TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT LƯỚI HIỆU QUẢLƯỚI ĐIỆN CÁP NGẦM 22KV KHU DU LỊCH BÃI DÀICAM RANHVấn đề tối ưu trong hệ thống điện nói chung và cấu trúc tối ưu của lưới điện nói riêng làmột bài toán khó do tính phức tạp của hệ thống. Đặc biệt bài toán tối ưu hóa cấu trúc lưới điệnphân phối cáp ngầm thường rất phức tạp do số lượng phương án kết lưới có thể có của lướiđiện là rất lớn và vấn đề đi dây ngầm trong lòng đất. Bài báo trình bày một phương pháp tiếpcận để giải quyết bài toán tìm cấu trúc tối ưu của lưới điện phân phối cáp ngầm bằng phươngpháp kết hợp giữa phân tích với kinh nghiệm thực tế của các chuyên gia về quy hoạch lướiđiện trên thế giới đồng thời xây dựng chương trình tính toán tìm cấu trúc tối ưu trên máy tính vàứng dụng để tính chọn phương án kết lưới hiệu quả cho lưới điện 22kV cáp ngầm ở khu du lịchBãi Dài, huyện Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa.
Trang 1TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT LƯỚI HIỆU QUẢ LƯỚI ĐIỆN CÁP NGẦM 22KV KHU DU LỊCH BÃI DÀI-CAM RANH
CALCULATION AND CHOICE OF AN EFFECTIVE GRID CONNECTION PLAN FOR THE 22KV UNDERGROUND CABLE GRID IN BAIDAI-CAMRANH RESORT
Đinh Thành Việt
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Nguyễn Hồng
Công ty TNHH Tư vấn Điện ETNT
TÓM TẮT
Vấn đề tối ưu trong hệ thống điện nói chung và cấu trúc tối ưu của lưới điện nói riêng là một bài toán khó do tính phức tạp của hệ thống Đặc biệt bài toán tối ưu hóa cấu trúc lưới điện phân phối cáp ngầm thường rất phức tạp do số lượng phương án kết lưới có thể có của lưới điện là rất lớn và vấn đề đi dây ngầm trong lòng đất Bài báo trình bày một phương pháp tiếp cận để giải quyết bài toán tìm cấu trúc tối ưu của lưới điện phân phối cáp ngầm bằng phương pháp kết hợp giữa phân tích với kinh nghiệm thực tế của các chuyên gia về quy hoạch lưới điện trên thế giới đồng thời xây dựng chương trình tính toán tìm cấu trúc tối ưu trên máy tính và ứng dụng để tính chọn phương án kết lưới hiệu quả cho lưới điện 22kV cáp ngầm ở khu du lịch Bãi Dài, huyện Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa
ABSTRACT
Optimization in the power system in general and optimal configuration of power network
in particular is a hard problem due to system complications Especially, the optimal configuration
of the underground power distribution network is complicated due to great number of possible cases and underground installation This paper presents an approach to the study on an optimal configuration of power distribution network by the combination of an analysis method and practical experiences from experts on the power system planning A relevant computer program has been implemented in order to find the effective configuration for the 22kV underground power distribution network in the Resort of Baidai in Camranh District, Khanhhoa Province
1 Đặt vấn đề
Sau khi xác định được điện áp vận hành của hệ thống điện cho một khu vực, ta cần phải giải quyết bài toán tìm cấu trúc tối ưu của lưới điện Cấu trúc lưới điện liên quan trực tiếp đến vấn đề vận hành và khả năng phát triển của lưới Khi thay đổi cấu trúc của lưới dẫn đến thay đổi về chức năng và do đó sẽ tạo ra ảnh hưởng tốt hoặc xấu đối với các mục tiêu đã đề ra
Tối ưu hóa cấu trúc lưới điện là bài toán phức tạp do bị ràng buộc nhiều yếu tố, phải có đầy đủ dữ liệu đầu vào và có giải thuật phù hợp để tính toán vì khối lượng tính toán rất lớn Riêng với bài toán tối ưu hóa cấu trúc lưới điện phân phối thì còn phải chịu nhiều ràng buộc như lịch sử, địa hình, quy mô lưới điện, chi phí đầu tư, số lượng phương án tính toán lớn, khó chương trình hóa từ các giải thuật thông thường…
Bằng cách tiếp cận theo phương pháp lôgic: kết hợp phân tích bản đồ phân bố
Trang 2phụ tải thực tế với việc xây dựng giải thuật để tính toán, bài toán cấu trúc tối ưu lưới điện có thể được giải quyết với một số mục tiêu đề ra Sử dụng phương pháp này cho phép giảm đáng kể khối lượng tính toán mà vẫn cho kết quả phù hợp với thực tế
2 Giải quyết vấn đề
2.1 Chia cụm phụ tải theo nguyên tắc đường đi ngắn nhất
Nguyên tắc đường đi ngắn nhất: Từ nguồn sẽ nối đến phụ tải gần nó nhất
Từ các yêu cầu ban đầu về cấp điện, yêu cầu khả năng kết nối lưới điện với các khu vực lân cận, cân nhắc kỹ điều kiện đặc thù thực tế của địa hình phân bố phụ tải, phân chia phụ tải thành các cụm phụ tải theo nguyên tắc đường đi ngắn nhất như hình 1
Từ đó xác định các cụm phụ tải cần cấp điện, xác định sơ bộ các xuất tuyến cấp điện cho các cụm phụ tải Kết quả là đã xác định được cấu trúc lưới điện cơ bản giữa nguồn điện và các cụm phụ tải cần cấp điện Các yêu cầu về cấp điện, kết nối với khu vực xung quanh đã thỏa mãn, đáp ứng tiêu chí đường đi ngắn nhất
Hình 1 Xác định tuyến cấp điện cho các cụm trạm biến áp phụ tải
2.2 Xây dựng hàm mục tiêu của lưới điện
Biểu thức hàm chi phí tính toán hàng năm Z của phương án nối dây của lưới điện n nút phụ tải phụ thuộc vào các giá trị dòng điện Iij theo công thức sau [4]:
( )
ij ij
khi I
Z I
=
⎩ ∑ ∑ ⎭ (1) với A a A= và a B. 3 .c J
J
a = (avh + atc); avh, atc: là các hệ số vận hành và hệ số tiêu chuẩn của vốn đầu tư; A: thành phần vốn đầu tư không phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn (tiền thăm dò tuyến, tiền cột móng, tiền bồi thường diện tích đất…), đ/km;
B: hệ số của thành phần vốn đầu tư phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn, đ/km.mm2;
Trang 3Lij : chiều dài đường dây ij, km;
Iij : dòng điện trên đoạn đường dây ij, A;
ρ: điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn, Ω.mm2/km;
τ: thời gian tổn thất công suất lớn nhất;
c: là giá tiền 1kWh tổn thất điện năng;
J: mật độ dòng điện, A/mm2; có thể xác định theo quy phạm ngành điện
Khi đó bài toán xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện trở thành bài toán xác định tập Iij sao cho hàm chi phí tính toán Z(Iij) đạt giá trị cực tiểu Mô tả dưới dạng toán học:
Xác định tập {Iij} sao cho:
, 1 , 1
( )
ij
ij
khi I
Z I
=
⎩ ∑ ∑ ⎭ (2)
Z(Iij) = Z1 + Z2 ; trong đó: Z1 = ∑ A Lij và Z2 = ∑β.Lij.Iij ;
Suy ra điều kiện của bài toán: Xác định tập {Iij} sao cho minZ(Iij) = min(Z1+Z2)
Đặt min Z1 = W1;
min Z2 = W2;
min Z = min (Z1+Z2) = W
Suy ra ta luôn có điều kiện: min Z ≥ min Z1+min Z2 ;
Giá trị của hàm chi phí tính toán chỉ bằng W khi phương án được chọn vừa là phương án có vốn đầu tư cực tiểu, vừa là phương án có tổn thất điện năng nhỏ nhất tức
là truyền tải điện năng với chi phí nhỏ nhất
Để tìm phương án kết nối tối ưu giữa các trạm biến áp (TBA) phụ tải trong một cụm phụ tải ta sử dụng phương pháp cực tiểu hàm chi phí tính toán Z, xây dựng thuật toán và viết chương trình để tính toán cấu trúc tối ưu của lưới điện Ở đây, trước hết đề cập đến phương án kết nối tối ưu giữa các TBA phụ tải trong mỗi khu vực theo tiêu chí cực tiểu hàm chi phí tính toán Z1 Đối với trường hợp các phụ tải nằm lân cận giữa 2 khu vực kề nhau mà có khả năng có phương án kết nối khác, sẽ tính toán tiếp hàm chi phí tính toán Z2 cho các trường hợp đấu nối vào mỗi khu vực để xác định hàm Z=Z1+Z2,
từ đó chọn phương án đấu nối có Z min
Từ công thức (2), ta cần phải xác định Lij và Iij của các nhánh của lưới điện để tính toán các hàm Z1 và Z2
Từ hình 2, nếu gọi Xi và Yi là các tọa độ của TBA thứ i, ta có khoảng cách Lij
giữa hai TBA thứ i và j tính theo công thức sau (theo lý thuyết độ đo Lebesgue [5]):
L = ∆X + ∆Y = X −X +Y − (3) Y
Trang 4Để xác định Iij trên các nhánh, ta thành lập ma trận cấu trúc lưới điện để tính Sij [Aij]nn là ma trận cấu trúc, có các tính chất: [3]
- Số hàng của ma trận bằng số nhánh của mạng
- Số cột của ma trận bằng số nút của mạng
Hình 2 Xác định khoảng cách thực tế đường dây đi từ trạm phụ tải i đến j
Các phần tử Aij được xác định: Các nút nối với nhánh tương ứng của nó thì Aij
nhận giá trị 1, ngược lại thì Aij nhận giá trị 0
Công suất trên nhánh i là tích vô hướng của [Ahi] và [S]:
[ ] [ ]
1
,
n nhi hi hij j
j
=
Với [Ahi] là ma trận hàng thứ i của ma trận cấu trúc
[S] = [S1, S2, …, Si, … Sn] là ma trận công suất phụ tải tính toán tại các nút Bằng cách thành lập ma trận cấu trúc, ta tính được công suất trên các nhánh Sij
và từ đó tính được dòng điện Iij đi trên các nhánh:
3
ij ij
S I
U
= trong đó Sij là công suất trên nhánh ij (kVA)
3 Kết quả tính toán
3.1 Tìm cấu trúc lưới điện theo cực tiểu của Z 1 :
Để giải bài toán tối ưu hóa cấu trúc lưới điện theo tiêu chí min Z1 ta áp dụng thuật toán Prim với sơ đồ thuật toán như ở hình 3 [4]
3.2 Tìm đấu nối tối ưu cho các vị trí trạm lân cận giữa 2 khu vực
Theo nguyên tắc phân chia cụm phụ tải đã đề cập ở phần 2.1, ta phân chia vực Bãi Dài ra làm 4 cụm phụ tải, 4 cụm phụ tải phân bố 2 bên của 2 trục đường chính chạy suốt chiều dài khu Bãi Dài Khu vực I và II nằm kề nhau và cùng về 1 phía đối với TBA cấp nguồn 110/22kV Theo khảo sát, TBA T3 nằm trong khu vực I nhưng rất gần với T4 của II Tính toán so sánh trạm này đấu nối vào lưới điện khu vực I hay II là tốt nhất
Trang 5Để giải quyết, ta xõy dựng chương trỡnh tớnh toỏn Z2 của lưới điện khu vực I và
II là Z2-I và Z2-II của 2 khu vực này là:
Z2 = Z2-I + Z2-II
sau đú cho TBA T3 nối vào lưới điện khu vực I tại vị trớ T4 và tớnh lại cỏc hàm chi phớ tớnh toỏn Z2’ = Z2-I’ + Z2-II’ So sỏnh Z2’ và Z2 Nếu Z2’ > Z2 thỡ chọn phương ỏn đó tớnh ở trờn, ngược lại thỡ chọn T3 đấu nối vào lưới điện khu vực I tại vị trớ trạm T4
Giải thuật tớnh S để tỡm Z2 của cỏc khu vực thể hiện trờn hỡnh 4
A ={0}; C={0};
Tìm cạnh ngắn nhất của graph.
Bổ sung 2 đỉnh của cạnh đó vào A ;
Bổ sung cạnh đó vào tập C;
Sc:=1;
k
Tìm một cạnh có 1 đỉnh thuộc A , 1 đỉnh không thuộc A
Bổ sung đỉnh không thuộc A vào A
Bổ sung cạnh mới vào C.
Sc:= sc + 1;
Sc = n-1
- C chứa các cạnh của cây bao trùm nhỏ nhất của graph
- In kết quả.
éu´ng
Sai
k
k k
Nhập số liệu về graph đầy đủ của mạng điện
Hỡnh 3 Thuật toỏn tỡm phương ỏn cú Z1 min Hỡnh 4 Thuật toỏn tỡm S cỏc nhỏnh để tớnh Z2
Chương trỡnh tớnh toỏn tỡm cõy bao trựm nhỏ nhất của cỏc cụm phụ tải của một khu vực và tớnh toỏn cỏc thụng số S(kVA), L(m), I(A) và tớch L.I(m.A) viết bằng phần mềm MATLAB, cú giao diện như hỡnh 5
Hỡnh 5 Kết quả tỡm Z 1 min và Z 2 của lưới điện khu vực I
Trang 6Kết quả chương trình tính toán cho ra cây bao trùm nhỏ nhất của một khu vực,
vẽ sơ đồ lưới điện theo kết quả tính và in các kết quả chi tiết tính toán các thông số L, S,
I và tích L.I là ma trận mô tả lưới điện
Chương trình tính toán còn cho phép tính toán với các số liệu lưới điện bất kỳ bằng cách nhập số liệu từ file mẫu số liệu lưới điện là ma trận 5 cột: Thứ tự, tên trạm, công suất, tọa độ X và tọa độ Y của trạm biến áp phụ tải (tọa độ GPS)
4 Kết luận
Để giải quyết trọn vẹn bài toán tối ưu một cách tổng quát là vấn đề phức tạp, do
bị ràng buộc nhiều yếu tố, phải có đủ dữ liệu đầu vào và có giải thuật phù hợp để tính toán vì khối lượng tính toán rất lớn
Bằng cách kết hợp các lý thuyết với việc xây dựng thuật toán tối ưu, đã giải quyết được một phần các vấn đề kỹ thuật nói trên, đưa ra phương pháp tính toán kết lưới hiệu quả nói chung và cụ thể cho 2 cụm phụ tải khu Bãi Dài
Hàm mục tiêu mà đề tài đạt được là cực tiểu tổng vốn đầu tư Z1 của các tuyến và phí tổn vận hành Z2 cực tiểu đối với các trường hợp các phụ tải chưa thể khẳng định
Để tìm min Z1 và Z2 cho các tuyến, đề tài đã xây dựng thuật toán và viết chương trình bằng phần mềm MATLAB Chương trình còn cung cấp thông số của lưới điện để làm cơ sở cho việc lựa chọn thiết bị chính
Các kết quả nghiên cứu có thể tham khảo để xây dựng mới hệ thống lưới điện ngầm cho các khu đô thị mới cũng như các đô thị cần cải tạo hạ ngầm lưới điện
Chương trình tính toán bằng phần mềm MATLAB tác giả viết có thể được nghiên cứu cải tiến và mở rộng hơn nữa cho việc giải bài toán tìm kết lưới tối ưu của hệ thống điện khi biết trước một số nguồn và phụ tải
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1] Lê Kỷ, Một số vấn đề về quy hoạch, thiết kế và vận hành các hệ thống cung cấp điện cho đô thị, Tài liệu giảng dạy cho học viên cao học
[2] Hoàng Chí Thành (2007), Đồ thị và các thuật toán, NXB Giáo dục
[3] Trần Vinh Tịnh (2001), Áp dụng các phương pháp tối ưu hóa nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế vận hành hệ thống cung cấp điện, Tài liệu giảng dạy cho học viên
cao học
[4] Nguyễn Lân Tráng (2005), Quy hoạch phát triển hệ thống điện, NXB Khoa học kỹ
thuật
[5] H Lee Willis (2004), Power Distribution Planning Reference Book (Second Edition, Revised and Expanded), ABB, Inc Raleigh, North Carolina, U.S.A, Marcel Dekker
