Xác định công suất đẳng trị để cực tiểu tổn thất năng lượng pot

Trong chương này trình bày trình tự dẫn đến phát biểu heuristic về công suất đẳng trị của phụ tải mà khi thay giá trị này vào các phụ tải trên lưới, bài toán xác định cấu trúc lưới điện

XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT ĐẲNG TRỊ ĐỂ CỰC TIỂU TỔN THẤT NĂNG LƯỢNG

I Giới thiệu

Trong thực tế, có nhiều lưới điện phân phối không có khả năng đóng cắt nhiều lần trong thời gian khảo sát (trong ngày) do chi chí chuyển tải quá lớn so với mức giảm tổn thất năng lượng Để giảm chi phí vận hành và tránh gây mất điện khi chuyển tải, các điều độ viên chỉ cho phép thay đổi cấu trúc lưới khi thật cần thiết như : chống quá tải, tái cấu trúc để khôi phục lưới sau sự cố Vì vậy, mục tiêu điều kiển lưới điện trong trường hợp này là: Xác định cấu trúc lưới không thay đổi trong suốt thời gian khảo sát có tổn thất năng lượng 'A bé nhất Thời gian khảo sát có thể là trong 1 ngày, trong tuần, trong tháng, trong mùa Đây là lý do xuất hiện bài toán 2 trong vận hành lưới điện phân phối

Đã có nhiều nghiên cứu giải quyết bài toán này [21,33,34,122] nhưng nghiên cứu của Taleski [128] được xem là đầy đủ hơn cả Tuy nhiên, giải thuật của Taleski còn quá phức tạp trong việc cộng dồn đồ thị để tính độ giảm 'A cho mỗi vòng lặp do sử dụng giải thuật giảm 'P của Civanlar [38] Về thông số phụ tải, giải thuật này đòi hỏi các giá trị monent bậc 1 và bậc 21 của đồ thị phụ tải Để có được các thông số này cần phải tiến hành xác định đồ thị phụ tải của từng tải trên lưới điện phân phối Đây là công việc đòi hỏi nhiều thời gian khảo sát, lắp đặt thiết bị đo đạc, không phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh hiện tại của lưới điện phân phối TP.HCM nói riêng hay của Việt Nam nói chung

Trong chương này trình bày trình tự dẫn đến phát biểu heuristic về công suất đẳng trị của phụ tải mà khi thay giá trị này vào các phụ tải trên lưới, bài toán xác định cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất năng lượng có thể dùng giải thuật tái cấu trúc lưới điện giảm công suất tác dụng để giải quyết

Ưu điểm nổi bật của phát biểu này là: Công suất đẳng trị chính là công suất

trung bình của phụ tải trong thời gian khảo sát Công suất trung bình của phụ tải

1 Monent bậc 2 mô tả độ nhấp nhô của ĐTPT so với công suất trung bình của tải

có thể dễ dàng xác định được bằng các điện năng kế tổng tại máy biến áp hạ thế hay thông qua hệ thống các hóa đơn tiền điện

Phát biểu này phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam khi lưới điện phân phối không được trang bị đầy đủ các thiết bị đóng cắt có tải hiện đại và hệ thống SCADA của lưới điện phân phối chưa hoàn chỉnh

II Phương pháp tiếp cận

Xét một lưới điện phân phối tổng quát như hình 2.1 tại chương 2 Đồ thị phụ tải công suất tác dụng và phản kháng trong thời gian T của tất cả các phụ tải trên lưới điện có thể chia thành M bậc mà trong thời khoảng tm các giá trị công suất tải không đổi Do đó, trong bậc thứ m (m =1…M), dòng công suất nhánh tự nhiên thứ i có Pni m, Qni m (i =1…n) không đổi nên lưới điện có tổn thất công suất là:

¦

1

2 m i n

1

2

m

i

P

Với : n là số nhánh có trong hệ thống điện phân phối

Khi đó lưới điện có tổn thất năng lượng 'A của lưới điện trong thời gian khảo sát

T ( T= ¦M

1

m tm ) được viết như (4-2)

¦ ¦

¦ ¦

¦

¹

·

¨

©

§



¸

¹

·

¨

©

1

n 1

2 m i M

1

n 1

2 m i M

1

Với lý luận tương tự như chương 2, giả thiết rằng có thể bơm vào/rút ra lượng

công suất không thay đổi trong suốt thời gian khảo sát vào nhánh có khoá mở

MNj là Pj và Qj (j 1…K) Khi đó, bài toán xác định cấu trúc lưới điện không đổi có 'A bé nhất trong thời gian khảo sát trở thành bài toán xác định các dòng công suất Pj và Qj (j 1…K) để hàm số 'A tại (4-3) bé nhất

¦¦

¹

·

¨

©

§ 



¸

¹

·

¨

©



¸

¹

·

¨

©

1

K 1

2 j

2 j M

1

2 n

1 i

K 1

j ij j m

i M

1

2 n

1

i

K 1

j ij j m

Pn

A

Xác định giá trị các giá trị công suất Pj, Qj bơm vào/rút ra không phụ thuộc vào tm (m =1…M) để hàm tổn thất năng lượng 'A đạt cực tiểu bằng cách cho các đạo hàm riêng của 'A theo Pj,Qj lần lượt bằng 01 Xét vòng thứ h có khoá mở MNh của lưới điện

0 t Rn

P 2 t Rn P A Pn

A 2

P

1

m m h MN h M

1

n

hh V

ii 1

K

1

j ij j m

i ih h



¸

¹

·

¨

©

w

w

¦



0 t Rn Q 2 t Rn Q A Qn

A 2

Q

1

m m h MN h M

1

n

hh V

ii1

K

1

j ij j m

i ih h



¸

¹

·

¨

©

w

w

¦



Các phương trình (4-4) và (4-5) tạo thành hệ thống 2K phương trình với 2K biến số (K phương trình theo Ph và K phương trình theo Qh) với j,h=1…K; hzj

Viết lại các biểu thức (4-4) và (4-5) như sau:

0 T Rn P P A t Rn t

Rn Pn A P

P

h MN h M

1 m h MN

ii Vhh

K

1

j ij j m i M

1

m

h MN

iVhh

i ih im i m h

sau



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§ w

'

z z



0 T Rn Q Q A t Rn t

Rn Qn A Q

P

h MN h M

1 m h MN

iiVhh

K

1

j ij j m i M

1

m

h MN

iVhh

i ih im i m h

sau



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§ w

'

w

¦ ¦

z z



0 T Rn P t P A Rn t

Rn Pn A P

P

h MN h M

1

m m h

MN

iiVhh

K

1

j ij j i M

1 m

h MN

iVhh

i ih im i m h

sau



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§ w

'

w

¦

¦ ¦

z z



0 T Rn Q t Q A Rn t

Rn Qn A Q

P

h MN h M

1

m m h

MN

iiVhh

K

1

j ij j i

M

1 m

h MN

iVhh

i ih im i m h

sau



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§ w

'

w

¦

¦ ¦

¦ ¦

z z



A Rn P

P

h MN h h

MN

ii Vhh

K

1

j ij j i M

1

m im m ih

h MN

i Vhh

i i

h

sau



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§

 w

'

w

¦

¦

z z



Qn t  Rn A Q T Q Rn T 0 A

Rn Q

P

h MN h h

MN

ii Vhh

K

1

j ij j i

M

1

m im m ih

h MN

i Vhh

i i

h

sau



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§

 w

'

w

¦ ¦

¦

¦

z z



1 Điều kiện đủ để 'A cực tiểu tương tự như trình bày tại chương II

Pn t  Rn A P T P T Rn P TRn 0 A

Rn

P

P

h MN h h MN

ii Vhh i h

h MN

iiVhh

K h

j1

j ij j i M

1

h

MN

i Vhh

h

sau





¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§

 w

'

w

¦

¦

¦

z

z



Qn t  Rn A Q T Q T Rn Q TRn 0 A

Rn

Q

P

h MN h h MN

ii Vhh i h

h MN

ii Vhh

K h

j1

j ij j i

M 1

h

MN

i Vhh

h

sau





¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§

 w

'

z

z



Chia T cho 2 vế của hệ thống 2K phương trình

0 R P P A Rn T

t Pn A Rn

P

h h h

MN

ii Vhh

K h

j1

j ij j i M

1 m

m m i h

MN

i Vhh

h

sau



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§

 w

'

w

¦

¦

z



(4-6)

0 R Q Q A Rn T

t Qn A Rn

Q

h h h

MN

iiVhh

K h

j1

j ij j i

M 1 m

m m i h

MN

iVhh

h

sau



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§

 w

'

z



(4-7)

Đặt :

T

t

Pn Pn

M

1

m im m

i

¦

và

T

t

Qn Qn

M

1

m im m i

¦

(4-8) Thay (4-8) lần lượt vào (4-6) và (4-7)

0 R P P A Rn Pn

A Rn

P

h h h

MN

iiVhh

K h

j1

j ij j i i

h

MN

i Vhh

h

sau



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§

 w

'

z



(4-9)

0 R Q Q A Rn Qn

A Rn

Q

h h h

MN

ii Vhh

K h

j1

j ij j i

i h

MN

iVhh

h

sau



¸

¸

¸

¹

·

¨

¨

¨

©

§

 w

'

z



(4-10)

Nhận xét 1: Các biểu thức (4-9) và (4-10) sẽ trở thành (2-15) và (2-16) khi công suất nhánh của lưới điện phân phối có giá trị như biểu thức (4-8) Hay bài toán xác định công suất Pj, Qj để 'A bé nhất trở thành bài toán tìm Pj, Qj để 'P bé nhất khi dòng công nhánh trên lưới là giá trị trung bình trong thời gian T

Xem xét biểu thức (4-8) và chấp nhận biểu thức (4-11) khi tính công suất nhánh thứ i phải cấp điện cho L phụ tải :

¦L

1

l lm

m

1

l lm m

Với : Pni m ,Qni m : Công suất nhánh thứ i tại thời điểm thứ m

Plm, Qlm : Công suất phụ tải l vào thời điểm thứ m

Thay (4-11) vào (4-8) và biến đổi

¦ ¦

¦ ¦

¦ ¦

1 l

M

1

m ,lm m

L

1 l

M

1

m ,lm m

M

1

m

L

1

l ,lm m

t P T

t P T

t

P

¦ ¦

¦ ¦

1 l

M 1

L 1 l

M 1

M

1

m

L

1

t Q T

t Q T

t Q

Đặt :

T

A T

t P

P tiêul thụ

M

m ,lm m

l

¦

T

t

Q Q

M

m ,lmm l

¦

Với : Pl,m, Qlm : Công suất tiêu thụ của tải l vào thời điểm thứ m

l

P ,Ql : Công suất trung bình của phụ tải l trong thời gian khảo sát T Thay (4-14) vào (4-12) và (4-13)

¦L ¦

l

L l

thụ tiêu l m

l

A P

P

1 l

L

1 l

l m

l

VArmetter của

số Chỉ Q

Nhận xét 2: Nếu bỏ qua tổn thất công suất, công suất trung bình trên nhánh thứ i của lưới điện phân phối có thể tính xác định bằng công suất trung bình của tải trong thời gian khảo sát như (4-12) và (4-13)

Từ nhận xét 1 và nhận xét 2, có thể phát biểu như sau:

Phát biểu Heuristic

Có thể xác định cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất năng lượng 'A bằng giải thuật tái cấu trúc lưới giảm 'P khi công suất tại các nút tải là công suất trung bình trong thời gian khảo sát

Ý nghĩa thực tế:

Chứng minh trên cho thấy không cần sử dụng đồ thị phụ tải P(t) và Q(t) trong thời gian khảo sát để xác định cấu trúc lưới điện có 'A bé nhất mà chỉ cần sử dụng Pi,Qicủa phụ tải là đủ Điều này có ý nghĩa rất lớn vì các thông số

i

i,Q

P có thể xác định dễ dàng trong thực tế thông qua các điện năng kế hay hệ thống hoá đơn tiền điện

Hiện nay, trên lưới điện phân phối của Công ty điện lực Tp.HCM, tất cả các máy biến thế hạ áp 15/0.4kV đều được lắp các điện kế tổng để đo hiệu suất khu vực, điều này cho thấy tính khả thi của giải thuật Nếu ở trạm chỉ có 1 điện kế tổng đo

Atiêu thuï, công suất phản kháng tải trung bình bằng công thức gần đúng:

1

l

L

1

l trungbình

thụ tiêu l m

l

T

A Q

III Ví dụ kiểm tra

Để kiểm tra độ chính xác của giải thuật heuristic giảm tổn thất năng lượng, các

ví dụ được đề nghị kiểm tra bao gồm: Bài toán mẫu trên lưới 17 nút tải [128] – tại hình 4.1 của Rubin Taleski Các ví dụ lớn hơn áp dụng trên lưới 1 nguồn [12] được Rubin Taleski bổ sung các thông số loại tải và ví dụ trên lưới điện phân phối hình tia IEEE trình bày trong ví dụ của phần mềm PSS/U [155]

1 Bài toán của Rubin Taleski – 15 nút tải

Bài toán mẫu của Rubin Taleski gồm có 17 nút tải được ký hiệu từ M đến M16, điện áp vận hành là 10kV Thông số cấu trúc lưới và phụ tải được trình bày tại bảng Trong lưới điện mẫu của Rubin Taleski có 2 loại đồ thị phụ tải URL (Chiếu sáng sinh hoạt) và CL (Thương mại) Tải URL có P / P max= 0.6597 và max

Q

/

Q = 0.8401 Tải CL có P / Pmax= 0.6475 và Q / Qmax= 0.7841 Giả thiết tất cả các nhánh đều có các khoá điện, hãy xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong suốt thời gian khảo sát có 'A bé nhất

O

Hình 4.1: Sơ đồ lưới 10 kV ví dụ của Rubin Taleski [128]

Trình tự giải bài toán

1 Tính công suất trung bình tiêu thụ trong ngày của các phụ tải loại CL và URL trên lưới điện từ biểu thức :

- Tải URL P / Pmax= 0.6597 và Q / Qmax= 0.8401

- Tải CL có P / Pmax= 0.6475 và Q / Qmax= 0.7841

- Các giá trị trung bình này được trình bày tại bảng 4.1

2 Đưa các giá trị công suất trung bình của phụ tải vào lưới điện và sử dụng giải thuật xác định cấu trúc lưới giảm 'P bằng 2 phương pháp:

- Giải thuật heuristic vòng

- Giải thuật heuristic kết nối

- Kết quả được trình bày tại bảng 4-2

Từ nút Đến nút R X Pmax(kW) Qmax(kVAr) Loại tải P (kW) Q (kVAr)

M M1 0.30 0.12 500 200 URL 329.85 156.82 M1 M2 0.25 0.10 500 200 URL 329.85 156.82 M2 M3 0.25 0.10 500 200 URL 329.85 156.82 M3 M4 0.25 0.10 500 200 URL 329.85 156.82 M4 M5 0.25 0.10 400 150 CL 259.00 117.62

M M6 0.30 0.12 450 150 CL 291.38 117.62 M6 M7 0.25 0.10 500 200 CL 323.75 156.82 M7 M8 0.30 0.12 400 150 CL 259.00 117.62 M8 M9 0.50 0.20 400 150 CL 259.00 117.62 M6 M10 0.30 0.12 400 150 CL 259.00 117.62 M10 M11 0.30 0.12 500 200 CL 323.75 156.82 M11 M12 0.20 0.08 400 150 CL 259.00 117.62

M M13 0.40 0.16 600 200 URL 395.82 156.82 M13 M14 0.30 0.12 600 200 URL 395.82 156.82 M14 M15 0.30 0.12 600 200 URL 395.82 156.82 M12 M16 0.20 0.08 600 200 CL 388.50 156.82

Bảng 4.1: Thông số lưới và tải của ví dụ mẫu [40]

Nhận xét 3: Cấu trúc lưới điện được giải bằng 2 giải thuật nêu trên tương tự với kết quả của Rubin Taleski nhưng bằng cách sử dụng công suất trung bình rất đơn giản và với số liệu hết sức hạn chế nhưng vẫn cho kết quả tốt

Giải thuật đề nghị Heuristic vòng kín và heuristic kết nối

Rubin Taleski

[40]

Bảng 4.2: Kết quả so sánh cấu trúc lưới 17 nút tải tại hình

2 Bài toán mẫu lưới phân phối 1 nguồn 32 nút tải 37 nhánh [12]

Trong lưới điện này, Rubin Taleski [128] đặt nút tải có số lẻ là tải loại URL và tải có số chẵn có loại CL Tải đỉnh là tải cho tại [12] - phụ lục 4

Cấu trúc vận hành được xác định bằng cách thay thế công suất tải bằng công suất tải trung bình được tính từ moment bậc 1 và công suất đỉnh của phụ tải Cũng bằng hai gải thuật tái cấu trúc lưới vòng kín và kết nối để tìm cấu trúc lưới có 'A bé nhất Cấu trúc lưới vận hành giảm 'A được xác định bằng phương pháp đề nghị và của Rubin Taleski [128] thực hiện cho kết quả hoàn toàn giống nhau Các khoá mở lần lượt là S28, S7, S9, S14, S32

Nhận xét 4: Ngay cả với ví dụ phức tạp như lưới điện 1 nguồn 32 nút tải 37 nhánh, việc xác định cấu trúc lưới có 'A bé nhất bằng giải thuật tái cấu trúc lưới giảm 'P khi thay công suất tải bằng công suất trung bình cho kết quả phù hợp cấu trúc lưới do Rubin Taleski [128] đề nghị Điều này cho mức độ ảnh hưởng của đồ thị phụ tải hay loại tải lên cấu trúc lưới hở có 'A bé nhất là không đáng kể và các giả thiết nêu trong luận án là hợp lý

3 Bài toán mẫu của lưới phân phối IEEE

Để khảo sát hàm tổn thất công suất tác dụng theo thời gian T=24 giờ của cấu trúc lưới điện phân phối sử dụng giải thuật giảm 'A, có thể dùng lưới điện phân phối mẫu IEEE có cấp điện áp vận hành là 13.8kV nêu trong ví dụ của phần nềm phân bố công suất chuẩn PSS/U [155] như hình 4.2 và thông số cấu trúc lưới được nêu tại bảng 1 – phụ lục 5

Các loại đồ thị phụ tải lần lượt được nêu tại hình 4.3a, 4.3b Các loại tải bao gồm: tải dịch vụ (ký hiệu: loại 1), tải công nghiệp (ký hiệu: loại 2), tải sinh hoạt (ký hiệu: loại 3) Thời gian khảo sát: 24 giờ

Loại đồ thị phụ tải cho từng tải trong lưới điện và cấu hình lưới điện tối ưu cho từng thời điểm được nêu trong phụ lục 5 Bảng 4.3 trình bày tổn thất công suất 'P và tổn thất năng lượng 'A của lưới điện với các cấu trúc không thay đổi trong thời gian khảo sát Trong đó cấu trúc 1, 2, 3 lần lượt là cấu trúc có tổn thất công suất tác dụng 'P bé nhất theo từng bậc đồ thị phụ tải từ 18:00 ngày hôm trước đến 6:00 ngày hôm sau, từ 7:00 đến 13:00 và từ 14:00 đến 17:00 cùng ngày

sw9

B30

sw24 sw22

sw5

sw28

sw27 sw37

sw3

sw2 sw4 sw23

sw25 sw26

sw29 sw30

sw31 sw38 sw32

sw36

sw17 sw16

sw15 sw34 sw14

sw13

sw12 sw11

sw7

sw8

sw33

sw21 sw35 sw20

sw19 sw18

sw6

sw10

B31 B32

B36 B17 B29

B16

B28 B37

B24 B23 B22

B2

B3

B18

B6

B26 B25 B5 B4

B10

B12

B13 B14

B15 B7

B19

B20

B8

B33

B1 SO

B27

B9

Hình 4.2 : Lưới điện phân phối IEEE [155]

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

gio

% Pmax

Dich vu

Sinh hoat

Cong nghiep

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

gio

% Qmax

Dich vu Sinh hoat

Cong nghiep

Các cấu trúc lưới điện phân phối IEEE giảm tổn thất công suất tính theo từng thời điểm được tính bằng trình TOPO trong phần mềm PSS/U [155] Cấu trúc lưới và tổn thất công suất trong thời gian khảo sát (T=24 giờ) trình bày tại bảng 4.3 Cấu trúc lưới điện đề nghị được xác định bằng cách sử dụng công suất tải trung bình Sử dụng hai giải thuật tái cấu trúc lưới giảm tổn thất công suất tác dụng 'P đã xây dựng ở chương 3 và trình TOPO phần mềm PSS/U ver 8.3 đều cho cấu trúc lưới điện tương tự, được trình bày tại bảng 4.3

Tổn thất công suất tác dụng 'P tính cho từng cấu trúc theo các thời điểm được xác định bằng phần mềm PSS/U ver 8.3 Dấu (*) thể hiện cấu trúc cho tổn thất công suất bé nhất trong bảng 4.3

Thời điểm (t) 0 – 4 5 – 6 7 – 10 11 - 13 14 - 17 18 – 19 20 - 23 Cấu trúc lưới Thời đoạn (h) 5 2 4 3 4 2 4 Khoá điện mở

Tổn thất công suất (kW)

Cấu trúc 1 343,3(*) 309,3(*) 373,0 344,8 471,0 495,8(*) 563,9(*) 7,10,14,16,28,31 Cấu trúc 2 348,0 311,6 367,0(*) 340,1(*) 469,5 505 575,5 7,9,14,16,28,30 Cấu trúc 3 344,9 309,7 369,6 342,1 469,0(*) 499,3 568,1 7,10,14,16,27,30 C.trúc tối ưu 343,6 309,5 371,2 343,2 471,0 496,2 565,5 7,9,14,16,28,31

Tổn thất năng lượng (kWh)

Cấu trúc 1 1716,7 309,3 1492,0 1034,4 1883,8 991,5 2255,7 7,10,14,16,28,31 Cấu trúc 2 1739,9 311,6 1468,0 1020,3 1878,0 1010 2302,1 7,9,14,16,28,30 Cấu trúc 3 1724,4 309,7 1478,4 1026,2 1876,1 998,6 2272,5 7,10,14,16,27,30 C.trúc đề nghị 1718,0 309,5 1484,9 1029,6 1884,2 992,3 2261,9 7,9,14,16,28,31

So sánh tổn thất năng lượng 'A giữa các cấu trúc được chọn

Cấu trúc 1 Cấu trúc 2 Cấu trúc 3 Cấu trúc đề nghị

9992,52 kWh 10041,47kWh 9995,51 kWh 9989,85 kWh

Bảng 4.3: 'P, 'A của các cấu trúc lưới điện Dấu (*) thể hiện cấu trúc có 'Pmin

Nhận xét 4: Trong thời gian khảo sát (24 giờ), tuy cấu trúc lưới điện phân phối đề nghị liên tục là cấu trúc lưới điện phân phối có tổn thất công suất không phải bé nhất khi so sánh với các cấu trúc 1, 2 và 3 nhưng là cấu trúc lưới có tổn thất năng lượng bé nhất (9989,85 kWh/ngày) trong 3 cấu trúc có tổn thất công suất bé nhất (được xác định bằng trình TOPO của phần mềm PSS/U)

Tổn thất cơng suất tác dụng ''P tính cho cấu trúc theo thời điểm xác định phần mềm PSS/U ver 8.3 Dấu (*) thể cấu trúc cho tổn thất công suất bé bảng 4.3

Thời