xây dựng giải thuật tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất có xét đến ảnh hưởng của các tụ bù

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT - THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN - BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP XÂY DỰNG GIẢI THUẬT TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP BỘ

XÂY DỰNG GIẢI THUẬT TÁI CẤU TRÚC

LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT - THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN - BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

XÂY DỰNG GIẢI THUẬT TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HUỞNG CỦA CÁC TỤ BÙ

ĐỀ TÀI CẤP BỘ MÃ SỐ : B2006 - 22 - 04

NGƯỜI THỰC HIỆN CNĐT: TS TRƯƠNG VIỆT ANH Th.S NGUYỄN TRỌNG MINH

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

đến ảnh hưởng của tụ bù và đưa đã xây dựng được công thức tường minh về sự ảnh hưởng của tụ trong bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối

là nhỏ nhất Giá trị này được tính khá đơn giản bằng cách giải bài toán phân bố công suất mạch kín có xét đến ảnh hưởng của tụ

chuyển tải là rất bé, phù hợp với các kết luận và kết quả mang tính định tính trong [18, 33, 34, 36] đã đề cập

IV Điểm mới của luận án _ 7

CHƯƠNG I : Giới thiệu tổng quát

3.1 Các nghiên cứu giải bài toán 1, 2, 4, 5, 6 _ 10 3.2 Các nghiên cứu giải bài toán 3 _ 11

b Các giải thuật khác _ 12

3.3 Nghiên cứu có quan tâm đến tụ bù trong tái cấu trúc lưới _ 15

II Xây dựng bài toán 18

1 Tính toán cho mạng một vòng _ 18

2 Tính toán cho mạng điện phức tạp có nhiều vòng 25

CHƯƠNG III : Xây dựng giải thuật và kiểm chứng trên ví dụ mẫu

I Xây dựng giải thuật _ 31

3 Trình tự giảm hàm F _ 32

II Tính toán một vài ví dụ kiểm chứng 34

CHƯƠNG IV : Áp dụng tính toán cho lưới điện thực tế ở Điện Lực Bến Tre

1 Giới thiệu về Bến Tre _ 44

2 Giới thiệu về lưới điện Bến Tre 44

CHƯƠNG V : Kết Luận _ 48

PHỤ LỤC

1 Phụ lục 1 49

2 Phụ lục 2 52

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

2 Tài liệu tiếng Anh 55

I Đặt vấn đề :

Lưới điện phân phối có vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng đến hộ tiêu thụ (ở Việt Nam cấp điện áp thường là 15 hoặc 22 kV), do tổn thất trên lưới phân phối chiếm 5% - 7% so với 2% - 3% trên lưới truyền tải nên vấn đề tổn thất trên lưới phân phối được quan tâm thường xuyên và còn là một trong những tiêu chí đánh giá vận hành kinh tế của các Điện Lực Vì những lý do trên việc nghiên cứu phương pháp để giảm tổn thất trên lưới phân phối sẽ hứa hẹn nhiều lợi ích kinh tế

Có rất nhiều phương pháp để làm giảm tổn thất công suất trên lưới điện phân phối :

phối một pha thành ba pha, cân bằng tải giữa các pha trên lưới hạ thế và trung thế

Ngoài các phương pháp làm giảm tốn thất trên, còn một phương pháp khác làm giảm tổn thất đảm bảo lưới điện phân phối vận hành kinh tế là tái cấu trúc lưới điện phân phối bằng việc đóng mở các cặp khóa đện có sẵn trên lưới phân phối Điều này làm giảm đáng kể tổn thất khi đạt được sự cân bằng công suất giữa các tuyến dây mà không cần chi phí để cải tạo lưới Tái cấu trúc lưới có nhiều mục đích như là cắt giảm tổn thất công suất, tái cấu trúc để có sự cân bằng tải, tái cấu trúc để cho hệ thống không vượt qua các giới hạn cho phép của đường dây, MBA và các thiết bị bảo vệ, tái cấu trúc để tăng độ tin cây của hệ thống… tất cả các mục đích trên đã được khảo sát trong rất nhiều nghiên cứu, các nhà nghiên cứu cũng đã đưa ra nhiều kết luận quan trọng Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu [1-17, 19-32] đã không quan tâm đến một thiết

bị quan trọng và không thể thiếu trên lưới điện phân phối đó là tụ bù

Trong thực tế, tất cả các tải điều tiêu thụ công suất phản kháng, cụ thể:

- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60 đến 65 % công suất kháng

- MBA tiêu thụ khoảng 22 đến 25 % công suất kháng

- Đường dây tải điện và các phụ tải khác tiêu thụ khoảng 10%

Trong khi vì lý do kinh tế, các máy phát không được chế tạo để có khả năng phát nhiều công suất kháng đáp ứng nhu cầu của phụ tải mà chỉ hạn chế Giải pháp đưa ra

là phải có thêm các nguồn phát công suất kháng khác nữa để cung cấp công suất kháng cho phụ tải và làm cho hệ thống vận hành kinh tế hơn, nguồn phát thường được sử dụng đó là các tụ bù và máy bù động bộ

Trong lưới phân phối, thường sử dụng tụ bù làm nguồn cung cấp công suất kháng và lưới phân phối của Việt Nam không phải là ngoại lệ

Lưới điện phân phối thường có cấu trúc mạng vòng nhưng trạng thái vận hành thông thường là hình tia, mục đích của cấu trúc vòng là nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng bằng cách chuyển tải khi có sự cố hoặc khi có công tác sửa chữa, cải tạo lưới điện Vận hành hình tia để giảm dòng ngắn mạch và vận hành đơn giản từ đó giảm đáng kể chi phí đầu tư thiết bị đóng cắt và bảo vệ …

Vấn đề đặt ra là các công ty Điện Lực sẽ cắt dừng lưới tại vị trí nào, lắp các thiết bị thao tác ở đâu để có tổn thất công suất là bé nhất, có điện áp ở cuối lưới trong phạm vi cho phép đồng thời đảm bảo các thông số định mức của thiết bị và đường dây cũng như đảm bảo sự vận hành đúng của các relay bảo vệ… Vấn đề này đã được giải quyết trong nhiều nghiên cứu tuy nhiên khi giải quyết bài toán này các nhà nghiên cứu thường không quan tâm đến ảnh hưởng của tụ bù lên tái cấu trúc lưới phân phối, điều này có phần trái nguợc với thực tế là lưới phân phối luôn có đặt tụ bù để bù cho lượng công suất kháng bị hao hụt trên lưới trung thế và phần nào đáp ứng nhu cầu công suất kháng cho các lưới hạ thế chưa thật hoàn chỉnh (do chưa bù hạ thế đúng yêu cầu)

Như vậy, khi thay đổi cấu trúc vận hành, sẽ xuất hiện các dòng công suất phản kháng

có giá trị lớn trên lưới do các tụ bù được lắp tập trung trên lưới trung thế cung cấp cho các phụ tải hạ thế nằm rải rác trên lưới Đây chính là lý do làm tăng tổn thất công suất

và làm giảm ý nghĩa của việc tái cấu trúc lưới điện giảm tổn thất công suất tác dụng Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng của tụ bù lê bài toán này đến đâu cần phải có những công thức toán học cụ thể để có thể đánh giá một cách định lượng rõ ràng, trong khi đó

những nghiên cứu trước đây [18, 34, 36] hay của Ross Baldick [33] được xem là nghiên cứu khá kỹ lưỡng về vấn đề này cũng chỉ mang tính chất định tính Vì vậy, nội dung của đề tài sẽ tập trung giải quyết bài toán tái cấu lưới giảm có tính đến ảnh hưởng của tụ bù và đưa ra một công thức tính toán cụ thể mức độ ảnh hưởng các tụ bù lến mức giảm tổn thất công suất tác dụng khi thực hiện tái cấu trúc lưới

II Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài:

1 Mục tiêu :

Xây dựng một giải thuật tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất tác dụng có xét đến ảnh hưởng của tụ bù trên lưới

2 Nhiệm vụ:

trúc lưới có xét đến ảnh hưởng của tụ bù trên lưới và khảo sát tính chất của hàm

III Phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu :

Phạm vi nghiên cứu trong đề tài xoay quanh bài toán tái cấu trúc trên lưới điện phân phối có cấu trúc mạch vòng nhưng vận hành hình tia có xét đến tụ bù

Phương pháp nghiên cứu là sử dụng phương pháp giải tích toán học và mô phỏng để xây dựng và giải quyết bài toán

IV Điểm mới của đề tài :

Đề tài xét đến tác động của tụ bù khi trong tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất tác dụng bằng cách đưa ra công thức tường minh về sự ảnh hưởng này cũng như khảo sát các tính chất của nó

V Bố cục của đề tài :

- Chương I: Giới thiệu tổng quát về lưới điện phân phối

I Giới thiệu :

1 Đặc điểm của lưới phân phối :

Lưới điện phân phối dùng để chuyển tải điện năng từ các trạm biến áp trung gian (ở Việt Nam thường là các trạm 110/15-22 kV) đến các phụ tải Đường dây truyền tải có thể vận hành vòng hoặc hở nhưng đường dây phân phối luôn vận hành hở (hình tia) Trong thực tế các đường dây phân phối đều có cấu trúc vòng với các phát tuyến trong cùng trạm trung gian hoặc có thể với các phát tuyến ở các trạm trung gian khác nhưng trạng thái vận hành bình thường luôn hở vì những lý do sau :

đựng ngắn mạch và dòng cắt ngắn mạch bé điều này làm giảm đáng kể chi phí đầu tư

đơn giản như là quá dòng hay relay thấp áp… không cần thiết phải trang bị các relay phức tạp đắt tiền như so lệch, khoảng cách … nên việc phối hợp dễ dàng hơn và mức độ đầu tư giảm

các recloser để tránh các sự cố thoáng qua

khiển điện áp trên từng phát tuyến cũng dễ dàng hơn

Cấu trúc vòng với các phát tuyến dùng để chuyển tải khi có sự cố, công tác, hoặc khi

cây của hệ thống Việc khôi phục lưới điện được thực hiện thông qua việc thao tác đóng cắt các cặp khóa điện

Một đường dây phân phối có nhiều phụ tải khác nhau như là : điện sinh hoạt, sản xuất các phụ tải này có các thời gian tải đỉnh khác nhau, phân bố không đồng đều và luôn thay đổi theo từng giờ, ngày, tuần và theo từng mùa Vì vậy trên các đường dây

đồ thị phụ tải không đều và thường có sự chênh lệch là nguyên nhân gây ra quá tải và tăng tổn thất trên lưới phân phối

Để chống quá tải, giảm tổn thất trên đường dây các điều độ viên phải tiến hành những thao tác chuyển tải bằng cách đóng cắt các khóa điện (LBS, recloser, DS ) trên lưới để đảm bảo hệ thống vận hành kinh tế nhất

Phụ tải phát triển và thay đổi liên tục nên tùy tình hình thực tế sẽ có những mục tiêu vận hành lưới phù hợp với tình hình cụ thể Tuy nhiên trong bất cứ trường hợp nào thì

phải vận hành hở, tất cả các phụ tải phải được cung cấp điện liên tục và với sụt áp nằm trong phải vi cho phép, các hệ thống bảo vệ relay phải đảm bảo hoạt động tốt, các thiết bị: đường dây, MBA và các thiết bị khác phải vận hành trong phạm vi cho phép

2 Các bài toán tái cấu trúc lưới ở góc độ vận hành [3]:

suất bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối lưới bé nhất

3 Các nghiên cứu khoa học hiên tại :

3.1 Các nghiên cứu giải bài toán 1, 2, 4, 5, 6

Nghiên cứu giải bài toán 1 của C.S.Chen và M.Y [7], Shirmohammadi [28] Giải bài toán 2 của Rubin Taleski [29] Giải bài toán 4 của Tim Taylor [30], H.Yuan-Yih Hsu [12] Giải bài toán 5 của Liu [19], Tomsovic [32] Giải bài toán 6 của Baran [4]

3.2 Các nghiên cứu giải bài toán 3 :

Bài toán 3 là một bài toán quan trọng, được xem như một modul chính để giải quyết các bài toán tái cấu trúc lưới khác Điều này được chứng minh qua các giải thuật của các nghiên cứu từ trước đến nay Có nhiều phương pháp giải bài toán 3 nhưng theo các nghiên cứu [26, 28, 29 ] chỉ có giải thuật heuristic kết hợp giải thuật tối ưu và giải thuật thuần heuristic mới thực sự mang hiệu quả cao vì dễ tìm được cấu trúc lưới tối

ưu

3.2.1 Giải thuật heuristic kết hợp giải thuật tối ưu :

Kết hợp giữa giải thuật heuristics và giải thuật tối ưu hoá để giải bài toán 3 là S.K.Goswaimi [11], V.Glamocanin[10], Merlin và Back [20], Shirmohammadi [27], T.P.Wagner [31], Việc kết hợp hai giải thuật này để giải bài toán tiêu tốn nhiều thời gian tính toán nhưng lại có khả năng xác định được cấu trúc lưới điện đạt cực tiểu toàn cục và không phụ thuộc vào cấu trúc lưới ban đầu

a Giải thuật của Merlin và Back – kỹ thuật vòng kín

Giải thuật của Merlin và Back [20] đơn giản:”Đóng tất cả các khoá điện lại-tạo thành một lưới kín, sau đó giải bài toán phân bố công suất và tiến hành mở lần lượt các khoá

có dòng chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện dạng hình tia”

Merlin và Back cho rằng lưới điện phân phối luôn có mức tổn thất công suất bé nhất với mạch vòng Vì vậy để có lưới điện phân phối vận hành hình tia, Merlin và Back lần lượt loại bỏ những nhánh có tổn thất công suất nhỏ nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi lưới điện đạt được trạng thái vận hành hở Các giải thuật tìm kiếm nhánh và biên ứng dụng luật heuristic này mất rất nhiều thời gian do có khả năng xảy ra đến 2n cấu trúc nếu có n đường dây được trang bị khoá điện

Hình 1.1 thể hiện giải thuật của Merlin và Back, đã được Shirmohammadi [27] bổ sung Giải thuật này chỉ khác so với giải thuật nguyên thủy của Merlin và Back ở chỗ

có xét đến điện thế ở các trạm trung gian và yếu tố liên quan đến dòng điện Sau khi chỉnh sửa, kỹ thuật này vẫn còn bộc lộ một số nhược điểm:

- Giải thuật tiêu tốn nhiều thời gian để tìm ra cấu trúc giảm tổn thất công suất

- Tính chất khơng cân bằng và nhiều pha chưa được mơ phỏng đầy đủ

Đọc dữ liệu lưới điện và khoá điện Đóng tất cảø khoá điện

Giải bài toán phân bố công suất và thay thế tải bằng các các nguồn dòng Giải bài toán phân bố công suất tối ưu Mở khoá điện có dòng bé nhất

Đóngkhoá điện vừa mở Mở khoá điện có dòng bé nhất tiếp theo

Vi phạm các điều kiện vận hành

Lưới điện hình tia

Xuất kết quả

Có Không Không

Đã cĩ các nghiên cứu kết hợp giữa hai giải thuật này : Liu và các cơng sự [19], Glamocanin [10], Wagner và các cộng sự [31], Goswami và Basu [11], Chang [6], JeanJumeau [8], Jeon các cộng sự [14], các giải thuật của các nhà nghiên cứu về lý thuyết thì cĩ tính khả thi nhưng khi áp dụng vào thực tế thì đều cĩ những khĩ khăn nhất định

3.2.2 Các giải thuật thuần túy dựa trên heuristics

Các giải thuật này cĩ cùng đặc điểm là sử dụng các cơng thức thực nghiệm để đánh giá mức độ giảm tổn thất liên quan đến thao tác đĩng cắt và giới thiệu một số qui luật nhằm giảm số lượng xem xét các khĩa điện Các qui tắc heuristics dựa trên giả định

có nhiều nghiên cứu theo hướng này nhưng vẫn chưa có giải thuật nào tỏ ra thực sự

khả thi trên lưới điện phân phối lớn

a Giải thuật của Civanlar và các cộng sự – kỹ thuật đổi nhánh

Lưu đồ mô tả giải thuật được trình bày tại hình 1.2

Civanlar đã đưa ra 2 qui luật để giảm số lượng khóa điện cần xem xét :

sự chênh lệch đáng kể về điện áp tại khoá đang mở

tải ở phía có độ sụt áp lớn sang phía có sụt áp bé hơn

Mức giảm tổn thất công suất tác dụng khi có sự thay đổi trạng thái của một cặp khóa

điện trong quá trình tái cấu trúc được trình bày tại công thức (1-1)

D

i iloop

* N M D

i Ii E E R I 2

Re ) t (

Ii : Dòng điện tiêu thụ của nút thứ i

EM : Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút M

EN : Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút N

Rloop : Tổng các điện trở trên vòng kín khi đóng khoá điện đang mở

Biểu thức (1-1) tỏ ra chính xác khi ứng dụng cho các lưới mẫu nhỏ nhưng chưa được

kiểm chứng ở lưới điện lớn [26]

Kỹ thuật đổi nhánh thể hiện ở quá trình thay thế 1 khóa mở bằng 1 khoá đóng trong

cùng một vòng để giảm tổn thất công suất Vòng được chọn để đổi nhánh là vòng có

cặp khoá đóng/mở có mức giảm tổn thất công suất lớn nhất Quá trình được lặp lại cho

đến khi không thể giảm được tổn thất nữa

Giải thuật Civanlar có những ưu điểm sau :

Tuy nhiên, giải thuật cũng còn nhiều nhược điểm cần khắc phục:

- Chỉ giải quyết được bài tốn giảm tổn thất, chưa giải quyết được bài tốn cực tiểu hĩa hàm mục tiêu

Giảm số lần thao tác khoá điện bằng cách xem xét các luật heuristic

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

Các thao tác đóng cắt làm giảm tổn thất công suất

Thực hiện thao tác đóng/cắt có mức độ giảm tổn thất công suất nhất Phân bố công suất cho lưới điện mới

Kiểm tra quá tải và độ sụt áp cho phép Chọn thao tác đóng/cắt kế tiếp

Hệ thống được xem là tối ưu

Không

Có

Không

Có

Hình 1.2 : Lưu đồ giải thuật của Civanlar và các cộng sự [9]

Mặc dù cĩ một số khuyết điểm cần phải khắc phục nhưng giải thuật của Civanlar và

các cộng sự được đánh giá rất cao

b Một số giải thuật khác

Tiếp theo Civanlar thì cịn cĩ các nhà nghiên cứu khác cũng đưa ra giải thuật thuần túy dựa trên heuristics : Baran và Wu [4], Castro và Watanabe [5], các nghiên cứu này cố gắng tìm kiếm giải thuật để khắc phục những nhược điểm trong giải thuật của Civanlar nhưng khi khắc phục được một số nhược điểm của giải thuật Civanlar thì chính giải thuật của họ cũng cĩ nhiều nhược điểm cần phải khắc phục

3.2.3 Các giải thuật dựa trên trí tuệ nhân tạo :

Gần đây, trí tuệ nhân tạo đã trở nên phổ biến đưa đến sự nở rộ của nhiều kỹ thuật như:

hệ thần kinh nhân tạo (ANN), giải thuật gen (GA) và hệ chuyên gia (ES) đã được ứng dụng để tái cấu trúc hệ thống Sử dụng ANN trong tái cấu trúc lưới phân phối cĩ Kim

và các cộng sự [16], Joon-Ho Choi [36] tái cấu trúc lưới bằng giải thuật gien, Taylor

và Lubkeman [30] tái cấu trúc lưới bằng hệ chuyên gia

Nhận xét: các nghiên cứu trước đây ở 3.1 và 3.2 được giới thiệu ở trên đều khơng

quan tâm đến ảnh hưởng của tụ bù trong tái cấu trúc lưới phân phối

3.3 Nghiên cứu cĩ quan tâm đến tụ bù trong tái cấu trúc lưới phân phối :

Khi tiếp cận bài tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối Trình tự 6 bước đánh giá lưới điện phân phối của R.E.Lee và C.L.Brooks [18] được trình bày tại hình 1.3

Đánh giá hệ thống hiện hữu

Phân bố trào lưu công suất

Bước 1

Loại bỏ tất cả tụ bù và khoá điện mở tối ưu của hệ thống Bước 2

Tái cấu trúc hệ thống

Phân bố trào lưu công suất

Bước 3

Xác định dung lượng và

vị trí tụ bù mới Bước 4

Đánh giá hệ thống

Phân bố trào lưu công suất

Lợi ích thu được

Hình 1.3: 6 bước đánh giá lưới điện phân phối của R.E.Lee và C.L.Brooks

R.E.Lee và C.L.Brooks [18] đã xem xét đến mức độ ảnh hưởng của tụ bù lên tái cấu trúc lưới nhưng hai ơng chưa đưa ra được cơng thức tường minh cho vấn đề này mà chỉ đưa ra mức độ ảnh hưởng dựa trên các vị dụ dịnh lượng

Năm 1996, Ross Baldick[34] đưa ra giải thuật xem xét cùng lúc việc thay đổi cấu trúc

lưới và điều khiển bù cơng suất phản kháng trên tồn lưới, cĩ kết luận “Tái cấu trúc lưới và điều khiển bù cơng suất phản kháng cĩ thể tiến hành độc lập”

Ở nghiên cứu của mình, Thomas E McDermott [36] cũng trình bày một hàm tìm kiếm phi tuyến khá đơn giản để xác định cấu trúc lưới điện giảm ∆P cĩ xét đến tụ bù Ở cơng thức này tỷ trọng của tụ bù chỉ đĩng vai trị thứ yếu (1/1000) so với lượng cơng suất được kết nối Tuy nhiên, tác giả khơng giải thích được lý do cĩ chỉ số này

4 Kết luận :

Các nghiên cứu tại [18, 33, 34, 36] tuy có quan tâm đến tụ bù trong tái cấu trúc lưới phân phối nhưng những kết luận chưa có tính thuyết phục do nghiên cứu chỉ dựa vào các ví dụ cụ thể, mang tính định tính hay không giải thích được lý do đưa ra các chỉ số tác động vào hàm đánh giá trong quá trình tìm kiếm cấu trúc giảm tổn thất công suất Trong chương 2, đề tài sẽ đưa ra công thức tường minh về mức độ ảnh hưởng của tụ lên vấn đề tái cấu trúc lưới giảm tổn thất công suất tác dụng trên lưới phân phối

I Các qui ước

1 Các qui ước của lưới phân phối tổng quát để xây dựng bài toán :

Cho lưới điện phân phối như hình 2.1:

Hình 2.1: Lưới điện phân phối tổng quát

Gọi n là số nhánh của lưới điện phân phối, trên nhánh thứ i (i=1 n) :

- Pi, Qi là công suất tác dụng và công suất phản kháng của nhánh thứ i

- Ri là điện trở nhánh thứ i

Gọi K là số khóa cần mở để đảm bảo lưới điện phân phối vận hành hình tia, mỗi vòng

sẽ có một khóa mở ( j=1…k), như vậy trên lưới sẽ có K vòng độc lập, tập các vòng độc lập phải thoản mãn qui ước sau :

Vjh : tập các nhánh giao giữa vòng j và vòng h, Vjj là tập các nhánh thuộc vòng j và

Rjloop là điện trở của vòng j

Pj, Qj là dòng công suất giả định bơm vào / rút ra tại khóa mở MNj (j=1…k)

MNj : là nhánh có khóa mở của vòng thứ j

Chỉ số Aij thể hiện sự tương quan giữa chiều vòng j và chiều phân bố công suất tự

- Aij= 1 chiều của vòng j cùng chiều với Pi và Qi

- Aij= -1 chiều của vòng j ngược chiều với Pi và Qi

- Aij= 0 khi nhánh thứ i không thuộc vòng j

A B

P AB ,Q AB

Hình 2.2 : Lưới điện phân phối đơn giản

thao tác đóng khóa MN và mở khóa AB trên nhánh AB tương ứng về mặt vật lý và xét

mặt toán học hàm tổn thất công suất tác dụng, có thể mô tả thao tác chuyển tải trên

PAB=0, QAB=0

suất tác dụng sau khi chuyển tải theo [3] khi không có tụ bù sẽ là:

MN MN

MN

OM i

i MN i i

ON i

MN i i

OM i

MN i i

ON

i

MN i sau

R Q

P

R Q Q R

Q Q R

P P R

P P P

)(

)(

)(

)(

)(

2

2

2 2

2 2

+

+

++

−+

++

i V

i

i i ih

j

loop OC

i OM i i i

i i

bu i bu

j

R

R P A

P

R

R Q R

Q R

Q Q

Q

h

)(

II Xây dựng bài toán chuyển tải có xét đến ảnh hưởng của tụ bù:

1.1 Tụ đặt sau khóa mở MN :

Xét lưới điện như hình 2.3, tụ bù đặt sau khóa mở MN:

Hình 2.3 : Lưới điện phân phối có tụ đặt sau khóa mở MN

Tổn thất công suất cho một vòng trước khi chuyển tải (khoá MN mở)

− +

=

∆

OM i

i i i

CN i i i

bu OC

i i i

2 2

) (

(2-3)

Tổn thất công suất sau chuyển tải (Bơm/rút lượng công suất Pj và Qj vào khoá MN)

i j ih

i CN

i j bu OC

sau

R P A

P

R Q P R Q Q R

Q Q R

Q Q Q

2 2

)(

)(

)(

)(

)(

+

+

+++

+

−+

j

sau

OM i

MN

bu j i

bu j i i

CN i

bu j i i

bu j bu OC

i

i bu

j

sau

h

R P R P A P A P

P

R Q R Q Q R

Q Q R

Q Q Q Q

P

2)(

2

2)(

2)(

2)(

+ +

− +

i V i i j i

i ih bu

j

sau

OM i

MN

bu j i

bu j OM

i i i i

CN i

bu j i

CN i i i

OC i

bu j i

bu OC

i

i bu

P A P

P

R Q R Q R

Q R

Q R

Q R

Q R

Q Q Q

P

2 2

2

2 2

2 2

2 2

) (

2

(2-6)

Để ∆P cực tiểu :

i

ih

OM i

i i i

CN i i i

bu OC

i

i loop

bu

j

h

R P R

P

A

R Q R

Q R

Q Q R

i V

i

i i ih

j

loop OC

i OM i i i

i i

bu i bu

j

R

R P A

P

R

R Q R

Q R

Q Q

Q

h

)(

h

ON

i

i OM i i i

i

j

loop oc i

i bu h

loop ON

i OM i i i

bu i

i bu

j

P R

R P R

P

P

R

R Q Q

R

R Q R

Q R

- Pj, Qj là dòng công suất bơm vào rút ra tại khóa mở MN để tổn thất công suất tác dụng là bé nhất trong trường hợp tái cấu trúc lưới có quan tâm đến tụ bù (tụ đặt sau khóa mở MN theo ngược chiều kim đồng hồ)

1.2 Trường hợp tụ đặt ở trước khóa mở MN :

Xét lưới điện như hình 2.4, tụ bù đặt sau khóa mở MN:

Hình 2.3 : Lưới điện phân phối có tụ đặt trước khóa mở MN

Tổn thất công suất sau chuyển tải (Bơm/rút lượng công suất Pj và Qj vào khoá MN)

MN j

j

i j CM

i

i OC

i

i j bu i i

ON i

j i i

j ih MN

Q Q Q R

Q Q R

P A P

])[(

)(

)(

2

2

2 2

2 2

+

+

++

+

−+

−+

++

+

−+

MN j CM

i

i j i OC

i

i j bu i i

ON

i

j i j

h

RMN P R P A P A P

P

R Q R Q Q R

Q Q Q R

Q Q Q

P

02

)(

2

02

)(

2])[(

2)(

+ +

+

− +

j

MN CM

j i j i

i OC

i i j OC

i

i bu i i

ON i j i

ON

i

i j

h

RMN P R P A P A

P

P

R Q R Q R

Q R

Q R

Q Q R

Q R

Q

Q

P

0 )

(

0 )

+

−+

i V i j i

i ih j

loop j CM

i

i i OC

i bu i

i i

ON

i

i j

RMN P R P R

P A

P

P

R Q R Q R

Q R

Q R

loop j OM

i ON

j

h

R P R P A

P

P

R Q R Q R

Q R

Q Q

ON

i i i

i j

loop OC i

i bu h

loop OM

i bu i

i i

ON

i

i j

P R

R P R

P

P

R

R Q Q

R

R Q R

Q R

Q

Q

(2-10)

1.3 Trường hợp có nhiều tụ trong mạng 1 vòng :

Xét sơ đồ đơn giản ở hình 2.5

hình 2.5 Nhánh 4 và 5 dòng công suất Q không thay đổi khi có tụ nhưng nhánh 1, 2 và 3 dòng

công suất bị thay đổi do hai tụ đứng sau nó Như vậy dễ thấy dòng công suất Q qua

nhánh thứ i chỉ thay đổi phụ thuộc vào những tụ đứng sau nhánh thứ i tính về nguồn

Hình vẽ 2.6 mô tả bài troán 1 vòng có nhiều tụ bù ở tại các vị trí khác nhau,

hình 2.6

nguồn về khóa mở MN, công thức tổng quát cho trường hợp có nhiều tụ trong 1 vòng :

MN j

j

i OM

i

j i bu i

i ON

i

j i bu i

i j ih MN

Q R

Q Q

Q R

P A P

)(

)(

2

2

2 2

−

−+

+

− +

i ON

j

h

RMN P R P A P A P

P

R Q R Q Q

Q R

Q Q

Q Q

P

0 2

) (

2

0 2

) (

2 ) (

(2-13)Tương đương :

+

− +

MN OM

i

j i j i bu i

i ON

i

j i bu i

j

h

RMN P R P A P A

P

P

R Q R Q Q

Q R

Q Q

Q Q

P

0 )

(

0 )

( )

+

− +

j

MN OM

ON

i ON

j

R P R P R

P A

P

P

R Q R Q R

Q Q

R Q R

Q Q

Q

P

0

0 )

( )

(2-14)Tương đương :

− +

loop OM

i ON

j

h

R P R P A

P

P

R Q R Q Q

R Q Q

Q

P

0

0 )

( )

ON

i

i OM i i i

j

R

R P R

P

P

R

R Q Q

R Q Q

Q

)(

)

Tương đương :

i

i OM i i i

j

R

R P R

P

P

R

R Q R

Q R

Q R

Q

Q

α α

ON

i

i OM i i i

i

j

loop

ON i

i i bu OM

i

i i bu h

j

R

R P R

P

P

R

R Q R

Q Q

Q

α α

(2-16)

Nhận xét: Các công thức (2-8), (2-10) và (2-16), giá trị dòng công suất phản kháng

bơm/rút tại khoá MN khi không có tụ bù và có tụ bù chỉ chênh lệch một lượng là

i

i i

i

j

loop

ON i

i i bu OM

i

i i bu h

j

R

R P R

P

P

R

R Q R

Q Q

Q

α α

1.4 Tính chất :

Trong hệ đơn vị tương đối lấy Uđm=1, xét sụt áp trên nhánh thứ i :

)(

)(

))(

Nếu nhánh có Ri >>Xi(hay bỏ qua thành phần cảm kháng của dây dẫn ) thi sụt áp trên

Xét trong một vòng kín h (h=1…k) bất kỳ, theo định luật kirchhoff 2 thì :

0)

hh hh

Xét trường hợp tổng quát có nhiều tụ trong mạng 1 vòng và việc chuyển tải để ∆P cực

tiểu thì các thành phần đạo hàm của hàm ∆P lấy theo Pj sẽ là

R P P P R

P P

MN j i j OM

i ON

h

R P R P P R

P P

P

P

2)(

2)(

( )

P P

(2-21)

Tương tự để ∆P cực tiểu thì các thành phần đạo hàm của hàm ∆P lấy theo Qj sẽ là

MN OM

i

j i j i bu i

i ON

i

j i bu

−+

) (

2 ) (

i ON

i

j i bu i

j

R Q R Q Q

Q R

Q Q

Q Q

P

α α

0 )

( )

i ON

i

j i bu i

j

R Q R Q Q

Q R

Q Q

Q

Q

P

α α

0 )]

( [ ]

i i

ON

i

i bu j

i j

R Q R Q Q

Q R

Q Q

Q

Q

P

α α

(2-22)Nhân hai vế của (2-22) với –j :

0 )]

( [ ]

i i

ON

i

i bu j

i j

R jQ R Q Q

Q j R Q Q

(2-23)Biểu thức (2-24) được thiết lập khi thực hiện phép công giữa (2-21) và (2-23)

0

)]

([)

()]

([)

(

=

+

−+

−+

++

−+

OM i i i

j OM

i i i

i bu j

ON i i i

Q j R P P R

Q Q

Q j R

ih i j

ih i

Biểu thức này thỏa định luật kirchhoff 2 đã chứng minh ở (2-20)

Kết luận : Dòng công suất bơm vào, rút ra Pj, Qj trên nhánh có khóa mở MN chính là dòng công suất chạy qua khóa MN trong mạch kín

2 Tính toán cho mạng điện phức tạp có nhiều vòng :

2.1 Công thức tính ∆P trong mạng phức tạp cò nhiều vòng và nhiều tụ :

(j = 1…k)

Tổn thất công suất tác dụng ∆P như sau :

MN k

j

j j i

k j

j ij n

i

i bu i

i n

i

k j j ij

+

− +

1 1

1 1

)

2.2 Xác định giá trị bơm vào/rút ra tại các khóa mở để ∆P min

a Xác định điều kiện để tổn thất công suất tác dụng bé nhất :

Về mặt toán học, tái cấu trúc lưới cực tiểu tổn thất công suất tác dụng có thể mô tả dưới dạng cực tiểu ∆P theo k biến Pj và k biến Qj (j=1…k)

Điều kiện cần và đủ để cực tiểu hàm tổn thất công suất tác dụng (2-25)

)142(,

1,

;0)(

)132(,

1,

;0)(

)122(,

1,

;0)(

)112(,

1,

;0)(

)102(

1

;

0

)92(

1

;

0

2 2 2

2

2

2

2 2 2

2

2

2

2 2 2

2

2

2

2 2 2

j P

Q

P P

j Q

Q

P Q

j Q

P

P Q

j P

P

P P

Q

P

k h

P

P

j h j

h

j h j

h

j h j

h

j h j

h

h

h

(2-26)Lấy đạo hàm theo dòng công suất bơm vào rút ra trong một vòng thứ h

V

i

MN h i k

j

j ij i

ih h

MN h i j k j ij i

bu MN

i V

i

i ih h

R P R P A P

A

P

P

R Q R Q A Q

Q A Q

P

02

)(

2

02

][

i V i

k j

i j ij ih i

i ih h

MN h MN

i V i

i j k j ij ih i

i bu MN

i V

i

i ih h

hh

h h

h hh

hh

R P R P A A R

P A

P

P

R Q R Q A A R

Q Q

A

Q

P

0)

(

0)

()

++

i V i

h h MN

i V i

k

h j j

i j ij ih i

i ih h

MN h i n

MN

i V i h MN

i V i

i j k

h j j ij ih i

i bu MN

i V

i

i ih h

hh

h h

h

h hh

hh hh

R P R P R

P A A R

P A

P

P

R Q R Q R

Q A A R

Q Q

A

Q

P

0)

(

0)

i V i

k

h j j

i j ij ih i

i ih h

loop h MN

i V i

i j k

h j j ij ih i

i bu MN

i V

i

i ih h

hh hh

R P R P A A R

P A

P

P

R Q R Q A A R

Q Q

A

Q

P

0)

(

0)

k

h j j

i j ij ih i

i ih

h

loop

MN

i V i

i j k

h j j ij ih i

i bu MN

i V

i

i ih

h

R

R P A A R

P A

P

R

R Q A A R

Q Q

A

Q

hh hh

)(

)(

1

1 α

k

h j j

i j ij ih i

i ih

h

loop

MN

i V i

i j k

h j ij ih MN

i V i

i i bu ih MN

i V

i

i i ih

h

R

R P A A R

P A

P

R

R Q A A R

Q A R

Q A

Q

hh hh

hh

) (

1

1 α

k

h j

i j ij ih i

i ih

h

loop

MN

i V i

i i bu ih MN

i V i

i j k

h j j ij ih MN

i V

i

i i ih

h

R

R P A A R

P A

P

R

R Q A R

Q A A R

Q A

Q

hh hh

hh

) (

1

1

α

h j

ih i

i ih h

loop

MN

i V i

i i bu ih u

htruockhib

h

P R

R P A A R

P A

P

R

R Q A Q

Q

hh

)(

i j k

h j j ij ih MN

i V i

i i ih u

htruockhib

R

R Q A A R

Q A Q

hh hh

Phtruockhibu, Qhtruockhibu là dòng công suất bơm vào rút ra tại khóa mở MN ở vòng thứ h

trong trường hợp tái cấu trúc lưới không quan tâm đến tụ bù để tổn thất công suất tác dụng là bé nhất

Ph, Qh là dòng công suất bơm vào rút ra tại khóa mở MN ở vòng thứ h để tổn thất công suất tác dụng là bé nhất trong trường hợp có quan tâm đến tụ bù khi tái cấu trúc lưới

điện phân phối

Từ các biều thức trên ta có :

h j k h

j Q

P

P R

A Q

Q

P

h j k h

j Q

P

P R

A P

P

P

h j k j

R Q

P R

P

P

k h

R Q

P R

P

P

j h V

i

i ij j

h

j h V

i

i ij j

h

loop j j

loop

j

j

loop h h

1 , 0

;

,

1 ,

; 0

;

;

1

; 0

; 0

1

; 0

; 0

2 2

2 2

2

2 2

2

2

2 2

2

Trong vòng kín h và j luôn có :

k h

j h j R

A R

loop j V

i

i ij

loop

h > ∑ ; > ∑ ∀ , , , =1

∈

∈

Vì thế các điều kiện (2-26) trên luôn thỏa mãn Như vây, khi bơm vào và rút ra một

lượng công suất Ph, Qh theo công thức (2-31) tại các khóa mở MNh thì tổn thất công suất tác dụng sẽ bé nhất Nhưng trong thực tế việc bơm vào và rút ra một lượng công