Giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối bằng máy phát phân tán

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nguồn điện phân tán sẽ mang lại nhiều hiệu quả thiết thực khi tham gia hệ thống phân phối, khi sử dụng DG sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng công suất vào giờ c

M ỤC LỤC

Trang Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Lý lịch khoa học……… … ………… i

Lời cam đoan……….……… ……… ii

Lời cám ơn……… ……… iii

Tóm tắt……… ……… ……… ……… iv

Mục lục……… ……… ……… ……… v

Danh sách các chữ viết tắt… ……… ……… ……… vi

Danh sách các hình……… … ……… ……… …………vii

Danh sách các bảng……… ……… ……… ……… … viii

CHƯƠNG 0 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1 Đặt vấn đề 1 2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 3

3 Phạm vi nghiên cứu 3 4 Phương pháp giải quyết bài toán 4 5 Điểm mới của luận văn 4

6 Giá trị thực tiễn của luận văn 4

7 Bố cục của luận văn 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI PHÂN PHỐI VÀ DG 5 1.1 Tổng quan về lưới điện phân phối 5

1.1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối 5 1.1.2 Nhiệm vụ của lưới điện phân phối 6

1.2 Tổng quan về DG 7 1.3 Một số công nghệ DG 7

1.3.3 Máy phát turbine gió (Wind turbine – WT) 8

1.3.4 Máy phát động cơ đốt trong (Internal Combustion Engines – ICE) 9

1.3.5 Turbine khí (Combustion Turbine – CT) 9

1.3.6 Thủy điện nhỏ 10

1.3.7 Năng lượng mặt trời 11

1.4 Các nghiên cứu liên quan đã công bố 11

CHƯƠNG 2 CÁC BÀI TOÀN LIÊN QUAN ĐẾN DG 14

2.1 Mục đích vận hành DG 14

2.2 Các bài toán liên quan đến DG 14

2.2.1 Bài toán đánh giá độ giảm tổn hao đường dây 15

2.2.2 Bài toán nâng cao độ tin cậy 17

CHƯƠNG 3 BÀI TOÁN TỐI ƯU VỊ TRÍ DG GI M TỔN TH T CÔNG SU T VÀ NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY 23

3.1 Những ảnh hưởng khi tích hợp nguồn phân tán vào lưới phân phối 23

3.2 Mô tả mục tiêu bài toán 24

3.3 Mô hình toán học 24

3.3.1 Hàm mục tiêu của mô hình 24

3.3.2 Tổng chi phí cung cấp từ hệ thống phân phối 25

3.3.3 Tổng chi phí gián đoạn ước tính 26

3.3.4 Tổng chi phí tổn thất năng lượng 26

3.3.5 Hạn chế công suất DG 26

3.3.6 Hạn chế hoạt động DG 27

3.4 Giải thuật di truyền (genetic algorithm-GA) 27

3.4.1 Các đặc tính của thuật toán di truyền 27

3.4.2 Các quá trình cơ bản trong thuật toán di truyền 28

3.4.3 Các tham số của thuật toán di truyền (hay còn gọi là các thông số điều khiển của thuật toán) 31

3.5 Áp dụng giải thuật di truyền tính toán lưới điện 20 nút tải có tải tập trung 33

3.5.1 Hàm mục tiêu của bài toán 34

3.5.2 Áp dụng giải thuật di truyền 37

3.5.3 Kết quả tính toán 42

3.5.4 Kết quả tính toán bằng phần mềm PSS Adept 47

3.6 Kết luận 50

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN TUYẾN 477AX TP CÀ MAU 52

4.1 Giới thiệu lưới điện thành phố Cà Mau 52

4.2 Một số số liệu các phát tuyến 53

4.2.1 Thông tin các phát tuyến chính 53

4.2.2 Số liệu sự cố điển hình của Điện lực Thành phố Cà Mau 54

4.3 Áp dụng tính toán cho phát tuyến 477AX 54

4.3.1 Kết quả tính toán bằng giải thuật GA 55

4.3.2 Kết quả tính toán bằng phần mềm PSS Adept 59

4.4 Kết luận 63

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO ĐỀ TÀI 64

5.1 Những hạn chế và đề xuất hướng phát triển cho đề tài 64

5.1.1 Những hạn chế 64

5.1.2 Đề xuất hướng phát triển của đề tài 64

5.2 Kết luận 64

Tài liệu tham khảo 66

Phụ lục 69

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.3: Hệ thống turbine gió 9

Hình 1.4: Nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ sử dụng turbine khí 10

Hình 1.5: Một đập thủy điện nhỏ 10

Hình 1.6: Hệ thống pin dùng năng lượng mặt trời 11

Hình 2.1: Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở có nguồn phân tán 18

Hình 3.1: Lưới điện phân phối 22kV với 20 nút tải tập trung 33

Hình 3.2: Lưu đồ giải thuật 41

Hình 3.3: Giao diện chương trình tính toán 42

Hình 3.4: Kết quả tính toán trường hợp 1 43

Hình 3.5: Sơ đồ lưới 20 nút tính toán bằng phần mềm PSS 47

Hình 4.1: Sơ đồ lưới điện TP Cà Mau 52

Hình 4.2: Sơ đồ đơn tuyến tuyến 477AX 55

Hình 4.3: Kết quả tính toán bằng giải thuật GA cho lưới 48 nút 57

Hình 4.4: Sơ đồ lưới 48 nút tính toán bằng phần mềm PSS 59

DANH SÁCH CÁC B NG

Bảng 3.1 Thông số đường dây 20 nút 34

Bảng 3.2 Kết quả tính toán trường hợp 1 43

Bảng 3.3 Kết quả tính toán trường hợp 2 44

Bảng 3.4 Kết quả tính toán trường hợp 3 45

Bảng 3.5 Kết quả tính toán trường hợp 4 45

Bảng 3.6 Kết quả tính toán trường hợp 5 46

Bảng 3.7 Kết quả tính toán tổn thất công suất khi chưa kết nối DG 48

Bảng 3.8 Kết quả tính toán tổn thất công suất khi kết nối DG 48

Bảng 3.9 Kết quả tính toán độ tin cậy khi chưa kết nối DG 49

Bảng 3.10 Kết quả tính toán độ tin cậy khi kết nối DG 49

Bảng 3.11 So sánh kết quả giữa 2 phương pháp 50

Bảng 4.1 Số liệu cơ bản các phát tuyến cung cấp điện TP Cà Mau 53

Bảng 4.2 Thống kê theo loại sự cố 54

Bảng 4.3 Thông số phát tuyến 477AX 55

Bảng 4.4 Kết quả tính toán bằng giải thuật GA cho lưới 48 nút trường hợp 1 57

Bảng 4.5 Kết quả tính toán bằng giải thuật GA cho lưới 48 nút trường hợp 2 58

Bảng 4.6 Kết quả tính toán bằng giải thuật GA cho lưới 48 nút trường hợp 3 59

Bảng 4.7 Kết quả tính toán tổn thất công suất khi chưa kết nối DG 60

Bảng 4.8 Kết quả tính toán tổn thất công suất khi kết nối DG 60

Bảng 4.9 Kết quả tính toán độ tin cậy khi chưa kết nối DG 61

Bảng 4.10 Kết quả tính toán độ tin cậy khi kết nối DG 62

Bảng 4.11 So sánh kết quả giữa 2 phương pháp 62

sự không cải thiện được nhiều về các chỉ tiêu tổn thất

Các lưới điện phân phối hiện nay đang trong giai đoạn cải tạo, đầu tư và phát triển mạnh mẽ Khối lượng các đường dây tải điện, các trạm biến áp cũng như các nguồn điện kết nối vào hệ thống đang ngày càng gia tăng nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển nhanh chóng của phụ tải Tuy nhiên phụ thuộc quá nhiều vào các nguồn thủy điện và nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường đang ngày càng được quan tâm Các nguồn năng lượng thay thế sẽ là một yếu tố ưu tiên lựa chọn, hệ thống nguồn phát phân tán (Distributed Generation-DG) là thiết thực cho nhu cầu năng lượng đối với một xã hội phát triển, hiện đại

nhằm bổ sung và đáp ứng nhanh chóng nguồn điện cho phụ tải Các nguồn phân tán

này sẽ xem xét việc sản xuất dòng công suất thực tế theo nhu cầu trên lưới nhằm tăng giá trị điện áp của hệ thống, giảm tổn thất điện năng, tăng doanh thu cho các Công ty Điện lực trong khi hoạt động của các thiết bị bảo vệ trên lưới là không thay đổi

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nguồn điện phân tán sẽ mang lại nhiều hiệu quả thiết thực khi tham gia hệ thống phân phối, khi sử dụng DG sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng công suất vào giờ cao điểm, giảm tổn thất trên đường dây, cải thiện chất lượng điện năng, nâng cao độ tin cậy và thân thiện với môi trường Nó còn góp phần vào việc giảm áp lực đầu tư cải tạo lưới điện hiện hữu, giảm chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành và đáp ứng tốt về khả năng dự phòng cho hệ thống

CácălợiăíchăkhiăkếtănốiăDG

*ăĐốiăvớiăngƠnhăđiện:

- Giảm tổn thất công suất trên đường dây

- Giảm tải trên đường dây

- Giảm chi phí vận hành

- Giảm chi phí đầu tư nâng cấp hệ thống

*ăĐốiăvớiăkháchăhƠngăsửădụngăđiện:

- Nâng cao chất lượng điện năng

- Cải thiện độ tin cậy cung cấp điện

- Giảm giá thành sử dụng điện

- Tạo môi trường ngày càng cạnh tranh cho thị trường điện

Cácătácăđộng:

Khi DG được kết nối vào hệ thống phân phối, nó được xem như một nguồn cung cấp thứ hai vì vậy mạng điện hiện hữu sẽ trở thành mạng điện kín có hai

nguồn cung cấp Tùy thuộc vào cấu trúc của lưới điện mà ảnh hưởng của DG đến lưới cũng khác nhau, các tác động thường gặp:

- Thay đổi tổn thất công suất trên lưới điện

- Tổn thất điện áp và sự dao động diện áp

- Thay đổi dòng sự cố trong lưới và bảo vệ Relay

- Độ không sin của sóng điện áp

- nh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện

- Thay đổi sự phối hợp của các thiết bị bảo vệ trên lưới điện

2 ăM CăTIểUăVÀăNHI MăV ăC AăLU NăVĔN

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu việc: “Giảm tổn thất công suất và nâng

cao độ tin cậy lưới điện phân phối bằng máy phát phân tán”

- Nghiên cứu việc giảm tổn thất công suất trên lưới phân phối khi có kết nối

DG

- Xây dựng hàm đa mục tiêu sử dụng giải thuật Gen để giải bài toán tìm vị trí thích hợp để kết nối DG nhằm giảm tổn thất công suất và cực tiểu chi phí vận hành

- Kiểm chứng việc giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện bằng phần mềm PSS/ADEPT

- Áp dụng giải thuật vào lưới điện phân phối mẫu và lưới thực tế

3 ăPH MăVIăNGHIểNăC U

Phạm vi nghiên cứu của luận văn tập trung vào bài toán giảm tổn thất công suất

và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi kết nối DG nhằm cực tiểu chi phí vận hành

4 ăPH NGăPHỄPăGI IăQUY TăBÀIăTOỄN

- Áp dụng các phương pháp giải tích mạng điện xây dựng hàm đa mục tiêu cực tiểu tổn thất công suất khi có DG

- Sử dụng giải thuật di truyền giải bài toán đa mục tiêu khi có DG

- Sử dụng chương trình tính toán lưới điện PSS/ADEPT kiểm chứng kết quả

5 ăĐI MăM IăC AăLU NăVĔN

- Xây dựng hàm đa mục tiêu giải quyết vấn đề giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi có kết nối DG

- Áp dụng giải thuật di truyền tìm vị trí tối ưu lắp đặt DG trên lưới phân phối cực tiểu chi phí vận hành

6 ăGIỄăTR ăTH CăTI NăC AăLU NăVĔN

- Cung cấp một giải thuật tìm vị trí tối ưu lắp đặt DG giảm tổn thất trên lưới

- Góp phần vào các nghiên cứu liên quan đến DG

- Làm tài liệu tham khảo cho các công tác nghiên cứu và vận hành lưới điện khi có kết nối DG

7 B ăC CăC AăLU NăVĔN

Luận văn gồm 6 chương:

Ch ngă0: Giới thiệu đề tài

Ch ngă1: Tổng quan về lưới phân phối

Ch ngă2: Các bài toán liên quan đến DG

Ch ngă3: Bài toán tối ưu vị trí DG giảm tổn thất công suất và nâng

cao độ tin cậy

Ch ngă4: Tính toán tuyến 477AX TP.Cà Mau

Ch ngă5: Kết luận và hướng phát triển cho đề tài

CH NGă1

1 1ăTổngăquanăv ăl ớiăđiệnăphơnăphối:

1.1.1ăĐ căđi măl ớiăđiệnăphơnăphối:

Lưới điện phân phối là khâu cuối cùng của hệ thống điện để đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng Lưới điện phân phối bao gồm lưới trung áp và hạ áp

Đường dây truyền tải thường được vận hành mạch vòng hay hình tia, còn các đường dây phân phối điện luôn được vận hành hở trong mọi trường hợp Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng loại relay quá dòng Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đường dây kế cận được cấp điện từ một trạm biến áp trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đường dây bị sự cố Việc khôi phục lưới được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các thiết bị bảo vệ hiện có trên lưới hoặt sử dụng các nguồn phân tán hiện có trong khu vực

Một đường dây phân phối luôn có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh hoạt, thương mại dịch vụ, công nghiệp…) và các phụ tải này được phân bố không đồng đều giữa các đường dây Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa Vì vậy, trên các đường dây, đồ thị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ Điều này gây ra quá tải đường dây và làm tăng tổn thất trên lưới điện phân phối

Để chống quá tải đường dây và giảm tổn thất, ngoài việc thay đổi cấu trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khoá điện hiện có trên lưới thì việc sử dụng các nguồn phân tán là một trong những giải pháp cần xem xét Vì vậy, trong quá trình thiết kế các loại khoá điện (Recloser, LBS, DS…) sẽ được lắp đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng/cắt các khoá này vừa có thể giảm

chi phí vận hành và vừa giảm tổn thất năng lượng đồng thời kết hợp để kết nối với các nguồn phân tán khi cần thiết

Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, vì vậy xuất hiện nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụ thể Tuy nhiên, các điều kiện vận hành lưới phân phối luôn phải thoả mãn các điều kiện:

- Cấu trúc vận hành hở

- Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép

- Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải

Các đặc điểm chính của lưới điện phân phối:

- Tổng chiều dài và số lượng máy biến áp chiếm tỷ lệ lớn trong toàn hệ thống

1.1.2ăNhiệmăvụăc aăl ớiăđiệnăphơnăphối:

- Cung cấp phương tiện để truyền tải năng lượng điện đến hộ tiêu thụ

- Cung cấp phương tiện để các công ty điện lực có thể bán điện

- Đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện

- Đảm bảo các thông số vận hành trong giới hạn cho phép

- Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải

Các nghiên cứu [6] đã chỉ ra rằng kết nối nguồn điện phân tán sẽ mang lại nhiều hiệu quả thiết thực khi tham gia hệ thống phân phối, khi sử dụng DG sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng công suất vào giờ cao điểm, giảm tổn thất trên đường dây, cải thiện chất lượng điện năng, nâng cao độ tin cậy và thân thiện với môi trường Nó còn góp phần vào việc giảm áp lực đầu tư cải tạo lưới điện hiện hữu, giảm chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành và đáp ứng tốt về khả năng dự phòng cho hệ thống

1.2.ăTổngăquanăv ăDG

Khi nghiên cứu về DG có rất nhiều định nghĩa khác nhau, chủ yếu xoay quanh

về đề kích cỡ và chủng loại, sau đây là một số định nghĩa về DG: [5]

- Theo Hội đồng Quốc tế về các các hệ thống điện lớn (CIGRE): các nguồn điện không phải là nguồn trung tâm, được đặt gần phụ tải và nối vào mạng điện phân phối, có công suất nhỏ hơn 100MW gọi là DG

- Ban Năng lượng Mỹ (DOE): DG là các máy phát có công suất từ vài kW đến vài chục MW Bao gồm: máy phát điện Biomass, turbine khí, pin năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió và các công nghệ tích trữ năng lượng

- Viện Nghiên cứu năng lượng điện Mỹ (EPRI): DG là các máy phát có công suất từ vài kW đến 50MW vá các thiết bị tích trữ năng lượng đặt gần phụ tải, mạng phân phối hoặc truyền tải phụ dưới dạng những nguồn năng lượng phân tán

- Thụy Điển xem các máy phát có công suất dưới 1500kW là DG

- Trong thị trường điện nước Anh và xứ Wales: một nhà máy điện có công suất nhỏ hơn 100MW không được gọi là nguồn điện tập trung Như vậy DG được xem là các máy phát có công suất nhỏ hơn 100MW

- Úc: máy phát có công suất dưới 30MW gọi là DG

- New Zealand: các máy phát có công suất dưới 5MW được gọi là DG

1.3.ăMộtăsốăcôngănghệăDG:

1.3.1.ăPinăm tătrờiă(photovoltaicăậPV)

Hình 1.1: P in mặt trời

Các hệ thống pin mặt trời chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng mà không cần đến quá trình đốt cháy hoặc tiêu thụ nhiện liệu Công nghệ này

có chi phí vận hành và bảo trì rất thấp Công nghệ PV được sử dụng phổ biến cho các tòa nhà độc lập và các hệ thông thông tin, nó được xem như một công nghệ tốt nhất cho các căn hộ và các ứng dụng thương mại nhỏ Tuy nhiên hiện tại giá thành sản xuất điện năng từ PV là khá cao cho nên nó chỉ có thể cạnh tranh được ở những nơi yêu cầu cao về độ tin cậy và thân thiện với môi trường Hệ thống PV có thể vận hành độc lập hoặc kết nối trực tiếp vào mạng phân phối

1.3.2.ăPinănhiênăliệuă(FuelăcellăậFC)

Các pin nhiên liệu có thể chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng mà không cần đến quá trình đốt cháy Công nghệ FC có ưu điểm là độ ồn thấp, cấu tạo nguyên khối, lượng khí thải thấp (SO, CO) và có độ tin cậy cao

Nhiên liệu chủ yếu dùng cho FC là hydro từ khí tự nhiên Việc khởi động FC cần thời gian từ 1 đền 4 giờ do vậy nó không phù hợp cho dự phòng nóng và chỉ thích hợp cho chạy nền đối với các phụ tải cần độ tin cậy cung cấp điện cao Hiện tại chi phí lắp đặt FC vẫn còn ở mức khá cao và cần phải có bộ chuyển đổi dòng diện để chuyển từ dòng DC sang AC FC có thể vận hành độc lập hoặc kết nối với mạng phân phối tùy theo mục đích sử dụng

1.3.3 Máy phát turbine gió (Wind turbine ậ WT)

Công nghệ sản xuất điện năng từ năng lượng gió sử dụng các turbine khí động, được chia ra các cấp như sau [5]:

 Hệ thống mini công suất nhỏ hơn 10kW

 Hệ thống nhỏ có công suất từ10kW đến 100kW

 Hệ thống trung bình có công suất từ100kW đến 500kW

 Hệ thống lớn có công suất trên 500kW Công nghệ thích hợp với khu vực nông thôn, vùng biển là những nơi có nguồn năng lượng gió dồi dào và mạng điện phân phối còn thưa thớt

Hình 1.3: H ệ thống turbine gió

1.3.4.ăMáyăphátăđộngăc ăđốtătrongă(Internal Combustion Engines ậ ICE)

Công nghệ dùng động cơ đốt trong (ICE) để sản xuất điện năng có thể nói là lâu đời nhất Công nghệ này sử dụng chu trình đốt cháy dầu diesel và gas để tạo lực cơ học, lực này quay máy phát điện để sản xuất ra điện năng, chi phí lắp đặt ICE tượng đối thấp và cho hiệu suất tương đối cao (khoảng 36 - 42% đối với máy phát diesel

và 28 - 42% đối với máy phát sử dụng gas) [5] Thời gian khởi động máy nhỏ ( khoảng 10s) thích hợp với phần tải đỉnh của hệ thống

u điểm của ICE là giá rẻ và tính sẵn sàng của dịch vụ cũng như khả năng bảo trì sửa chữa dễ dàng Tuy nhiên vướng mắc lớn nhất đối với công nghệ ICE là vấn

đề chất thải, nó ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe và môi trường, mặt khác vấn

đề tiếng ồn cũng gây nên hạn chế cho ứng dụng của ICE

1.3.5 Turbine khí (Combustion Turbine ậ CT)

Turbine khí được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong ngành công nghiệp điện năng Công suất của CT từ 500kW đến 265MW Đối với CT công suất nhỏ hiệu suất chỉ đạt 15 – 17%, với công suất khoảng 30MW hiệu suất khoảng 45% Hiệu suất của CT tăng khi vận hành đầy tải u thế của CT là chi phí lắp đặt thấp, nguồn nhiên liệu tương đối rẻ, hiệu suất cao và thời gian lắp đặt ngắn

Hình 1.4: N hà máy nhiệt điện

Phú Mỹ sử dụng turbine khí

1.3.6.ăTh yăđiệnănh

Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo tương đối sạch, ít gây ô nhiễm và giá thành phát điện thấp Tuy nhiên xét về lâu dài, thủy điện sẽ tác động không nhỏ tới

hệ sinh thái, làm biến đổi dòng chảy, ảnh hưởng đến đời sống của một các khu dân

cư phía hạ lưu Xu hướng trên thế giới hiện nay là không xây dựng các thủy điện lớn mà chỉ chỉ khai thác ở mức độ nhỏ và cực nhỏ để quá trình phát triển bền vững hơn

Hình 1.5: M ột đập thủy điện nhỏ

Mạng chuyên đề về Thuỷ điện nhỏ (Thematic Network on Small Hydropower – TNSHP), do Hiệp hội Thủy điện nhỏ châu Âu (ESHA) lập, cho biết hiện nay ở

EU15 có 14.000 công trình thủy điện nhỏ, với công suất trung bình của mỗi trạm là 0,7 MW, so với 2.800 công trình tại EU10 (10 nước gia nhập Liên minh châu Âu vào năm 2004) có công suất trung bình của mỗi trạm chỉ là 0,3 MW Vào cuối năm

2005, tổng công suất phát của thuỷ điện nhỏ của EU15 là 11.601 MW, trong đó chỉ riêng 6 nước đã chiếm đến 84,5%: Italia (2.405,5 MW), Pháp (2.060 MW), Tây Ban Nha (1.788 MW), Đức (1.584 MW), Áo (1.062 MW) và Thụy Điển (905 MW)

[Trang tin điện tử ngành Điện]

1.3.7.ăNĕngăl ợngăm tătrời

Đối với các nước nằm trong vùng nhiệt đới, số giờ nắng trung bình khoảng 2000-2500 giờ/năm với tổng năng lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng 150kCal/cm2/năm [16] Tuy nhiên nguồn năng lượng này chưa được khai thác triệt

để do những hạn chế về công nghệ và giá thành đầu tư Xét về quy mô toàn cầu thì nguồn năng lượng này không lớn lắm nhưng nó có ý nghĩa với một số quốc gia như:

n độ, Trung Quốc và Châu Phi vì ở đó mạng lưới điện năng còn thưa thớt

Hình 1.6: H ệ thống pin dùng năng lượng mặt trời

1.4 Cácănghiênăc uăliênăquanăđƣăcôngăbố:

- Các tác giả Trương Quang Đăng Khoa, Phan Thị Thanh Bình, Hồng Bảo Trân trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã nghiên cứu đề tài “Xác định dung lượng và

vị trí của máy phát phân bố (DG) tối ưu tổn thất lưới phân phối” [6] Nghiên cứu sử

dụng ph ngăphápăđi m trong để xác định vị trí và dung lượng của DG nhằm tối

ưu tổn thất lưới phân phối, kết quả áp dụng trên lưới 10 nút và lưới 42 nút đạt được khá tốt Kết quả tính toán cho thấy vị trí đặt DG tối ưu là tại nút có công suất tải tiêu thụ lớn nhất trong lưới phân phối Độ giảm tổn hao trên lưới phân phối sau khi có

DG so với trước khi có DG nhiều hay ít phụ thuộc vào lượng công suất phát ra của

DG

Sự tham gia của DG vào hệ thống phân bố sẽ đạt được một số lợi ích về mặt

kỹ thuật như: giảm tổn hao đường dây, cải thiện chỉ số điện áp, nâng cao chất lượng điện năng, tăng độ tin cậy trong việc truyền tải và phân phối, v.v

- Các tác giả Lê Kim Hùng – Đại học Đà Nẳng, Lê Thái Thanh – Điện lực Phú Yên đã công bố nghiên cứu “Tối ưu hóa vị trí đặt và công suất phát của nguồn phân tán trên mô hình lưới điện phân phối 22kV” [7] Bài báo mô tả cách sử dụng giải thuật di truyền để tìm ra vị trí đặt và công suất phát tối ưu của nguồn phân tán trên

mô hình lưới điện phân phối 22kV Tổn thất công suất được cực tiểu hóa trong khi dạng điện áp đường dây được cải thiện tốt hơn

Nghiên cứu áp dụng trên lưới điện 20 nút kết quả đạt dược như sau:

+ Tổng công suất phát của DG là 5,4 +j2,7 (MVA)

+ Vị trí kết nối: 7, 8, 17, 20, 21

+ Tỷ lệ % giảm tổn thất là 58,46%

+ Tỷ lệ % tăng điện áp cao nhất 3,32%

Việc kết hợp phương pháp Newton-Raphson trong tính toán trào lưu công suất lưới điện và giải thuật di truyền giải các bài toán tối ưu tổ hợp đã cung cấp một cách thức tìm ra các vị trí đặt và công suất phát tốt nhất cho một số lượng nguồn phân tán DG cho trước trên lưới điện phân phối Phương pháp này cho phép người vận hành có thể nghiên cứu một mạng phân phối bất kỳ Người vận hành có thể sử dụng những thông tin về lưới điện phân phối có sẵn để lập kế hoạch cho việc kết nối

DG nhằm đạt mục tiêu giảm tổn thất, cải thiện dạng điện áp như mong muốn

- Nhóm tác giả César Augusto Peñuela Meneses, Member, IEEE, and José Roberto Sanches Mantovani, Member, IEEE đã công bố nghiên cứu “Improving the Grid Operation and Reliability Cost of Distribution Systems With Dispersed Generation”[21]

Nghiên cứu sử dụng giải thuật tìm kiếm Taboo để giải quyết bài toán đa mục tiêu nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi có kết nối DG vào hệ thống Nghiên cứu đưa ra một phương pháp giải quyết tối ưu hàm mục tiêu gồm các chi phí hoạt động của lưới, chi phí hệ thống bảo vệ, chi phí gián đoạn do ngừng cung cấp điện, chi phí tổn thất công suất

Mô hình toán học đề xuất được thử nghiệm trên hệ thống 135 bus trong đó bao gồm một hệ thống phân phối thực tế 13,8 kV ở Sao Paulo, Brazil Kết quả mô phỏng của một hệ thống qua kiểm tra thực tế cho thấy mô hình đề xuất có thể xác định các tác động liên quan đến độ tin cậy của hệ thống, hệ thống bảo vệ, và hiệu quả hoạt động của mạng, tất cả chỉ trong một chương trình Thông qua các phương pháp thực hiện, lợi thế đạt được là khả năng quan sát điện áp và tần số của hệ thống khi có kết nối DG Người ta thấy rằng thực hiện kết nối DG như thế này, dẫn đến chi phí hoạt động và chi phí độ tin cậy sẽ tốt hơn, bởi vì họ sử dụng các mức giá khác nhau được cung cấp bởi các nguồn phát trên diện rộng Nó cũng có thể phục

vụ nhu cầu phụ tải tăng lên một cách đột biến Tuy nhiên, thiết kế này có thể dẫn đến một hệ thống bảo vệ đắt tiền, cũng như làm giảm tỷ suất lợi nhuận trong việc phối hợp các thiết bị bảo vệ

Từ những nghiên cứu đã công bố nêu trên, trong khuôn khổ luận văn này chủ yếu tập trung vào vấn đề giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy lưới phân phối khi có kết nối DG sử dụng giải thuật di truyền, các vấn đề liên quan đến cải thiện điện áp và cải thiện vận hành lưới thông qua việc thay đổi các thiết bị bảo vệ trên hệ thống sẽ không được xem xét

CH NGă2 CỄCăBÀIăTOÀNăLIểNăQUANăĐ N DG

2.1ăMụcăđíchăv năhƠnhăDG:

Các ứng dụng của DG bao gồm: nhiệt - điện kết hợp, công suất dự phòng, dự phòng công suất đỉnh và vận hành độc lập Tùy vào ứng dụng mà việc vận hành DG sẽ mang lại những lợi ích sau:

phân phối không thể thỏa mãn nhu cầu của phụ tải hoặc phải chấp nhận mua điện với giá cao Phần điện năng thiếu hụt này sẽ do các DG đảm nhiệm Hoặc trong trường hợp cần sa thải phụ tải trên lưới truyền tải do công suất truyền tải vượt quá giới hạn của đường dây, DG cũng được vận hành để đảm bảo cung cấp điện cho các phụ tải bị ảnh hưởng bởi giới hạn này

phụ tải trong hệ thống thay đổi theo thời gian và phụ thuộc vào chủng loại và đặc tính của từng phụ tải Chi phí mua điện từ hệ thống truyền tải được xác định theo lượng công suất mua theo từng thời điểm Vì vậy khi DG được kết nối vào mạng phân phối và xem như một nguồn phụ, người hoạch định công tác vận hành hệ thống có thể tận dụng giá rẻ từ một số DG nhằm giảm chi phí vận hành

đoạn Khi có gián đoạn xảy ra, các phụ tải sẽ được cắt ra khỏi hệ thống bằng

các DG Trong trường hợp này DG cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và làm giảm chi phí bồi thường do mất điện

2.2 CácăbƠiătoánăliênăquanăđếnăDG:

Tùy thuộc vào quan điểm và mục tiêu nghiên cứu mà người ta có thể căn cứ vào lợi ích và ảnh hưởng của DG để phân chia thành các nhóm bài toán sau:

Bài toán phối hợp bảo vệ rơ le

Bài toán giảm tổn thất trên đường dây

Bài toán cải thiện điện áp, chỉ số điện áp

Bài toán nâng cao độ tin cậy

Bài toán đa mục tiêu xác định vị trí và tối ưu dung lượng DG

khuôn khổ luận văn này chủ yếu tập trung vào các bài toán giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy

2.2.1 BƠiătoánăđánhăgiáăđộăgi mătổnăhaoăđ ờngădơy:

a- Ch ăsốăgi mătổnăhaoăđ ờngădơyă(lineăloss reduction index ậ LLRI)

Khi DG được đặt ở vị trí thích hợp, lợi ích thu được là giảm tổn thất trên đường dây Thông thường tổn thất sẽ tăng cao khi mạng điện vận hành đầy tải vì tổn hao tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện Tổn hao này góp phần làm tăng chi phí vận hành của hệ thống Để đánh giá mức độ tổn hao trên hệ thống khi có kết nối DG người ta thiết lập các hệ số sau [6]:

A R D I LL

1

2 , chỉ số giảm tổn hao đường dây khi có kết nối DG;

L R D I LL

1

2 ,

0 chỉ số giảm tổn hao đường dây khi chưa kết nối DG;

I dòng điện trên nhánh thứ i sau khi có kết nối DG;

I L,i dòng điện trên nhánh thứ i khi chưa kết nối DG;

R iđiện trở đơn vị nhánh thứ i;

D i chiều dài nhánh thứ i;

M số nhánh của mạng điện;

b- Bài toán phân tích s gi m t ổnăhaoătrênăđ ờng dây khi có DG:

Để phân tích giảm độ tổn hao, mô hình được chọn để phân tích là một phát tuyến hình tia với phụ tải tập trung cuối đường dây Dịch chuyển vị trí DG dọc theo phát tuyến và thay đổi công suất của DG để khảo sát sự thay đổi của độ giảm tổn

thất

Khoảng cách từ nguồn đến tải là L(km)

Khoảng cách từ nguồn đến vị trí kết nối DG là G (km)

Giả thiết: hệ số công suất của tải là không đổi

Công suất của phụ tải là SL=PL+jQL, dòng phụ tải sẽ là:

P

L L L

V

jQ P I

3

)(

P

L L B

V

jQ P rL

Khi có DG kết nối S DG =P G +jQ G, dòng bơm từ DG vào phát tuyến là:

P

G G G

V

jQ P I

3

) ( 

2

2 2

3

) 2 2

(

3

) ) (

) ((

P

G L G L G G L L

P

G L G

L ASG

V

Q Q P P Q P Q P rG

V

jQ jQ P

P rG Loss

3

))(

(

P

L L AGL

V

Q P G L r



Tổn hao công suất trên phát tuyến khi có DG là:

) 4 ( )

2 2

( 3

2 2 2 2

Loss Loss

Loss

G L G L G G L L P

AGL ASG

AT

Trong đó: R là điện trở của phát tuyến

Độ giảm tổn hao trên phát tuyến được tính bằng công thức sau:

3

2 2

P AT

L V

RG Loss

Loss

2.2.2 Bài toán nơngăcaoăđộătinăc y:

Độ tin cậy cung cấp điện ngày càng được quan tâm, đặc biệt là từ phía khách hàng Những khách hàng đặc biệt, có yêu cầu cao về chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện cần được cung cấp từ ít nhất 2 nguồn theo sơ đồ lưới kín vận hành hở Cũng có thể sử dụng thêm dự phòng là nguồn điện phân tán [4], như hình 2.1

1 2 13

12

14 1110

Hình 2.1 Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở có nguồn phân tán

Tuy nhiên độ tin cậy cung cấp điện thực sự nhận được cho mỗi khách hàng không giống nhau, phụ thuộc hàng loạt yếu tố:

- Vị trí phụ tải (khách hàng) trên sơ đồ;

- Cấu trúc lưới phân phối điện, trong đó có các thiết bị phân đoạn;

- Giới hạn công suất hỗ trợ từ nguồn dự phòng là lưới điện lân cận và vị trí kết nối của nguồn này sang lưới đang xét, độ tin cậy cung cấp điện của chính nguồn này tính đến điểm kết nối;

- Giới hạn cung cấp của nguồn điện phân tán, thời gian khởi động của nó;

- Thời điểm xảy ra sự cố (tương ứng với tổng phụ tải tiêu thụ lớn hay bé) Cũng cần nói thêm là, lĩnh vực nghiên cứu tính toán độ tin cậy đối với hệ thống điện bao hàm những nội dung rất đa dạng với những mục tiêu (bài toán) khác nhau:

độ tin cậy nguồn điện, độ tin cậy lưới truyền tải, độ tin cậy lưới điện phân phối, độ tin cậy hệ thống bảo vệ và điều khiển, độ tin cậy đảm bảo cung cấp điện cho khách hàng Luận văn quan tâm chủ yếu các vấn đề liên quan đến bài toán vận hành nâng cao độ tin cậy và tối ưu chi phí, do đó các nội dung tính toán độ tin cậy cũng tập trung chủ yếu vào lưới điện phân phối và yêu cầu của mỗi khách hàng.

a- Cácăyếuătốă nhăh ởngăđếnăđộătinăc y

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống điện có thể được chia thành bốn loại bao gồm: các phần tử của hệ thống điện, điều kiện môi trường, đặc tính tải và cấu hình hệ thống hệ thống điện

Cácăphầnătửăc aăhệăthốngăđiện

Các phần tử của lưới điện như là: đường dây, máy biến áp, thiết bị đóng cắt …

mà độ tin cậy của chúng cùng cách thức ghép nối chúng trong sơ đồ quyết định độ tin cậy của lưới điện

Các phần tử của hệ thống cung cấp điện trong vận hành đều có thể bị hỏng bất ngờ Khả năng này được đặc trưng bởi cường độ hỏng hóc λ(t) Trong nghiên cứu

độ tin cậy lưới điện, thay cho giá trị thực phụ thuộc thời gian, người ta thường dùng giá trị trung bình của λ và gọi là cường độ hỏng hóc trung bình của phần tử trong năm

Ta có: λ = 1 / tlv(lần/năm),

Trong đó tlv là thời gian trung bình của trạng thái làm việc tốt

Các phần tử lưới điện là các phần tử phục hồi Gọi thời gian sửa chữa sự cố Th,

ta có cường độ phục hồi µ như sau:

µ =

h T

1

Khi phần tử bị hỏng, nó được sửa chữa hoặc thay thế bằng phần tử dự trữ, sau

đó lại tiếp tục vận hành Để thể hiện đặc tính này cần sử dụng một đại lượng mới và được gọi là độ sẵn sàng A

Ta có: A=

h lv

lv T T

T

Độ sẵn sàng chính là xác suất để phần tử ở trạng thái tốt, sẵn sàng phục vụ trong thời điểm bất kỳ t

Các phần tử lưới điện, trong năm còn phải cắt điện một số lần để bảo quản công tác và được đặc trưng bởi số lần ngừng điện trung bình năm λCT và thời gian trung bình một lần ngừng điện công tác TCT

V ătríămáyăphátăd ăphòng

Kết cấu hệ thống bao gồm nhiều vấn đề khác nhau, gồm cả cấu trúc liên kết, khả năng chuyển tải, phối hợp bảo vệ, và vị trí máy phát dự phòng Các yếu tố này đều ảnh hưởng đến mức độ tin cậy của hệ thống ở những mức độ khác nhau Về cơ bản, giả định việc phối hợp bảo vệ và chuyển tải là linh hoạt, tức là có thể thay thế nhanh chóng bằng những nguồn dự phòng trong hệ thống, như vậy rõ ràng việc xác

định vị trí tối ưu cho một máy phát là điều hết sức quan trọng cần được xem xét bởi

sẽ tác động rất lớn trong việc nâng cao độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện

S ăbiếnăđổiăt iătheoăthờiăgian

Trong hệ thống cung cấp điện sẽ bao gồm nhiều loại phụ tải khác nhau, mỗi loại phụ tải trên từng phát tuyến cũng sẽ biến đổi khác nhau theo từng chu kỳ thời gian xem xét ( phụ tải điển hình ngày, tuần, tháng, năm,.v.v.) Chính điều này đã làm ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện ở hai góc độ cần xem xét: thứ nhất khi tải lớn thì sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị điện, nếu tải nhỏ sẽ kéo dài thời gian của thiết bị điện tại khu vực cung cấp cho phụ tải một góc nhìn khác, khi tải tăng đôi khi cần chuyển tải từ khu vực khác điều này cũng sẽ gây ra ảnh hưởng cho những thiết bị của các khu vực cần chuyển tải cho khu vực mà chúng ta quan tâm

Đi uăkiệnămôiătr ờng

Thành phần của hệ thống điện phải tiếp xúc với nhiều điều kiện thời tiết và các mối nguy hiểm khác nhau: động vật, tai nạn xe cơ giới, mưa, gió, sét và va quẹt với cây có thể dẫn đến sự cố thoáng qua hay vĩnh cửu Tuy nhiên, việc mô hình hóa theo điều kiện môi trường là một điều không hề đơn giản, thông thường ta phân chia thời tiết thành hai trạng thái cơ bản là bình thường và bất thường, và yếu tố thường được đưa vào xem xét là tốc độ gió và cường độ sét để mô phỏng xem xét tác động trên lưới điện thực tế nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện

b- Cácăch ătiêu,ăph ngăphápăđánhăgiáăđộătinăc yăhệăthốngăcungăc păđiện

Cácăch ătiêuăđánhăgiáăđộătinăc y c aăhệăthốngăcungăc păđiện

Độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện được định nghĩa như là khả năng đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các hộ tiêu thụ với chất lượng điện năng thỏa mãn yêu cầu

Đối với hệ thống điện nói chung và hệ thống cung cấp điện nói riêng, người ta đưa ra hàng loạt các chỉ tiêu khác nhau, liên quan đến các đại lượng cần quan tâm [2]:

b1 Chỉ số về số lần mất điện trung bình của lưới điện phân phối ( System Average Interruption Frequency Index)

SAIFI = Tổng số lần mất điện của các khách hàng

N

 (7) Tổng số khách hàng

Trong đó: i là cường độ hỏng hóc; Nilà tổng số khách hàng tại điểm phụ tải i

Ý nghĩa: chỉ số SAIFI cho biết số lần mất điện trung bình trong năm cho mỗi khách hàng dùng điện Đơn vị là số lần / khách hàng / năm

b2 Chỉ số về thời gian mất điện trung bình của lưới điện phân phối ( System Average Interruption Duration Index)

SAIDI = Tổng thời gian mất điện của các khách hàng

N

U

(8) Tổng số khách hàng

Trong đó: Uilà thời gian mất điện

Ý nghĩa: chỉ số SAIDI cho biết khoảng thời gian mất điện trung bình trong năm cho mỗi khách hàng dùng điện Đơn vị là thời gian / khách hàng / năm

b3 Chỉ số về thời gian trung bình một lần mất điện (Customer Average Interruption Duration Index)

CAIDI = Thời gian mất điện trung bình năm

=





i i

i i

N

N U



(9)

Số lần mất điện trung bình năm

Ý nghĩa: chỉ số CAIDI cho biết thời gian mất điện trung bình một vụ cho mỗi khách hàng dùng điện Đơn vị là thời gian / vụ

b4 Chỉ số về độ sẵn sàng cung cấp điện trung bình (Average Service Availability Index )

ASAI = Tổng thời gian khách hàng được cấp điện

8760

i

i i i

N

N U N

(10) Tổng thời gian khách hàng có nhu cầu

Ý nghĩa: chỉ số ASAI cho biết mức độ cung cấp điện của hệ thống cho khách hàng

Chỉ số ASAI ≤ 1

Nh năxét

Với hệ thống điện như hiện nay, các cấu trúc lưới điện vận hành trung áp đều

có thể vận hành mạch vòng, mặc khác hiện tại hầu hết các Công ty Điện lực không

còn các cụm máy phát diesel, song đó các máy phát dự trữ của khách hàng thì ngành điện không thể kiểm soát được Tuy nhiên ngày càng nhiều dự án xây dựng các cụm máy phát có công suất lớn đang được đầu tư, chính những lý do đó, trong luận văn chúng ta cũng sẽ xem xét đến khía cạnh chọn tối ưu vị trí máy phát dự phòng nhằm giảm thiểu tổn thất trên lưới điện, giảm thiểu năng lượng không được cung cấp, nâng cao các hệ số SAIFI, SAIDI của hệ thống

CH NGă3

3.1 Nh ng nhăh ởng khi tích hợp nguồnăphơnătánăvƠoăl ới phân phối

Ngoài những lợi ích mà DG đem lại như đã đề cập ở chương 2, khi kết nối

DG vào lưới điện còn phải tuân thủ các tiêu chuẩn kết nối và ràng buộc về mặt kỹ thuật và kinh tế Tùy thuộc vào cấu trúc của lưới điện mà những tiêu chuẩn cũng khác nhau và kéo theo ảnh hưởng của DG đến lưới cũng khác nhau [15]

- Tổn thất công suất trên lưới: trong thực tế thì vị trí của DG được xác định sao cho tổn thất trên lưới là nhỏ hơn trước khi có DG Việc xác định vị trí đặt tối ưu

và công suất DG có xét đến điều kiện vận hành khác nhau của lưới điện sẽ đem lại kết quả tốt hơn cho bài toán giảm thiểu tổn thất công suất trên lưới

- Sự dao động điện áp: do có sự biến đổi công suất phát của các nguồn DG

có thể ảnh hưởng đến hình dáng và biên độ của sóng điện áp từ dó dẫn đến hiện tượng dao động điện áp gây mất ổn định điện áp đến hộ tiêu thụ

- Dòng điện sự cố: vấn đề về bảo vệ là vấn đề cần đặc biệt quan tâm khi kết nối DG vào lưới điện Khi kết nối DG vào lưới điện, trong chế độ sự cố, DG có thể làm giảm bớt mức độ suy giảm điện áp, tuy nhiên cũng ảnh hưởng tới sự phân bố dòng sự cố với mức độ phức tạp tăng lên Khi trên lưới phân phối có xuất hiện các

DG, sự phân bố dòng điện trên lưới sẽ thay đổi

- Thay đổi sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ: việc kết nối nguồn điện phân tán vào lưới điện đòi hỏi cần phải xem xét lại khoảng thời gian phối hợp giữa các bảo vệ đường dây lân cận, vì ảnh hưởng của nguồn điện phân tán tới sự phối hợp của các bảo vệ không chỉ giới hạn trong đường dây mà nguồn điện phân tán kết nối vào Sự cố ở đường dây lân cận có thể khiến cho các bảo vệ ở đường dây có nguồn điện phân tán kết nối vào hoạt động Điều này là không mong muốn vì sự cố đó không nằm trong phạm vi bảo vệ của các thiết bị bảo vệ trên đường dây có nguồn

điện phân tán kết nối vào, và sẽ dẫn đến việc ngừng cung cấp điện cho các phụ tải trong khi đường dây đó không hề bị sự cố [21]

- Làm tăng mức độ dòng sự cố do tổng trở sự cố bị giảm khi DG mắc song song với lưới điện, Rơle của máy cắt bảo vệ đường dây không đo lường đúng dòng

sự cố thực

- Tình trạng vận hành cô lập của một phần lưới với lưới điện chính đang cung cấp, phần lưới bị cô lập vẫn tiếp tục vận hành và được cung cấp bởi nguồn phát DG kết nối với nó Tuy nhiên, đây là tình trạng vận hành không đảm bảo ổn định được cả tần số và điện áp

3 2.ăMôăt ămụcătiêuăbƠiătoán:

Bài toán xây dựng một hàm chi phí thỏa mãn các yêu cầu về chi phí vận hành lưới, chi phí tổn thất công suất tác dụng và chi phí gián đoạn do ngừng cung cấp điện trước và sau khi có kết nối nguồn DG

Như đã phân tích ở trên, khi nguồn DG được kết nối sẽ ảnh hưởng nhiều đến

hoạt động bình thường và sự cố của lưới phân phối, do đó để hạn chế những ảnh hưởng trên ta đặt ra những yêu cầu như sau:

- Khi lưới bị sự cố hoặc bị gián đoạn do thiếu nguồn cung cấp, một khu vực cô lập thỏa mãn các điều kiện trên hình thành, khi đó sẽ kết nối nguồn DG với các điều

kiện ràng buộc:

+ Tổng công suất cung cấp của nguồn DG dự kiến cho khu vực cô lập phải lớn hơn tổng công suất cực đại trong biểu đồ phụ tải của khu vực đó và ít nhất là một nguồn DG phải có chức năng điều chỉnh điện áp;

+ Quy định về điện áp và cân bằng công suất, khả năng chịu nhiệt của đường dây, công suất phát tối đa cho phép của các nguồn DG sẽ được xem xét

3.3 Mô hình toán h ọc:

3.3.1 Hàm m ục tiêu c a mô hình:

) min( COper Cint Closs

Trong đó:

(C int ) các chi phí gián đoạn do mất điện khách hàng;

(C loss ) chi phí do tổn thất năng lượng

3.3.2 T ổng chi phí cung c p từ hệ thống phân phối:

buyDG buyTT

Sub siy

Sub siy

Sub siy iy

C

1 1

)

DG liy

DG liy

DG liy iy

C

1 1

)

NL Số chu kỳ trong biểu đồ nhu cầu phụ tải

NL in Số lượng các tuyến trong hệ thống phân phối

N sub Số lượng trạm biến áp

PC , Chi phí công suất tác dụng và phản kháng được gửi đi bởi các trạm

biến áp s trong giai đoạn thứ i của đường cong nhu cầu phụ tải, và năm thứ y của chu kỳ kế hoạch

DG

liy

DG

liy Q

P , Công suất thực và phản kháng gửi đi bởi các đơn vị máy phát phân tán

kết nối tại đường dây l của bus tiếp nhận, trong giai đoạn thứ i của đường cong nhu

cầu phụ tải, và năm thứ y của chu kỳ kế hoạch

đường cong nhu cầu phụ tải, và năm thứ y của chu kỳ kế hoạch

T iy Độ dài thời gian của giai đoạn thứ i nhu cầu biểu đồ phụ tải của năm thứ y của chu kỳ kế hoạch

3.3.3 T ổng chiăphíăgiánăđo n ớc tính:

oi NLin

l l l BT Int C x L P

L l Chiều dài đường dây l

CBT chi phí bồi thường (đồng/kWh)

Γ Tần suất cắt điện (giờ)

Poi Công suất nút i tại thời điểm khảo sát

l

λ Giá trị chỉ số trung bình cho sự cố vĩnh cửu (lần/km)

NL in Số lượng các tuyến trong hệ thống phân phối

3.3.4 T ổng chi phí tổn th tănĕngăl ợng:

NLin loss p lossi

l 1



C P Chi phí tổn hao công suất (đồng/kWh)

Plossi Tổn thất công suất tác dụng trên nhánh i

3.3.5 H n ch ế công su t DG

Các hoạt động an toàn của DG phải được đảm bảo ở cả hai giai đoạn bình thường

và dự phòng Vì vậy công suất hoạt động dự kiến của từng đơn vị được kiểm soát

để nằm ở bên trong các đường cong khả năng công suất được mô tả trong (17) - (19):

max min DG

k

DG kiy

DG

max min DG

k

DG kiy

DG

2 max 2

max 2

k

kiy DG

V kiy Cường độ điện áp tại bus tiếp nhận của đường dây k trong giai đoạn thứ i của nhu cầu phụ tải và các năm thứ y của chu kỳ kế hoạch

3.3.6 H n ch ế ho tăđộng DG

Để đảm bảo hoạt động an toàn của mạng, những trạng thái hoạt động của dòng

chảy công suất tối ưu được sử dụng, ví dụ dòng chảy cân bằng công suất, quy định điện áp và công suất nhiệt trong đường dây và trạm biến áp Những hạn chế này được thể hiện trong (10) - (14):

0 ) ,

0 ) ,

max min

l liy

)

siy sub

siy Q Ssub

P iy(.) và Q iy(.) là các phương trình cân bằng dòng điện, V iy(.) và θiy là các vectơ

trạng thái, cho thời gian thứ i của nhu cầu biểu đồ phụ tải và năm thứ y của chu kỳ

kế hoạch

3.4 Gi i thu t di truy n (genetic algorithm-GA):

3.4.1 Các đ c tính c a thu t toán di truy n

Giống như thuật toán tiến hoá nói chung, thuật toán di truyền hình thành dựa trên quan niệm cho rằng quá trình tiến hoá tự nhiên là quá trình hoàn hảo và hợp lý

nhất và tự nó đã mang tính tối ưu [18] Đây là một tiên đề đúng, không thể chứng minh được nhưng phù hợp với thực tế khách quan Tính tối ưu trong tự nhiên thể

hiện ở chỗ thế hệ sau bao giờ cũng tốt hơn thế hệ trước nhờ hai quá trình cơ bản là sinh sản và chọn lọc tự nhiên Những cá thể nào phát triển thích nghi với môi trường sẽ tồn tại và ngược lại, những cá thể nào không thích nghi với môi

trường sẽ bị đào thải Sự thay đổi của môi trường sẽ tác động tới quá trình tiến

hoá và bản thân quá trình tiến hoá cũng có tác động làm thay đổi môi trường Cá thể mới sinh ra trong quá trình tiến hoá nhờ vào sự lai ghép ở thế hệ cha-mẹ

Một cá thể mới có thể mang những đặc tính của cha-mẹ ở thế hệ trước (di truyền) hoặc mang những đặc tính mới hoàn toàn (đột biến) Di truyền và đột biến

là hai cơ chế quan trọng như nhau trong quá trình tiến hoá mặc dù xác suất để

xảy ra hiện tượng đột biến nhỏ nhiều (hàng chục đến hàng trăm lần tuỳ từng quá trình) so với hiện tượng di truyền Mặc dù cơ chế là ngẫu nhiên nhưng thuật toán di truyền không phải là một thuật toán ngẫu nhiên Thuật toán khai thác và tận

dụng được một cách hiệu quả thông tin quá khứ để có được những kết quả như mong muốn Các cải tiến trong việc sử dụng thuật toán di truyền đã làm tăng thêm hiệu quả của việc sử dụng thuật toán trong các bài toán phức tạp Điều này

thể hiện ở việc giảm thời gian tính toán do các quá trình diễn ra trong thuật toán ngày càng hiệu quả mà ta sẽ tìm hiểu cụ thể hơn ở dưới đây

3.4.2 Các quá trình c b n trong thu t toán di truy n:

a Mã hoá dữ liệu: hay còn gọi là biểu diễn di truyền cho lời giải của bài toán: đây là bước đầu tiên và rất quan trọng đối với việc tìm ra lời giải của bài toán Mỗi

lời giải của bài toán được biểu diễn dưới dạng một chuỗi kí tự hữu hạn hay còn gọi là một nhiễm sắc thể Các kí tự có thể là số nhị phân, số thập phân,… tuỳ vào

từng bài toán cụ thể Trong quá trình này, việc mã hoá cái gì, mã hoá như thế nào,

trật tự các thành phần trong nhiễm sắc thể ra sao,… luôn là những thách thức cho

những người giải toán

b Khởi tạo quần thể: hay còn gọi là xây dựng tập hợp nghiệm (có thể ngẫu nhiên hoặc không ngẫu nhiên) ban đầu: Có nhiều cách để khởi tạo giá trị quần thể nghiệm ban đầu, tuỳ từng bài toán mà ta lựa chọn phương pháp phù hợp Thông thường, hệ nghiệm ban đầu được chọn ngẫu nhiên trong không gian tìm kiếm Tuy

vậy, việc chọn này cũng cần phải xem xét về tương quan giữa độ thích nghi của các nhiễm sắc thể để tránh tình trạng nghiệm tìm ra là nghiệm tối ưu cục bộ hay còn gọi là cực trị địa phương Còn vấn đề số lượng nghiệm của tập nghiệm hay qui mô của quần thể cũng cần được xem xét kỹ dựa vào độ phức tạp của bài toán,

độ chính xác yêu cầu (cao hay thấp) và thời gian tính toán yêu cầu (nhanh hay chậm)

c Xác định hàm thích nghi: hay hàm lượng giá cho mỗi nhiễm sắc thể hay chính là cho các phương án nghiệm trong tập nghiệm Hàm này dùng để đánh giá

độ thích nghi của các nhiễm sắc thể Hàm thích nghi cần phải đánh giá được mức

độ thích nghi cho tất cả các nghiệm khả thi và luôn được giả định là không âm thể

hiện độ thích nghi của các cá thể Công thức biểu diễn hàm cần phải thể hiện được

tất cả các đặc tính mong muốn của nhiễm sắc thể, thông qua đó có thể chọn lọc được các quần thể nghiệm tốt nhất cho bài toán

d Quá trình lai ghép: đây là quá trình nhiễm sắc thể mới được hình thành dựa trên nhiễm sắc thể cha-mẹ bằng cách ghép một hay nhiều đoạn nhiễm sắc thể cha

mẹ với nhau Phép lai ghép xảy ra với xác suất là p1 có thể được mô phỏng như sau:

* Chọn hai (hay nhiều) cá thể bất kì trong quần thể Quần thể ở đây bao gồm các nhiễm sắc thể (cha-mẹ) có độ dài bằng nhau

* Chọn điểm lai là một điểm có vị trí bất kì (như nhau) trên nhiễm sắc thể

cha-mẹ và thực hiện hoán đổi các đoạn gen của nhiễm sắc thể cha-mẹ tại điểm lai này

* Đưa hai cá thể này vào quần thể để thực hiện vào các quá trình tiến hoá tiếp theo

Tuy nhiên trong quá trình tồn tại và phát triển, thuật toán di truyền đã được bổ sung rất nhiều các phương pháp lai ghép để nhằm thích ứng với nhiều kiểu bài

toán và cũng là để tăng hiệu quả của thuật toán Có thể kể một số phép lai cải tiến như sau:

+ Lai ghép có xét tới các đặc tính trội và lặn trong tự nhiên Các đặc tính này được qui định trước trong khi biểu diễn cấu trúc nhiễm sắc thể Bằng việc xem xét tới các đặc tính trội-lặn, quá trình sản sinh ra các “quần thể chất lượng tốt” sẽ nhanh hơn và do đó thời gian tính toán cũng được rút ngắn;

+ Lai ghép từng phần (PMX-Partially-Matched Crossover) Việc giữ lại những đoạn mã đã “tối ưu” trong nhiễm sắc thể cũng là một cách để quá trình lai ghép

trở nên hiệu quả hơn;

+ Lai ghép có trật tự (OX-Order Crossover);

+ Lai ghép dựa trên vị trí (PBX-Position Based Crosover);

+ Lai ghép chu trình (CX-Cycle Crossover);

+ Lai ghép thứ tự tuyến tính (LOX-Liner Order Crossover);

+ Lai ghép đa điểm (MX-Multipoint Crossover): với phương pháp này, chúng

ta có thể cho 2 cá thể lai ghép ở 2 hay nhiều điểm lai ghép Phương thức này làm cho thuật toán trở nên linh hoạt hơn, nhờ đó các thế hệ cá thể con cũng có sẽ có

chất lượng tốt hơn

e Quá trình đột biến: là quá trình cá thể con mang một hay một số tính trạng

không có trong mã di truyền của cha-mẹ Quá trình này xảy ra với xác suất p2 (nhỏ hơn nhiều so với p1) có thể được mô tả như sau:

* Chọn ngẫu nhiên một cá thể bất kì trong quần thể;

* Chọn một gen bất kì của cá thể vừa chọn;

* Thay đổi giá trị gen đó (đối với cách mã hoá gen theo số nhị phân thì quá trình thay đổi giá trị là đổi giá trị từ 0 thành 1 hoặc từ 1 thành 0) rồi trả về quần

thể để thực hiện các quá trình tiếp theo

Tương tự như quá trình lai ghép, trong quá trình phát triển của thuật toán

di truyền cũng đã được bổ sung rất nhiều cách thức để thực hiện quá trình gây đột biến ngày càng hiệu quả hơn:

+ Đột biến đảo ngược (Inversion Mutation);

+ Đột biến chèn (Insertion Mutation);

+ Đột biến thay thế (Replacement Mutation);

+ Đột biến tương hỗ (Reciprocal Exchange Mutation);

+ Đột biến dịch chuyển (Shift Mutation)

f Quá trình chọn lọc: quá trình mà các cá thể mới sinh ra được giữ lại (hay loại

bỏ) khỏi quần thể dựa vào độ thích nghi của chúng Độ thích nghi ở đây thường là

một hàm gán một giá trị thực cho các cá thể trong quần thể Đối với quá trình này có rất nhiều cách để xác định trình tự tính toán và thực hiện tuỳ vào cách lựa chọn độ thích nghi của cá thể nói riêng và của cả quần thể nói chung

3.4.3 Các tham s ố c a thu t toán di truy n (hay còn gọi là các thông số đi u khi n c a thu t toán):

+ Kích cỡ hệ nghiệm (pop-size): số lượng cá thể phù hợp trong mỗi thế hệ + Xác suất lai tạo (pc): xác suất để mỗi cá thể trong quần thể được tham gia quá trình lai ghép

+ Xác suất đột biến (pm): xác suất để mỗi bít trong nhiễm sắc thể bị đột biến Thông thường, kích cỡ của quần thể phụ thuộc vào độ phức tạp của bài toán Bài toán càng phức tạp, nhiều ràng buộc đơn hoặc đa mục tiêu thì cần phải có số

lượng cá thể trong mỗi thế hệ càng phải lớn Hai thông số xác suất trong quá trình di truyền có khoảng giá trị rất khác nhau Đối với xác suất lai tạo, giá trị thường rơi trong khoảng 0,5-0,95 nhưng giá trị thông thường của xác suất đột

biến thấp hơn nhiều, chỉ ở khoảng 0,001-0,05 Điều này cũng phải ánh đúng xác

suất xảy ra hai quá trình trong thực tế

Từ đó ta thấy được một số ưu điểm của thuật toán di truyền như một phương pháp tìm từ một quần thể các điểm chứ không phải một điểm Điều này làm cho

việc giải các bài toán đa mục tiêu hay việc tìm một tập hợp các phương án lân cận nghiệm trở nên dễ dàng Thêm vào đó, việc đánh giá thông tin bằng hàm

mục tiêu chứ không dùng đạo hàm hay các tri thức bổ sung cũng là một ưu điểm

của thuật toán

Cácăb ớc th c hiện gi i thu t:

B ớc 1: Khởi tạo/lựa chọn các thông số cho quá trình tính toán: Bước này người

lập trình tính toán phải lựa chọn các thông số như: số lượng cá thể trong quần thể, cách thức hoá bài toán cần tính toán dưới dạng các nhiễm sắc thể (độ dài của nhiễm sắc thể, kiểu số, biểu diễn dữ liệu…) số thế hệ tính toán, xác suất lai ghép, xác suất đột biến, hàm thích nghi…

B ớc 2: Khởi tạo quần thể ban đầu: xác định bằng phương pháp tạo số ngẫu

nhiên để tạo giá trị cho các nhiễm sắc thể cho quần thể ban đầu Tuỳ vào cách biểu diễn của các nhiễm sắc thể mà ta chọn phương pháp tạo số ngẫu nhiên phù hợp

B ớcă3: Đánh giá các nhiễm sắc thể bằng hàm thích nghi đã xác định ở bước 1

Trong bước này, ngoài việc đánh giá các nhiễm sắc thể riêng rẽ, chúng ta còn có thể đánh giá độ thích nghi của một nhiễm sắc thể hay cả quần thể Nếu một nhóm hay

cả quần thể có độ thích nghi “trung bình” (theo tiêu chí của từng trường hợp của người lập trình) thấp thì có thể loại nhóm nhiễm sắc thể hay quần thể đó ra khỏi quá trình di truyền

B ớcă4: Thực hiện quá trình di truyền thông qua các cơ chế lai ghép và đột biến

Có thể thực hiện lần lượt hai quá trình này hoặc thực hiện đồng thời theo các phương pháp đã đề cập bên trên Trong quá trình thực hiện thuật toán di truyền, giai đoạn này là giai đoạn mà mỗi người có thể thực hiện theo những phương pháp rất khác nhau Giai đoạn này cũng là giai đoạn quyết định tới sự thành công của thuật toán Người thực hiện cũng có thể đưa ra những phương thức tiến hành lai ghép hay đột biến mới trong giai đoạn này Trong quá trình thực hiện, để có được một bộ các thông số lai ghép hay đột biến hiệu quả, người lập trình thường phải trải qua nhiều

bước tính toán thử Khâu này phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm và kỹ năng tính toán của người lập trình

B ớcă5: Tạo quần thể mới bằng quá trình chọn lọc Quá trình này cũng dựa vào

đánh giá các nhiễm sắc thể thông qua hàm thích nghi Cá thể nào có độ thích nghi cao sẽ được giữ lại cho thế hệ kế tiếp Cũng giống như ở bước 3, chúng ta có thể sử dụng những hàm thích nghi phù hợp để đánh giá từng cá thể đơn lẻ hoặc cả một nhóm các cá thể Sau quá trình này, nhóm cá thể nào thỏa mãn tiêu chuẩn đánh giá với với mức độ từ cao xuống thấp sẽ được đưa vào quần thể mới

B ớcă6: Đánh giá quần thể vừa có được trong bước 5 Thông thường có hai tiêu

chí để dừng quá trình di truyền tại bước này Thứ nhất, độ thích nghi của từng cá thể

và cả quần thể thoả mãn một điều kiện hội tụ đã được đặt ra ban đầu Các điều kiện hội tụ thể hiện mức độ chấp nhận được của kết quả tìm được Thứ hai, quần thể mới tạo thành là quần thể ở thế hệ thứ (N+1) với N là số thế hệ dự định tính toán đã giả thiết ban đầu Trong khi thực hiện các quá trình di truyền, những người tính toán

có thể đưa các tiêu chí riêng để dừng quá trình di truyền Các tiêu chí đưa ra góp phần quyết định tới thành công của thuật toán

3.5 Ễpădụngăgi iăthu tădiătruy nătínhătoánăl ớiăđiệnă20ănútăt iă[7] cóăt iăt pă trung:

Hình 3.1: Lưới điện phân phối 22kV với 20 nút tải tập trung

Bảng 3.1: Thông số đường dây 20 nút

Nút đầu Nút cuối Điện trở () Điện kháng X

3.5.1 Hàm m ục tiêu c a bài toán:

Tính toán chi phí theo từng thời điểm vận hành từ đó xác định vị trí kết nối

DG vào lưới có tổng chi phí vận hành là bé nhất và tổng tổn thất năng lượng là thấp

nhất

Hàm chi phí có d ng:

Csum = min(COper + CintΣ + Closs ) (25)