phương pháp đánh giá thử nghiệm và kinh nghiệm được áp dụng rộng rãi Các công thức tính toán xấp xỉ tổn thất, tuyến tính hoá và các phương pháp đơn giản khác cũng được sử dụng để tránh sự lặp đi lặp lại và sự không hội tụ trong bài toán tính toán trào lưu công suất trong lưới.
Thuật toán đổi nhánh được mô tả trong [14] Với trào lưu công suất theo công thức (3.2)
Kỹ thuật đổi nhánh xuất phát từ giả thiết lưới điện vận hành theo cấu trúc hình tia, trong đó một khóa điện đóng và một khóa điện mở để duy trì cấu trúc này Mỗi thay đổi trạng thái đóng/cắt của các khóa điện sẽ được đánh giá về sự thay đổi tổn thất công suất Quá trình này kết thúc khi không thể giảm thêm tổn thất công suất trên lưới điện.
Civanlar đã phát triển một phương pháp vào năm 1989, yêu cầu phân tích đánh giá trào lưu công suất trên toàn bộ hệ thống Công thức tính toán sự thay đổi tổn thất do thay đổi trạng thái đóng / cắt của cặp khóa điện được sử dụng trong phương pháp này.
D : Tập các nút tải sẽ được đổi nhánh
Ii : Dòng tải tại nút thứ i
Em : Tổn hao điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút m
En : Tổn hao điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút n
Rloop là tổng các điện trở trong một vòng kín khi các khoá điện được đóng Thuật toán này gặp hạn chế do khối lượng tính toán lớn; trong lưới điện quy mô lớn với nhiều cặp khoá điện, việc tính toán chế độ khi thay đổi trạng thái đóng/mở của các khoá trở nên khó khăn và tốn thời gian.
3.2.2 Thuật toán cắt vòng kín
Thuật toán cắt vòng kín, còn được biết đến như phương pháp "mở lần lượt các thiết bị đóng/cắt phân đoạn," được phát triển từ năm 1989, xuất phát từ giả thiết tất cả các khóa điện đều đóng, tạo thành lưới mạch vòng kín với tổn thất nhỏ nhất Để khắc phục nhược điểm của lưới mạch vòng kín, thuật toán mở các khóa điện có dòng công suất nhỏ nhất để tạo lưới hình tia, đảm bảo không gây mất ổn định Ưu điểm của thuật toán là tính toán nhanh, tuy nhiên, việc xem xét dòng điện riêng rẽ có thể không tối ưu hóa hoàn toàn tổn thất trong lưới điện.
3.2.3 Thuật toán tìm kiếm ngược
Năm 1998, Thomas E MacDermott phát triển thuật toán tìm kiếm ngược (Backtracking), một phương pháp được mô tả chi tiết trong [14].
Trong thuật toán cắt vòng kín của Shirmohammadi, Thomas giả định rằng tất cả các khoá điện đều mở và các phụ tải được thay thế bằng các nguồn dòng Thuật toán này đưa ra một tỉ số giữa tổn thất công suất và trị số nguồn dòng tại nút được cấp điện nhờ khoá điện đang xét đóng Tỷ số này càng nhỏ thì càng có lợi, cho thấy mối quan hệ giữa tổn thất công suất và hiệu quả cấp điện.
Thuật toán Backtracking gồm một số các bước như sau:
Bước 1: Mở tất cả các khoá điện, mỗi khoá điện được xem là một kết nối giữa các phụ tải với nhau hay giữa nguồn với phụ tải
Bước 2: Kết nối từng phụ tải vào hệ thống thông qua một khoá điện duy nhất ở trạng thái đóng Các phụ tải có thể lựa chọn nguồn kết nối để giảm thiểu tổn thất công suất.
Bước 3: Sau khi được kết nối vào hệ thống, tải sẽ trở thành nguồn cho các tải kế tiếp để xem xét kết nối, đảm bảo rằng mỗi tải chỉ nhận điện từ một nguồn duy nhất, đáp ứng điều kiện cấu hình vận hành hình tia.
Quá trình hình thành lưới điện hoàn tất khi tất cả các phụ tải được cung cấp điện, trong khi các khoá điện mở là những khoá còn lại trong hệ thống.
Phương pháp của Thomas đã được xác nhận tính chính xác qua việc giải các bài toán mẫu như Civanlar hai nguồn, ba nguồn, Glamocanin, Baran và Wu, với kết quả trùng khớp với các phương pháp khác, chứng minh sự đúng đắn của thuật toán.
Hạn chế của thuật toán là khi lập đồ thị phân phối (LĐPP) có nhiều nút và nguồn cung cấp, phương pháp này yêu cầu tính toán và phân tích kết quả cho từng nhánh và nút trong lưới, dẫn đến khối lượng tính toán lớn và thời gian đưa ra kết quả chậm.
3.2.4 Thuật toán tìm kiếm Heuristic
Thuật toán tìm kiếm Heuristic được mô tả trong [14] Với các nội dung và lưu đồ thuật toán theo Lưu đồ 3.1
Gần đây, nghiên cứu về tái cấu trúc lưới điện đã áp dụng nhiều biện pháp để giảm khối lượng tính toán trào lưu công suất, nhưng khối lượng tính toán vẫn lớn và kết quả còn chậm Do đó, cần xem xét và nghiên cứu phương pháp mới hiệu quả hơn Phương pháp tìm kiếm Heuristic dựa vào chênh lệch điện áp lớn nhất giữa hai đầu thiết bị phân đoạn được đề xuất để tái cấu trúc lưới Ưu điểm của phương pháp này là thuật toán đơn giản, dễ thực hiện, khối lượng tính toán ít và có thể dễ dàng ứng dụng vào lưới điện phân phối Việt Nam.
Phương pháp này tìm cấu trúc tối ưu của lưới điện dựa trên các luật Heuristic, giúp giảm thiểu khoá ứng cử cho việc tái cấu trúc và giảm khối lượng tính toán Mục tiêu chính là xác định cấu trúc lưới với tổn thất công suất nhỏ nhất.
Luật Heuristic được đề ra trong phương pháp này như sau:
- Trong tất cả các dao cách ly đang mở, dao nào có chênh lệch điện áp lớn nhất thì được chọn đóng lại đầu tiên
- Tổn thất công suất giảm khi dòng công suất được chuyển đổi từ phía điện áp thấp sang phía có điện áp cao
Cấu trúc lưới được coi là tối ưu khi tổn thất của mạng điện gia tăng, trong quá trình mở các nhánh từ phía điện áp thấp của DCL.
Lưu đồ thuật toán được mô tả qua 8 bước như sau:
Bước 1: Đọc dữ liệu của hệ thống
Bước 2: Xác định tập các DCL mở (n dao)
Phương pháp xác định vị trí đặt tụ bù tối ưu
Thuật toán Logic mờ được trình bày trong tài liệu [15], với sơ đồ khối chức năng Logic mờ như trong Hình 3.1 Chỉ số tổn thất công suất tác dụng được tính theo công thức (3.3), trong khi điện áp nút của lưới được xác định theo công thức (3.4) trong hệ đơn vị tương đối Sự gia tăng của hàm tiết kiệm được mô tả qua công thức (3.6) Cuối cùng, lưu đồ thuật toán Logic mờ giúp xác định vị trí bù tối ưu.
Logic mờ bao gồm bốn khâu chính: mờ hóa, cơ sở tri thức, cơ chế suy luận và giải mờ Cơ sở tri thức bao gồm các cơ sở dữ liệu và luật mờ, trong đó cơ sở dữ liệu cung cấp thông tin cần thiết cho quá trình mờ hóa, cơ chế suy luận và giải mờ Luật mờ là các quy tắc ngôn ngữ được sử dụng để tạo ra các biến đầu ra mong muốn.
Hình 3.1 Sơ đồ khối chức năng Logic mờ
Trong bài toán bù tối ưu, lý thuyết logic mờ được áp dụng để xác định vị trí đặt tụ bù, nhằm đạt được hai mục tiêu chính: giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng trên lưới và duy trì điện áp các nút trong giới hạn cho phép.
02 biến vào và 01 biến ra
Biến vào 1: Chỉ số tổn thất công suất tác dụng PLI để đặc trưng cho tổn thất công suất tác dụng PLI được xác định như sau:
Độ giảm tổn thất công suất tác dụng trong lưới được thể hiện qua các chỉ số sau: 'P6.0' là tổng tổn thất công suất tác dụng trong lưới khi không có bù, trong khi 'P6(i)' là tổng tổn thất công suất tác dụng trong lưới khi bù hết phụ tải phản kháng tại nút i Giá trị lớn nhất của lượng giảm tổn thất công suất tác dụng trong lưới, được ký hiệu là 'P(max)', xảy ra khi không bù và khi bù hết phụ tải phản kháng tại nút thứ i.
'P(min) min ^'P(i)` giá trị nhỏ nhất của lượng giảm TT CSTD trong lưới khi không bù và khi bù hết phụ tải phản kháng tại nút thứ i
Lượng giảm tổn thất công suất tác dụng trong lưới được tiêu chuẩn hóa tuyến tính qua chỉ số PLI, với giá trị dao động từ 0 đến 1 Trong đó, giá trị 1 biểu thị mức giảm tổn thất công suất tác dụng lớn nhất, còn giá trị 0 thể hiện mức giảm nhỏ nhất.
Biến vào 2: Điện áp nút của lưới trong hệ đơn vị tương đối (p.u) V i * :
Trong đó: Vi là điện áp nút i; Vn là điện áp định mức của lưới
Chỉ số CSI(i) là thước đo quan trọng để xác định tính thích hợp lắp đặt tụ bù tại nút i, với giá trị nằm trong khoảng [0, 1] Nút có CSI cao hơn sẽ là lựa chọn tốt hơn cho việc lắp đặt Để tính toán dung lượng bù cho từng nút, chúng ta áp dụng thuật toán tìm kiếm thực nghiệm, thực hiện bù theo thứ tự giảm dần của CSI và tăng dần dung lượng bù theo từng bước nguyên Q C 0 Với mỗi giá trị Q C 0, cần tính toán chế độ xác lập để xác định dòng điện, tổn thất công suất tác dụng, hàm tiết kiệm và điện áp tại các nút.
Sau mỗi lần tăng dung lượng bù theo bước Q C 0 , phải kiểm tra ràng buộc V i * :
- Theo điều kiện giới hạn (3.5)
- Sự gia tăng của hàm tiết kiệm: ΔE P k C C j j j=1
'E 'E6.0 'E6.1 là lượng giảm tổn thất điện năng (kWh)
'P 'P6.0 'P6.1 là lượng giảm tổn thất công suất (kW)
K 'E là giá của 1 kWh tổn thất điện năng trong một năm ($ / kWh)
K P là giá của 1 kW công suất đỉnh giảm được ($ / kW)
Dung lượng bù tối ưu tại nút là giá trị tối đa của hàm tiết kiệm Khi hàm tiết kiệm không tăng, dung lượng bù đã đạt tối ưu và chuyển sang các nút tiếp theo Nếu hàm tiết kiệm ở nút sau không tăng so với nút trước và ràng buộc điện áp được thỏa mãn, bài toán đã có lời giải tối ưu.
Bắt đầu với việc xây dựng sơ đồ lưới điện, chúng ta cần tính chế độ xác lập và xác định PLI, V i Đồng thời, định nghĩa các tập mờ vào và ra, tính toán CSI, và phân loại các nút theo CSI giảm dần.
Lắp tụ bù vào nút có CSI lớn, tăng dần dung lượng tụ bù và tính hàm tiết kiệm tổng
Hàm tiết kiệm tổng gia tăng
Dỡ tụ điện cuối cùng được thêm vào nút
Tiến hành với nút có CSI nhỏ hơn
Lưu đồ 3.2 Lưu đồ thuật toán Logic mờ xác định vị trí bù tối ưu
Thuật toán di truyền (Genetic Algorithms - GA) được trình bày trong tài liệu [16], với hàm mục tiêu được xác định theo phương trình (3.7) và các điều kiện ràng buộc theo phương trình (3.10) Lưu đồ thuật toán GA giúp xác định vị trí bù tối ưu, như được mô tả trong Lưu đồ 3.3.
Thuật toán là kỹ thuật giải quyết bài toán bằng cách mô phỏng sự tiến hóa của con người và sinh vật, dựa trên thuyết tiến hóa của Darwin trong môi trường thay đổi Thuật toán di truyền (GA) là một phương pháp tính toán gần đúng, không nhằm mục tiêu tìm ra lời giải tối ưu mà là lời giải tương đối tối ưu GA hoạt động dựa trên quy luật tiến hóa tự nhiên, kết hợp sự sống sót của các cấu trúc khỏe nhất và trao đổi thông tin ngẫu nhiên để tạo ra một thuật toán tìm kiếm hiệu quả Nó thuộc lĩnh vực tính toán tiến hóa, sử dụng biểu diễn nhị phân và sơ đồ để mô hình hóa các quá trình chọn lọc, lai ghép và đột biến.
Bài toán xác định vị trí và dung lượng tụ bù trong lưới phân phối là một bài toán tối ưu, với hàm mục tiêu và các ràng buộc cụ thể.
QCi : Dung lượng tụ bù (kVAr) ở nút i (i = 1 y n)
N : Số vị trí đặt tụ bù trong lưới điện đang xét
KC : Suất đầu tư cho tụ bù (đ / kVAr)
'P : Tổng tổn thất công suất trong lưới điện
Ke : Giá tổn thất công suất (đ / kW)
Tổn thất công suất lưới điện được xác định thông qua việc tính toán trào lưu công suất Cụ thể, tổn thất trên mỗi nhánh i-j được tính toán dựa trên các yếu tố liên quan đến dòng điện và điện áp trong hệ thống.
2 j ij i j ij ΔP = R x V - V x Yêơ ºẳ (3.8) Trong đó:
Vi ,Vj : Điện áp tại nút thứ i và j
Yij ,Rij : Tổng dẫn, điện trở nhánh i-j
Tổng tổn thất công suât lưới điện được tính như sau: m ij i,j ΔP = ¦ΔP (3.9)
Trong đó : m là số nút của lưới điện
- Ràng buộc về chất lượng điện áp (độ lệch điện áp nút): min max i i i
V V Vd d i = 1 m (3.10) Các biến của bài toán là điện áp nút Vi, dung lượng tụ bù tại nút QCi
3.3.2.3 Phương pháp giải tổng quát
Bài toán tối ưu được giải quyết thông qua thuật toán di truyền (GA) với quy trình bắt đầu bằng việc khởi tạo một quần thể ban đầu, bao gồm các chuỗi nhiễm sắc thể.
Bước 2: Xác định giá trị mục tiêu cho từng nhiễm sắc thể tương ứng
Bước 3: Tạo các nhiễm sắc thể mới dựa trên các toán tử di truyền
Bước 4: Xác định hàm mục tiêu cho các nhiễm sắc thể mới và đưa vào quần thể Bước 5: Loại bớt các nhiễm sắc thể có độ thích nghi thấp
Bước 6: Kiểm tra xem điều kiện dừng có được thỏa mãn hay không (hàm mục tiêu min) Nếu điều kiện đúng, hãy lấy ra nhiễm sắc thể tốt nhất và dừng giải thuật; nếu không, quay lại bước 3.
Bắt đầu Khởi tạo dân số
Tính toán giá trị mục tiêu cho từng nhiễm sắc thể tương úng
Lựa chọn những cá thể tốt
Kiểm tra điều kiện dừng Kết thúc Đ
Tạo nhiễm sắc thể mới dựa trên toán tử gen di truyền
Quá trình lai tạo Quá trình đột biến
Lưu đồ 3.3 Lưu đồ thuật toán GA xác định vị trí bù tối ưu LĐPP
Kết luận chương 3
Bằng cách áp dụng các thuật toán, tác giả đã phát triển một chương trình tính toán nhằm xác định điểm mở tối ưu và vị trí bù tối ưu cho công suất phản kháng Điều này cho phép xây dựng các chương trình giải quyết các lưới điện khác nhau với các mục tiêu đa dạng.
Nghiên cứu các thuật toán tối ưu không chỉ nâng cao kỹ năng sử dụng phần mềm tính toán lưới điện mà còn giúp người dùng hiểu rõ hơn về các kết quả tính toán một cách sâu sắc và chi tiết.
