Tái cấu hình lưới điện phân phối để giảm tổn thất công suất

Hơn nữa, việc tái cấu hình lưới điện còn nâng cao hiệu quả vận hành lưới phân phối, cân bằng công suất giữa các tuyến dây, giảm sụt áp cuối đường dây, giảm bớt khả năng quá tải của các t

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 9

TỔNG QUAN VỀ LƯỚI PHÂN PHỐI TRUNG ÁP 9

VÀ LƯỚI PHÂN PHỐI TRUNG ÁP TỈNH NAM ĐỊNH 9

1.1 Tổng quan về lưới điện phân phối trung áp 9

1.2 Lưới phân phối trung áp tỉnh Nam Định 13

1.2.1 Nguồn cấp điện cho lưới phân phối trung áp 13

1.2.2 Hiện trạng lưới điện phân phối trung áp 15

1.2.2.1 Đường dây trung áp 15

1.2.2.2 Trạm biến áp 16

1.2.3 Hiện trạng vận hành lưới điện trung áp tỉnh Nam Định 17

1.2.3.1 Hiện trạng mang tải các đường dây trung thế và TBA 17

1.2.3.2 Hiện trạng tổn thất công suất, tổn thất điện áp và tổn thất điện năng 18

CHƯƠNG 2 19

BÀI TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 19

2.1 Tổng quan về bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối 19

2.2 Các bài toán tái cấu hình LĐPP ở góc độ vận hành: 19

2.3 Một số phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối 20

2.3.1 Thuật toán cắt vòng kín [1] 20

2.3.2 Thuật toán đổi nhánh [2] 22

2.2.3 Thuật toán tìm ngược Backtracking [3] 24

2.3.4 Thuật toán tìm kiếm cấu hình lưới điện phân phối có tổn thất công suất nhỏ nhất [4] 25

2.3.5 Kết luận 25

CHƯƠNG 3 27

TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT 27

3.1 Xây dựng các hệ phương trình 27

3.1.1 Hệ phương trình cân bằng dòng nút 27

3.1.2 Hệ phương trình cân bằng công suất nút 29

3.2 Phương pháp Newton-Raphson 31

3.2.1 Cơ sở toán học 31

3.2.1.1 Trường hợp có một ẩn số 31

3.2.1.2 Hệ phương trình phi tuyến 32

3.2.2 Ứng dụng trong giải tích lưới điện 34

CHƯƠNG 4 39

THU T TOÁN TÌM KIẾM CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI C TỔN THẤT CÔNG SUẤT NH NHÁT 39

4.1 Thuật toán tìm kiếm cấu hình LĐPP 39

4.1.1 Giai đoạn 1 39

4.1.2 Giai đoạn 2 40

4.1.3 Các bước thực hiện của thuật toán 41

4.2 Ví dụ tính toán 44

4.2.1 Giai đoạn 1 45

4.2.2 Giai đoạn 2 50

CHƯƠNG 5 54

TÍNH TOÁN ÁP DỤNG 54

5.1 Chương trình tính toán 54

5.1.1 Giai đoạn 1 58

5.1.2 Giai đoạn 2: 60

5.2 Tính toán cho một lưới điện phân phối TP Nam Định 67

5.2.2 Kết quả tính toán 72

5.3 Nhận xét: 76

KẾT LU N VÀ KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong luận văn này là nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Trương Ngọc Minh, các kết quả tính toán trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ một tài liệu nào Có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác

Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2015

Tác giả luận văn

Bùi Văn Đức

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

HTĐ : Hệ thống điện LĐPP : Lưới điện phân phố MBA : Máy biến áp

TBA : Trạm biến áp

ĐDK : Đường dây trên không SCADA : Supervisory Control And Data Acquisition DMS : Distribution Management System

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Giải thuật của Merlin và Back 21

Hình 2.2: Thuật toán đổi nhánh 23

Hình 3.1: Minh họa phương pháp Newton Raphson 32

Hình 3.2: Sơ đồ khối phương pháp Newton Raphson 34

Hình 3.2: Sơ đồ khối PP Newton Raphson tính trào lưu công suất 38

Hình 4.1: Sơ đồ thuật toán tái cấu hình LĐPP giai đoạn 1 ……… 42

Hình 4.2: Sơ đồ thuật toán tái cấu hình LĐPP giai đoạn 2 ……… 43

Hình 4.3: Sơ đồ lưới 5 nút ……… …… 44

Hình 4.4: Sơ đồ lưới 5 nút sau khi mở khóa 7……… 48

Hình 4.5: Sơ đồ lưới 5 nút sau khi mở khóa 7 &3 ……… 49

Hình 4.6: Sơ đồ lưới 5 nút sau khi mở khóa 7, 3 & 2.……… 50

Hình 4.7: Sơ đồ lưới 5 nút sau sau khi kết thúc GĐ 1……… 51

Hình 4.8: Lưới hình tia tối ưu……….……… 52

Hình 4.9: Lưới hình tia bất kỳ……….……… 52

Hình 5.1: Giao diện chính của chưng trình………….……… 54

Hình 5.2: Giao diện nhập dữ liệu nút……….……….……… 55

Hình 5.3: Giao diện nhập dữ liệu nhánh ….……….……… 56

Hình 5.4: Sơ đồ lưới điện hiện trạng mạch vòng phân phối trung áp các lộ 471 E3.1, 472 E3.4, 475 E3.7 và 471 E3.14 TP Nam Định… ….……….……… 69

Hình 5.5: Kết quả cuối cùng của bài toán… ……….……… 75

Hình 5.6: Sơ đồ lưới điện sau tái cấu hình….……….……… 77

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu hình LĐPP 20

Bảng 2.2: So sánh kết quả các phương pháp 26

Bảng 4.1: Dữ liệu các nhánh của lưới điện 5 nút 44

Bảng 4.2: Danh sách các khóa điện……… 45

Bảng 4.3: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 1 45

Bảng 4.4: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 2 45

Bảng 4.5: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 3 46

Bảng 4.6: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 4 46

Bảng 4.7: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 5 46

Bảng 4.8: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 6 47

Bảng 4.9: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 7 47

Bảng 4.10: Tổn thất công suất của các trường hợp mở khóa trong bước 1 47

Bảng 4.11: Danh sách các khóa xem xét mở sau bước 1……… 48

Bảng 4.12: Tổn thất công suất tác dụng của các TH mở khóa trong bước 2 48

Bảng 4.13: Danh sách các khóa xem xét mở sau bước 2……… 49

Bảng 4.14: Tổn thất công suất tác dụng của các TH mở khóa trong bước 3 49

Bảng 4.15: Danh sách khóa mở và các khóa liền kề sau giai đoạn 1……… 50

Bảng 5.1: Thông số nút của lưới điện……… …… 70

Bảng 5.2: Thông số nhánh của lưới điện… ……… …… 71

Bảng 5.3: Tổng tổn thất công suất khi mở từng khóa trong vòng lặp thứ nhất 72

Bảng 5.4: Tổng tổn thất công suất khi mở từng khóa trong vòng lặp thứ hai 72

Bảng 5.5: Tổng tổn thất công suất khi mở từng khóa trong vòng lặp thứ bai 73

Bảng 5.5: Bảng danh sách các khóa được chọn mở sau giai đoạn 1……… 74

Bảng 5.7: Kết quả giai đoạn 2……… ……… 74

Bảng 5.8: Kết quả bài toán….……… ……… 74

MỞ ĐẦU

Trong hệ thống điện, tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối trung áp chiếm một tỷ lệ khá lớn Vì vậy vấn đề giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối đóng một vai trò rất quan trọng Hiện nay có nhiều phương pháp đ làm giảm tổn thất điện năng như: cải tạo lại lưới điện, nâng cao điện áp vận hành, giảm truyền tải công suất phản kháng trên lưới bằng cách lắp đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp … Tuy nhiên, các biện pháp này đòi hỏi chi phí lớn và phải có thời gian thực hiện Một trong những biện pháp đơn giản, hiệu quả góp phần làm giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối trung áp là tái cấu hình lưới phân phối Tái cấu hình lưới phân phối không những không đòi hỏi chi phí đầu tư cải tạo lưới điện, mà còn giúp giảm đáng k tổn thất điện năng Hơn nữa, việc tái cấu hình lưới điện còn nâng cao hiệu quả vận hành lưới phân phối, cân bằng công suất giữa các tuyến dây, giảm sụt áp cuối đường dây, giảm bớt khả năng quá tải của các thiết bị trên lưới, giảm thi u số phụ tải bị mất điện khi sảy ra sự cố

Xuất phát từ lý do nêu trên, sau 2 năm học tập, nghiên cứu, tôi đã lựa chọn đề tài “Tái cấu hình lưới điện phân phối TP Nam Định – Tỉnh Nam Định đ giảm tổn thất công suất”

Mục đích nghiên cứu: Tính toán, phân tích và đề xuất thuật toán tìm kiếm cấu hình tối ưu cho lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng đồng thời đảm bảo các yêu cầu chính của lưới phân phối

Đối tượng nghiên cứu: Lưới điện phân phối trung áp nói chung và lưới điện phân phối trung áp 22kV và 35kV tỉnh Nam Định nói riêng

Phương pháp nghiên cứu:

+ Nghiên cứu lý thuyết về tái cầu hình lưới phân phối trung áp

+ Thu thập số liệu thực tế từ Công ty Điện lực Nam Định

+ Xử lý số liệu: Số liệu được sử lý bằng chương trình tính toán trào lưu công suất và xác định vị trí đi m mở tối ưu cho lưới phân phối được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB

Trong quá trình thực hiện luận văn, được sự hướng dẫn tận tụy, nhiệt tình của thầy giáo TS Trương Ngọc Minh cùng với sự cố gắng của bản thân, tôi đã hoàn thành luận văn Tuy nhiên, do thời gian và hi u biết còn hạn chế nên bản luận văn này không tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý của các thầy cô giáo đ nội dung được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm và hướng dẫn tận tình của thầy giáo

TS Trương Ngọc Minh cùng các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ Thống Điện - trường ĐHBKHN đã giúp đ tôi hoàn thành bản luận văn này

Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2015

Tác giả luận văn

Bùi Văn Đức

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI PHÂN PHỐI TRUNG ÁP

VÀ LƯỚI PHÂN PHỐI TRUNG ÁP TỈNH NAM ĐỊNH 1.1 Tổng quan về lưới điện phân phối trung áp

1.1.1 Giới thiệu chung về lưới điện phân phối trung áp

Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thực hiện nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng

Trong hệ thống điện, lưới điện phân phối (LĐPP) nhận điện năng từ các trạm biến áp trung gian hay từ thanh cái trung thế của các TBA 110kV, 220kV của cấp truyền tải đ cung cấp điện đến các hộ tiêu thụ

Cấu trúc của LĐPP rất đa rạng, phức tạp bao gồm nhiều nhánh, nhiều nút, có khối lượng rất lớn và phân bố trên diện rộng Khối lượng đầu tư xây dựng LĐPP chiếm tỉ trọng khá lớn trong toàn bộ HTĐ Xác suất ngừng cấp điện do sự cố, sửa chữa, bảo dư ng, cải tạo, lắp đặt mới trên LĐPP cũng nhiều hơn trên lưới truyền tải Tính chất phụ tải của LĐPP cũng đa dạng, phức tạp với nhiều các phụ tải từ hộ gia đình cho đến ti u thủ công nghiệp, các khu công nghiệp và khu chế xuất…do đó cũng gây khó khăn trong việc xây dựng các đồ thị phụ tải đặc trưng phục vụ cho các chế độ thống kê tính toán

LĐPP gồm 2 phần:

- LĐPP trung áp có cấp điện áp từ 6kV đến 35kV, đưa điện năng từ các các trạm biến áp trung gian hay từ thanh cái trung thế của các TBA 110kV, 220kV của cấp truyền tải tới các TBA phân phối hạ áp hay các phụ tải trực tiếp sử dụng cấp điện áp trung áp

- LĐPP hạ áp có cấp điện áp 220/380V đưa điện năng từ các TBA phân phối tới các thiết bị điện

Tổn thất điện năng trên LĐPP lớn hơn rất nhiều so với lưới điện truyền tải Vì vậy, giảm tổn thất điện năng trên LĐPP có ý nghĩa quyết định trong việc giảm tỷ lệ tổn thất chung trong toàn bộ HTĐ Đặc biệt, trong bối cảnh ngày nay, sự căng thẳng

và gia tăng giá nhiên liện trong cân bằng năng lượng lại càng khẳng định nhiệm vụ giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong mạng điện là một trong các khâu quan trọng nhất đ tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu quả kinh tế Khi phân tích tổn thất điện năng, ta cần phân loại tổn thất Trong vận hành, khai thác LĐPP có 2 loại tổn thất là: tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật

- Tổn thất điện năng kỹ thuật: Là tổn thất điện năng gây ra do tổn thất công suất kỹ thuật trên đường dây và thiết bị điện trên LĐPP Tổn thất điện năng kỹ thuật

là tiêu hao điện năng tất yếu trong quá trình truyền tải và phân phối điện năng Tổn thất kỹ thuật phụ thuộc vào tính chất dây dẫn và vật liệu cách điện, điều kiện môi trường, dòng điện và điện áp Tổn thất này không th bị triệt tiêu mà chỉ có th hạn chế ở mức độ hợp lý hoặc cho phép

- Tổn thất điện năng phi kỹ thuật: Là tổn thất điện năng do trộm cắp điện, do sai số của thiết bị đo đếm điện năng hoặc do lỗi hệ thống quản lý đo đếm điện

1.1.2 Một số yêu cầu chính đối với lưới điện phân phối

LĐPP là khâu cuối cùng đưa điện năng tới phụ tải Vì vây, LĐPP ảnh hưởng tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ thống điện và các hộ tiêu thụ Một LĐPP nói chung cần đảm bảo một số yêu cầu như sau:

 Đảm bảo cung cấp điện cho tất cả các phụ tải và ít gây mất điện cho khách hàng

 Các thiết bị như MBA, đường dây, cầu chì…phải được đảm bảo không bị quá tải trong chế độ làm việc bình thường

 Điện áp tại các hộ tiêu thụ phải nằm trong phạm vi cho phép

 LĐPP vận hành linh hoạt và phù hợp với việc phát tri n lưới điện trong tương lai

 Chi phí vận hành nhỏ nhất

1.1.3 Lưới phân phối kín vận hành hở

Trên mỗi xuất tuyến của LĐPP ngoài các thiết bị đóng cắt đầu xuất tuyến thì người ta còn đặt nhiều thiết bị đóng cắt đ phân đoạn trên trục chính và nhánh rẽ Giữa các xuất tuyến với nhau trên mạch vòng cũng đặt các thiết bị đóng cắt vận

hành ở vị trí thường mở, gọi là thiết bị liên lạc Trong thực tế người ta thường thiết

kế và xây dựng lưới điện phân phối tạo thành các mạch vòng kín giữa các xuất tuyến với nhau nhưng vận hành hở Khi cần sửa chữa hoặc có sự cố đường dây điện thì việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuy n đổi nguồn cung cấp bằng thao tác đóng cắt thiết bị liên lạc hay tự động chuy n đổi nhờ các thiết bị nối mạch vòng

So với cấu hình hình tia, mạch vòng có nhiều ưu đi m hơn, song lại phức tạp

về bảo vệ rơle Cấu hình mạch vòng chỉ thích hợp cho lưới có số lượng trạm trên mạch vòng ít Mặt khác cùng với một giá trị vốn đầu tư thì hiệu quả khai thác mạch vòng kín so với mạch hình tia là thấp hơn Ngoài ra, trong những thập niên gần đây với sự xuất hiện các thiết bị công nghệ mới và các thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện, tăng tiết diện dây dẫn và bù công suất phản kháng nên các nhược đi m của lưới hình tia đã được khắc phục nhiều

Lý do vận hành hở LĐPP xuất phát từ nét đặc trưng sau của lưới điện phân phối:

 Số lượng phần tử như lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù, phụ tải của LĐPP nhiều hơn lưới truyền tải nhiều lần nhưng vốn đầu tư lại thấp hơn

 Có rất nhiều khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ nên khi có sự

cố, mức độ thiệt hại do gián đoạn cung cấp điện ở LĐPP gây ra cũng ít hơn so với

sự cố của lưới điện truyền tải

Do những nét đặc trưng trên, LĐPP cần vận hành hở dù có cấu trúc mạch vòng vì các lý do như sau:

 Tổng trở của LĐPP vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận hành vòng kín nên dòng ngắn mạch nhỏ khi có sự cố Vì vậy chỉ cần chọn các thiết bị có dòng ngắn mạch chịu đựng và dòng cắt ngắn mạch nhỏ nên vốn đầu tư giảm đáng k

 Dễ dàng hơn trong việc thiết kế hệ thống bảo vệ rơ le Trong vận hành hở, các rơle bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các loại rơ le đơn giản, rẻ tiền như rơ le quá dòng, thấp áp … mà không cần thiết phải trang bị các loại rơ le phức tạp như định hướng,

khoảng cách, so lệch, … nên việc phối hợp bảo vệ rơ le trở nên dễ dàng hơn, nên vốn đầu tư cũng giảm xuống

 Khi sự cố, do vận hành hở nên sự cố không lan tràn qua các phụ tải khác và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố

 Do vận hành hở, nên việc điều khi n điện áp trên từng tuyến dây dễ dàng hơn

 Dự báo và điều khi n dòng công suất dễ dàng hơn

 Vận hành đơn giản, linh hoạt

 Chi phí thấp đầu tư xây dựng thấp

Do đó, LĐPP thường có các đi m mở đ tạo thành lưới điện vận hành hở khi cần thiết Việc tìm đi m mở trên LĐPP thực chất là đi xác định một cấu hình của LĐPP đ đạt các mục tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, cải thiện

độ tin cậy cung cấp điện, giảm tổn thất công suất tác dụng… Bài toán xác định đi m

mở của lưới điện phân phối thường được gọi là bài toán tái cấu hình LĐPP

1.1.4 Thực trạng lưới điện phân phối ở Việt Nam

Ở nước ta, phụ tải của LĐPP rất đa dạng và phức tạp, nhất là ở một số khu vực các phụ tải sinh hoạt, dịch vụ và ti u thủ công nghiệp đa phần cùng trong 1 hộ phụ tải Do lịch sử đ lại, LĐPP trung áp tồn tại nhiều cấp điện áp khác nhau: 6, 10,

15, 22, 35 kV, các trạm biến áp trung gian được xây dựng đã lâu với thiết bị cũ kĩ, lạc hậu, xuống cấp nhiều Sự tồn tại nhiều cấp điện áp buộc phải sử dụng nhiều loại thiết bị phù hợp với từng cấp điện áp với xuất xứ khác nhau, gây trở ngại trong vận hành như việc kết nối đ hỗ trợ nguồn điện lẫn nhau khi có sự cố, gây tốn kém trong công tác dự phòng các thiết bị điện đ sử lý sự cố … Mặt khác, LĐPP tồn tại nhiều cấp điện áp gây khó khăn cho việc thiết lập được chế độ làm việc kinh tế, quá trình cải tạo và quy hoạch cũng gặp nhiều trở ngại do thiếu các chỉ tiêu, định mức hợp lý

… dẫn đến thiếu chính xác trong dự báo, lựa chọn thiết bị và lãng phí vốn đầu tư, kèm theo đó là quá trình gia tăng tổn thất, giảm chất lượng điện năng

Từ những bất cập nêu trên, đ thống nhất LĐPP Việt Nam, Bộ năng lượng (nay là Bộ công thương) đã ban hành các quyết định về việc chuy n cấp điện áp

phân phối về 2 cấp điện áp tiêu chuẩn 22kV và 35kV (Quyết định số 149 NL/KHKT ngày 24 tháng 3 năm 1993 về việc chọn cấp điện áp chuẩn lưới trung áp cho toàn quốc là 22kV và 35kV; Quyết định số 1867 NL/KHKT ngày 12 tháng 9 năm 1994 ban hành các qui định các tiêu chuẩn kỹ thuật cấp điện áp trung thế) Mặc

dù đã có chủ chương nêu trên nhưng nhưng tiến độ thực hiện vẫn còn chậm, thậm chí có nhiều nơi không th thực hiện được do sự hạn hẹp của vốn đầu tư

Recloser và cầu dao phụ tải đang dần phổ biến trên LĐPP nhưng không được điều khi n từ xa nên chi phí đóng cắt lớn và thời gian chuy n tải lâu Do đó gây khó khăn cho việc điều khi n từ xa và sử dụng hệ thống SCADA/DMS cho LĐPP

1.2 Lưới phân phối trung áp tỉnh Nam Định

LĐPP trung áp Nam Định được Công ty Điện lực Nam Định quản lý, vận hành Trong những năm gần đây, cùng với sự phát tri n mạnh mẽ của kinh tế xã hội, nhu cầu về điện ngày càng tăng về sản lượng điện năng, chất lượng điện năng

và độ tin cậy cung cấp điện Vì vậy, LĐPP cũng không ngừng được đầu tư mở rộng Vấn đề đặt ra cho ngành điện nói chung và Công ty Điện lực Nam Định nói riêng hiện nay là với sự phát tri n của lưới điện lớn mạnh như vậy, làm sao đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho khánh hàng, đồng thời phải giảm tổn thất công suất trên LĐPP ở mức thấp nhất đ đem lại hiệu quả kinh tế cho ngành điện Cùng với

xu thế chung của cả nước, LĐPP trung áp Nam Định đang dần được cải tạo, nâng cấp lên vận hành 2 cấp điện áp tiêu chuẩn 22kV và 35kV

1.2.1 Nguồn cấp điện cho lưới phân phối trung áp

LĐPP trung áp tỉnh Nam Định được cung cấp nguồn từ các trạm biến áp (TBA) 110kV trên địa bàn tỉnh Nam Định Hiện nay, trên địa bàn tỉnh Nam Định hiện có 12 trạm biến áp 110kV đang vận hành cấp điện cho LĐPP trung áp, cụ th như sau:

- Trạm 110 kV Trình Xuyên (E3.1): TBA gồm 2 MBA (MBA): MBA T1 công suất 25 MVA, điện áp 110/35/22 kV; MBA T2 có công suất 40MVA, điện áp 110/35/22kV Trạm có 5 xuất tuyến 35kV và 6 xuất tuyến 22kV Hiện trạm đang

mang tải khoảng 65% và dự kiến mang tải khoảng 75% công suất đặt MBA vào mùa mưa bão khi các trạm bơm lớn trong khu vực hoạt động

- Trạm 110kV Phi Trường (E3.4): TBA gồm 2 MBA: MBA T1 công suất 25 MVA - 110/35/6 kV, MBA T2 công suất 25 MVA, điện áp 110/35/22 kV; TBA có

3 xuất tuyến 35kV, 2 xuất tuyến 22kV Hiện tại, trạm đang vận hành với mức mang tải khoảng 25% công suất đặt MBA

- Trạm 110kV Mỹ Xá (E3.9): TBA gồm 2 MBA T1 và T2, mỗi MBA có công suất 40 MVA, điện áp 110/22 kV; TBA có 8 xuất tuyến 22kV Hiện trạm đang vận hành khoảng 70% công suất đặt MBA

- Trạm 110kV Mỹ Lộc (E3.14): TBA có 1 MBA T1, công suất 25 MVA, điện

áp 110/35/22kV; TBA có 2 xuất tuyến 35 kV và 2 xuất tuyến 22 kV Hiện trạm đang vận hành khoảng 80% công suất đặt MBA

- Trạm 110kV Lạc Quần (E3.8): TBA có 2 MBA T1và T2: MBA T1 công suất 40MVA, điện áp 110/35/22kV, MBA T2 công suất 25MVA, điện áp 110/35/22kV; TBA có 3 xuất tuyến 35kV và 4 xuất tuyến 22kV Hiện trạm vận hành với mức mang tải khoảng 70% công suất đặt MBA

- Trạm 110kV Nghĩa Lạc (E3.10): TBA có 1 MBA T1, công suất 25 MVA, điện áp 110/35/22kV; TBA có 2 xuất tuyến 35 kV và 1 xuất tuyến 22 kV Hiện trạm đang vận hành khoảng 80% công suất đặt MBA

- Trạm 110kV Hải Hậu (E3.11): TBA có 2 MBA: MBA T1 có công suất 25 MVA, cấp điện áp 110/35/10 kV; MBA T2 có công suất 25 MVA, cấp điện áp 110/35/22kV TBA có 1 xuất tuyến 35 kV, 2 xuất tuyến 22 kV và 4 xuất tuyến 10

kV Hiện trạm đang vận hành khoảng 70% công suất đặt MBA

- Trạm 110kV Nam Ninh (E3.12): TBA có 2 MBA T1 có công suất 25 MVA, cấp điện áp 110/35/10 kV và MBA T2 có công suất 25 MVA, cấp điện áp 110/35/22 kV TBA có 2 xuất tuyến 35 kV và 3 xuất tuyến 22 kV, 4 xuất tuyến 10

kV Hiện trạm đang vận hành khoảng 70% công suất đặt MBA

- Trạm 110kV Giao Thủy (E3.13): TBA có 2 MBA T1 và T2, công suất mỗi MBA 25 MVA, điện áp 110/35/22kV TBA có 1 xuất tuyến 35 kV và 6 xuất tuyến

22 kV Hiện trạm đang vận hành khoảng 80% công suất đặt MBA

- Trạm 110kV Ý Yên (E3.15): TBA có 1 MBA T1, công suất 40 MVA, điện

áp 110/35/22kV TBA có 4 xuất tuyến 35 kV và 3 xuất tuyến 22 kV Hiện trạm đang vận hành khoảng 80% công suất đặt MBA

- Trạm 110kV Trực Ninh E3.16: TBA có 1 MBA T1, công suất 40 MVA, điện áp 110/35/22kV TBA có 2 xuất tuyến 35 kV và 4 xuất tuyến 22 kV Hiện trạm đang vận hành khoảng 80% công suất đặt MBA

- MBA T3 trạm 220 kV Nam Định (E3.7): MBA được đặt trong TBA 220 kV Nam Định có công suất 25 MVA, điện áp 110/22kV TBA có 4 xuất tuyến 22 kV Hiện trạm vận hành khoảng 80% công suất đặt MBA

1.2.2 Hiện trạng lưới điện phân phối trung áp

1.2.2.1 Đường dây trung áp

Đường dây trung áp tỉnh Nam Định hiện nay chủ yếu sử dụng đường dây trên không có các cấp điện áp 35kV, 22 kV và 10 kV Dây dẫn sử dụng các chủng loại AAL240, AAL120, AAL70, AC95, AC70, AC50 và AC35 Tổng chiều dài đường dây trung áp toàn tỉnh là 1.991 km, trong đó :

- Lưới điện 35kV có 19 đường dây, tổng chiều dài: 618,95 km, chiếm tỷ lệ 31% tổng chiều dài đường dây trung áp toàn tỉnh Lưới điện 35 kV phân bố trên địa bàn toàn tỉnh, vừa là lưới truyền tải, cung cấp điện cho 10 trạm trung gian 35/10 kV với công suất đặt 74.900 KVA, vừa là lưới phân phối, cung cấp điện cho 618 trạm biến áp 35/0.4 kV với công suất đặt 285.238kVA Bán kính cấp điện của lưới 35 kV nằm trong phạm vi 30 km, dây dẫn tiết diện chủ yếu là AC95, AC70, AC50 Các tuyến dây 35 kV trong tỉnh đều có kết nối mạch vòng liên kết với nhau

- Lưới điện 22kV có 38 đường dây, tổng chiều dài: 799,92 km, chiếm tỷ lệ 40% tổng chiều dài đường dây trung áp toàn tỉnh Lưới điện 22 kV được phát tri n

từ năm 2000 trên cơ sở cải tạo nâng cấp các tuyến đường dây 6 kV, 10 kV cũ Lưới

22 kV cấp điện cho 1.344 trạm biến áp 22/0.4 kV với tổng công suất đặt 430.338

kVA Bán kính cấp điện trung bình của lưới 22 kV nằm trong phạm vi 20 km, dây dẫn sử dụng chủ yếu là AAL240, AC95, AC70, AC50 Hầu hết các tuyến dây 22

kV đều có liên kết mạch vòng với nhau

- Lưới điện 10kV có 32 đường dây, tổng chiều dài: 569,67 km, chiếm tỷ lệ 29% tổng chiều dài đường dây trung áp toàn tỉnh Có 8 đường dây 10 kV được cấp điện từ các TBA 110kV, 24 đường dây 10 kV được cấp điện từ các trạm trung gian 35/10kV Lưới điện 10kV cung cấp cho 613 trạm biến áp 10/0.4kV với công suất đặt 158.958kVA Bán kính cấp điện trung bình của lưới 10kV nằm trong phạm vi

15 km, dây dẫn sử dụng chủ yếu là dây AC70, AC50, AC35

1.2.2.2 Trạm biến áp

* Trạm biến áp trung gian

Hiện nay trên lưới điện khu vực Nam Định có: 10 trạm trung gian 35/10 kV với 19 MBA, tổng dung lượng 74.900 kVA, cụ th như sau :

- Trạm TG Yên Thắng: TBA gồm: 2 MBA công suất 3.200+5.600 kVA – 35/10 kV; 3 xuất tuyến 10kV Trạm đang vận hành với khoảng 70% công suất

- Trạm TG Trực Đại: TBA gồm: 2 MBA công suất 3.200+7.500 KVA – 35/10 kV; 3 xuất tuyến 10kV Trạm đang vận hành với khoảng 85% công suất

- Trạm TG Trực Nội: TBA gồm: 2 MBA công suất 2x3.200 kVA – 35/10 kV;

3 xuất tuyến 10kV Trạm đang vận hành quá tải khoảng 15% vào cao đi m

- Trạm TG Cổ Lễ: TBA gồm: 2 MBA công suất 4.800+5.600 kVA – 35/10 kV;

3 xuất tuyến 10kV Trạm đang vận hành quá tải khoảng 15% vào các giờ cao đi m

- Trạm TG Cầu Vòi: TBA gồm: 2 MBA công suất 2x3.200 kVA – 35/10 kV;

3 xuất tuyến 10kV Trạm đang vận hành đầy tải

- Trạm TG Cổ Giả: TBA gồm: 1 MBA công suất 3.200 kVA – 35/10 kV; 1 xuất tuyến 10kV Trạm đang vận hành đầy tải

- Trạm TG Hải Thịnh: TBA gồm: 2 MBA công suất 3.200+4.000 kVA – 35/10 kV; 2 xuất tuyến 10kV Trạm đang vận hành khoảng 70 % công suất

- Trạm TG Liễu Đề: TBA gồm: 2 MBA công suất 3.200+5.600 KVA – 35/10 kV; 2 xuất tuyến 10kV Trạm đang vận hành với khoảng 85% tải

- Trạm TG Nghĩa Tân: TBA gồm: 2 MBA công suất 2x3.200 kVA – 35/10 kV; 2 xuất tuyến 10kV Trạm đang vận hành đầy tải

- Trạm TG Đông Bình: TBA gồm: 2 MBA công suất 3.200+4.800 KVA – 35/10 kV; 2 xuất tuyến 10kV Trạm đang vận hành với khoảng 70% tải

* Trạm biến áp phân phối

Tổng số trạm biến áp phân phối trên địa bàn tỉnh Nam Định là 2.575 trạm biến

áp với tổng dung lượng 874.534 kVA, MBA chủ yếu sử dụng các gam MBA có công suất 180 kVA, 250 kVA, 320 kVA, 400 kVA, 560kVA và 630kVA Trong đó:

- Trạm biến áp 35/0,4kV có 618 trạm, tổng dung lượng 285.238 kVA, chiếm

tỷ lệ 33% tổng dung lượng trạm phân phối toàn tỉnh

- Trạm biến áp 22/0,4kV có 1.344 trạm, tổng tổng dung lượng 430.338 kVA, chiếm tỷ lệ 49% tổng dung lượng trạm phân phối toàn tỉnh

- Trạm biến áp 10/0,4kV có 613 trạm, tổng dung lượng 158.958 kVA, chiếm

tỷ lệ 18% tổng dung lượng trạm phân phối toàn tỉnh

1.2.3 Hiện trạng vận hành lưới điện trung áp tỉnh Nam Định

1.2.3.1 Hiện trạng mang tải các đường dây trung thế và TBA

- Đường dây 35 kV: Các đường dây 35 kV không bị quá tải, một số đường dây 35 kV hiện đang mang tải cao là đường dây 373-E3.15 với Pmax là 15,543 MW, đường dây 376-E3.4 với Pmax là 14,534 MW, đường dây 374-E3.1 với Pmax là 13,543 MW

- Đường dây 22 kV: Các đường dây 22 kV không bị quá tải, một số đường dây

22 kV hiện đang mang tải cao là đường dây 477-E3.9 với Pmax là 8,159 MW, đường dây 472-E3.9 với Pmax là 8,159 MW, đường dây 476-E3.1 với Pmax là 8,118 MW

- Đường dây 10 kV: Các đường dây 10 kV không bị quá tải, một số đường dây 10 kV hiện đang mang tải cao là đường dây 973-TG Cổ Lễ với Pmax là 4,39

MW, đường dây 972-TG Trực Nội với Pmax là 4,297 MW, đường dây 972-TG Liễu

Đề với Pmax là 4,334 MW

- Các trạm trung gian 35/10 kV: Có 5/10 trạm biến áp trung gian vận hành từ 80% tải đến đầy tải vào các giờ cao đi m, 2/10 trạm biến áp trung gian vận hành quá tải vào các giờ cao đi m

- Các trạm biến áp phân phối: Các trạm biến áp phân phối 35/0.4 kV, 22/0.4

kV, 10/0.4 kV vận hành với mức mang tải từ 50% đến 90% tải định mức, không có trạm bị quá tải

1.2.3.2 Hiện trạng tổn thất công suất, tổn thất điện áp và tổn thất điện năng

- Lưới điện 35 kV: Lưới điện 35 kV có 19 đường dây, cung cấp sản lượng điện 490.983.731 kwh/năm, tổn thất công suất các đường dây 35 kV là 5,89%, tổn thất điện áp là 5,49%, tổn thất điện năng chung của lưới 35 kV là 3.94%

- Lưới điện 22 kV: Lưới điện 22 kV có 38 đường dây, cung cấp sản lượng điện 634.949.534 kwh/năm, tổn thất công suất các đường dây 22 kV là 5,75%, tổn thất công suất là 4,71%, tổn thất điện năng chung của lưới 22 kV chiếm 3,57%

- Lưới điện 10 kV: Lưới điện 10 kV có 32 đường dây, cung cấp sản lượng điện 249.083.914 kwh/năm, tổn thất công suất các đường dây 10 kV là 12,67%, tổn thất công suất là 10,97 %, tổn thất điện năng của lưới 10 kV chiếm 5,64 %

CHƯƠNG 2 BÀI TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 2.1 Tổng quan về bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối

Tái cấu hình lưới điện được thực hiện bằng cách chuy n tải nhờ đóng, mở thiết bị chuy n mạch Ta biết rằng khi thay đổi cấu trúc LĐPP thông qua việc đóng,

mở các khóa điện thì sự phân bố dòng, áp trên lưới cũng thay đổi, dẫn đến tổn thất trên lưới cũng thay đổi theo Mục tiêu của bài toán tái cấu hình LĐPP là tìm ra cấu hình đảm bảo các yêu cầu của LĐPP có tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất Tái cấu hình lưới không những không đòi hỏi nhiều về vốn đầu tư mà còn giúp giảm tổn thất đáng k khi cân bằng tải giữa các tuyến được thiết lập Hơn nữa, tái cấu hình lưới điện phân phối còn có th giảm sụt áp trong lưới và giảm số khách hàng bị mất điện khi sự cố Vì vậy, tái cấu hình lưới điện phân phối có ý nghĩa quan trọng trong quản lý, vận hành lưới điện

Bài toán tái cấu hình có th được thực hiện với nhiều hàm mục tiêu khác nhau, như giảm tổn thất công suất, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo dòng ngắn mạch, v.v Trong phạm vi luận văn này, bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối theo hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất sẽ được đề cập

Hiện nay, các phương pháp thường dùng trong tính toán tái cấu hình LĐPP đều dựa trên các qui tắc tìm kiếm theo một tiêu chí nào đó đ đạt được giải pháp tối

ưu cuối cùng (kết hợp với thuật toán tối ưu)

2.2 Các bài toán tái cấu hình LĐPP ở góc độ vận hành:

Các bài toán vận hành LĐPP mô tả hàm mục tiêu tái cấu hình lưới điện như sau:

- Bài toán 1: Xác định cấu hình lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 khoảng thời gian đ chi phí vận hành nhỏ nhất

- Bài toán 2: Xác định cấu hình lưới điện trong 1 khoảng thời gian đ tổn thất năng lượng nhỏ nhất

- Bài toán 3: Xác định cấu hình lưới điện tại 1 thời đi m đ tổn thất công suất nhỏ nhất

- Bài toán 4: Tái cấu hình lưới điện cân bằng tải (giữa các đường dây, máy biến thế) đ nâng cao khả năng tải của lưới điện

- Bài toán 5: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa

- Bài toán 6: Xác định cấu hình lưới điện theo nhiều mục tiêu như: Tổn thất công suất bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuy n tải ít nhất, sụt áp cuối lưới bé nhất đồng thời sảy ra (hàm đa mục tiêu)

Bảng 2.1: Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu hình LĐPP

Chi phí chuy n tải thấp,

Chi phí chuy n tải cao,

Lưới điện thường xuyên bị quá

Lưới điện hầu như không bị quá

Từ bảng trên, ta thấy: Bài toán tái cấu hình LĐPP nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng (bài toán 3) là bài toán quan trọng, làm nền tảng đ giải quyết các bài toán khác trong hệ thống các bài toán tái cấu hình LĐPP Vì vậy, luận văn chọn bài toán này đ nghiên cứu

2.3 Một số phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối

2.3.1 Thuật toán cắt vòng kín

Giải thuật của Merlin và Back khá đơn giản: “ Đóng tất cả các khóa điện lại tạo thành 1 vòng kín, sau đó giải bài toán phân bố công suất và tiến hành mở lần lượt các khóa có dòng điện bé nhất cho đến khi lưới điện trở thành dạng hình tia” Ở đây Merlin và Back cho rằng với mạch vòng, lưới điện phân phối luôn có mức tổn thất công suất bé nhất Vì vậy đ 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 trạng thái vận hành hở Các giải thuật tìm kiếm nhánh và

biên ứng dụng kỹ thuật Heuristic này mất nhiều thời gian do có khả năng sẽ xảy ra đến 2n cấu hình nếu có n đường dây được trang bị khóa điện Hình 2.1 th hiện giải thuật của Merlin và Back, đã được Shirmohammadi bổ sung*

* Theo D Shirmohammadi and H.W Hong, “Reconfiguration of electric distri-

bution networks for resistive line losses reduction,” IEEE Trans Power

Del., vol 4, no 2, pp 1492–1498, Apr 1989

Đọc dữ liệu và khóa điện

Lưới điện hình tia?

Kết quả

Giải thuật này chỉ khác so với các giải thuật gốc của Merlin và Back ở chỗ có xét đến điện áp ở trạm trung gian và yếu tố liên quan đến dòng điện

Giải thuật của Merlin và Back được Shirmohammadi chỉnh sửa, ông là tác giả đầu tiên sử dụng kĩ thuật bơm vào và rút ra một lượng công suất không đổi đ mô phỏng thao tác thay đổi cấu hình của lưới điện phân phối hoạt động hở về mặt vật lý nhưng về mặt toán học là một mạch vòng Dòng công suất bơm vào và rút ra là một đại lượng liên tục Sau khi chỉnh sửa, kỹ thuật này vẫn còn bộc lộ nhiều nhược đi m như:

 Mặc dù đã áp dụng các kỹ thuật tìm kiếm kinh nghiệm, giải thuật này vẫn cần nhiều thời gian đ tìm cấu hình giảm tổn thất công suất

 Tính chất không cân bằng và nhiều pha chưa được mô phỏng đầy đủ

 Tổn thất công suất của MBA chưa được xét đến trong giải thuật

2.3.2 Thuật toán đổi nhánh

Phương pháp kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange methods* được bắt đầu với giả thiết là: Lưới điện phân phối được vận hành với cấu hình hình tia, một khóa điện được đóng lại và đồng thời 1 khóa điện khác trong mạch vòng được mở ra đảm bảo cấu hình hình tia của lưới điện Mỗi lần thay đổi trạng thái đóng/cắt của một cặp khóa điện, sự thay đổi tổn thất công suất trên lưới lại được đánh giá Phương pháp thay đổi nhánh sẽ dừng lại khi không th giảm tổn thất công suất được nữa Được Civanlar phát tri n năm 1989, phương pháp này yêu cầu sự phân tích đánh giá dòng công suất trên toàn bộ hệ thống tại thời đi m tính toán Sự thay đổi tổn thất nhờ sự thay đổi trạng thái đóng cắt của cặp khóa điện được tính qua công thức:

* Theo S Civanlar, J J Grainger, H Yin, and S S H Lee, “Distribution feeder

reconfiguration for loss reduction,” IEEE Trans Power Del., vol 3, no

3, pp 1217–1223, Jul 1988

 Em : Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra ở 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 các khóa điện

Phương pháp này có hạn chế là khối lượng tính toán nhiều, trong lưới điện lớn, số lượng khóa điện nhiều, việc tính toán chế độ trong mỗi lần thay đổi trạng thái đóng/cắt của cặp khóa điện là rất khó khăn và mất nhiều thời gian

Hình 2.2: Thuật toán đổi nhánh

Giảm số lần thao tác khóa 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 khóa có mức

độ giảm tổn thất công suất nhất

Phân bố công suất cho lưới điện mới

Thỏa mãn ĐK quá tải

và độ sụt áp cho phép?

Hệ thống được xem là tối ưu Kết quả

2.2.3 Thuật toán tìm ngược Backtracking

Thuật toán – Backtracking*

– được Thomas E.MacDermott nghiên cứu và phát tri n năm 1998, thuật toán này cũng là 1 trong những bài toán “mở lần lượt các thiết bị đóng cắt phân đoạn – sequential switch opening method” nhưng xuất phát

đi m lại ngược lại so với thuật toán cắt vòng kín của Shirmohammadi

Thuật toán Backtracking gồm các bước như sau:

 Bước 1: Mở tất cả các khóa điện, mỗi khóa điện được xem là một kết nối giữa các phụ tải với nhau hay giữa nguồn với phụ tải

 Bước 2: Tìm cách gắn lần lượt từng phụ tải vào hệ thống qua một khóa điện duy nhất, khóa điện này sẽ có trạng thái đóng Các phụ tải có quyền lựa chọn xem việc nối với nguồn nào đ có tổn thất công suất nhỏ nhất

 Bước 3: Tải sau khi được nối vào hệ thống sẽ trở thành nguồn cho các tải kế tiếp xem xét đ kết nối (điều này đảm bảo mỗi tải chỉ được cung cấp điện từ một nguồn duy nhất – điều kiện cấu hình vận hành hình tia)

 Bước 4: Quá trình hình thành lưới điện sẽ kết thúc khi tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện Các khóa điện mở là các khóa còn lại trong hệ thống

Phương pháp này của Thomas E.MacDermott đã chứng minh được tính đúng đắn khi đi giải các bài toán mẫu đã được chứng minh như bài toán Civanlar hai nguồn, ba nguồn, bài toán Glamocanin, bài toán Baran và Wu đều cho ra kết quả trùng lặp với các phương pháp khác, điều đó chứng tỏ sự đúng đắn của giải thuật Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn bị hạn chế là khi lưới điện phân phối lớn với rất nhiều nút và nhiều nguồn cung cấp thì phương pháp này tính toán và phân tích kết quả của từng nhánh và từng nút trong lưới do đó khối lượng tính toán lớn, kết quả đưa ra còn chậm

* Theo T E McDermott, I Drezga, and R P Broadwater, “A heuristic non-

linear constructive method for distribution system reconfiguration,”

IEEE Trans Power Syst., vol 14, no 2, pp 478–483, May 1999

2.3.4 Thuật toán tìm kiếm cấu hình lưới điện phân phối có tổn thất công suất nhỏ nhất

Thuật toán này được F.Vanderson Gomes nghiên cứu và phát tri n năm 2004 Thuật toán này đặc biệt phù hợp với hệ thống lưới điện phân phối quy mô lớn Thuật toán bắt đầu với giả thiết tất cả các khóa điện đều đóng Việc quyết định mở một khóa dựa trên kết quả tính toán trào lưu công suất với tổng tổn thất công suất tác dụng trong lưới nhỏ nhất Phương pháp gồm hai giai đoạn:

 Các khóa lần lượt được mở ra cho đến khi lưới trở thành hình tia, đồng thời trong quá trình mở khóa, một danh sách các khóa liền kề với khóa được mở sẽ được lưu lại

 Trao đổi trạng thái các khóa được mở với hai khóa liền kề chúng và so sánh tổng tổn thất trong 2 trường hợp, lựa chọn mở hoàn toàn khóa cho tổn thất công suất tác dụng nhỏ hơn

Phương pháp của F.Vanderson Gomes có những ưu đi m như : kết quả của việc tái cấu hình lưới không phụ thuộc vào trạng thái các khóa trong lưới ban đầu; phương pháp cho kết quả lưới phân phối hình tia tối ưu đồng thời tránh được việc đưa ra quá nhiều phương án và số lượng tính toán lớn trong việc lựa chọn

2.3.5 Kết luận

Thông qua mô hình bài toán và các phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối thường dùng, dễ thấy bài toán tái cấu hình lưới điện có không gian nghiệm lớn,

số lượng bước giải nhiều, đặc biệt là ma trận trạng thái các khóa của lưới điện lớn

Do đó, việc giải bài toán xác định cấu hình lưới điện có tổn thất công suất nhỏ nhất nên sử dụng phương pháp vừa tìm được nghiệm tối ưu vừa có tốc độ giải nhanh Các phương pháp trình bày ở mục 2.1 được tính toán chung với lưới phân phối của Brazil trên máy tính PENTIUM IV, 1,6-GHz với RAM 256 Mb Lưới bao gồm 2 nguồn, nguồn thứ 1 cung cấp cho 258 nút phụ tải với tổng công suất tác dụng

là 5140kW, tổng công suất phản kháng là 1949 kVar Nguồn thứ 2 cung cấp cho

218 nút phụ tải, tổng công suất tác dụng là 3874kW, tổng công suất phản kháng là 1498kVar Trong trường hợp này, tổn thất lúc ban đầu là 202,09 kW

Bảng 2.2: So sánh kết quả của các phương pháp Phương pháp Tổn thất cuối cùng

(kW)

Độ giảm tổn thất so với kết quả tổn thất ban đầu (%)

Do đó, phương pháp [4] sẽ được lựa chọn là phương pháp tính toán tái cấu hình lưới điện phân phối nhằm giảm tối đa tổn thất công suất tác dụng của lưới trong khuôn khổ luận văn

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT

Bài toán trào lưu công suất đóng vai trò quan trọng các nghiên cứu phân tích,

vận hành, quy hoạch hoặc mở rộng các hệ thống phát và truyền tải điện Tính toán

trào lưu công suất thực chất là xác định điện áp tại các nút và trào lưu công suất

giữa các nút của một hệ thống điện bất kỳ, được cho trước các thông số phụ tải cùng

với các ràng buộc về công suất phát và điện áp

Trong bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối, việc tính toán trào lưu công

suất được sử dụng rất nhiều vì nó là cơ sở đ tính tổn thất công suất tác dụng, dòng

điện trên các nhánh và điện áp tại các nút

Sức điện động và điện kháng máy phát không đổi

Ta xét các thông số của hệ thống được qui đổi về cấp điện áp cơ sở

3.1.1 Hệ phương trình cân bằng dòng nút

Xét sơ đồ gồm có n+1 nút (k cả nút đất) Nút đất có số thứ tự là 0

Các thông số:

 ik : dòng nút tại nút k, qui ước chiều đi từ ngoài vào là chiều dương Đây là

dòng phát bởi nguồn điện hoặc đi vào phụ tải điện ở nút k, ik có th tính qua công

suất và điện áp nút:

ik = (2.1)

 ikm : dòng chạy trong nhánh k-m (nối giữa nút k và nút m), có chiều từ k tới

m, dòng này có giá trị không đổi trên toàn nhánh, giả thiết chỉ có 1 nhánh nối giữa

một cặp nút

ikm = km( k - m) (2.2) trong đó:

 km : tổng dẫn nối trực tiếp giữa 2 nút k và m

= - , gọi là tổng dẫn tương hỗ giữa nút k và m

(2.6) (2.7)

Tổng các phương trình trong hệ bằng 0, nên 1 phương trình trong hệ là phụ

thuộc, nên ma trận Y suy biến Ta bỏ qua phương trình của nút đất (i0), đây là phương trình tương đương của các phương trình còn lại

Đây là hệ phương trình tuyến tính, là cơ sở cho các phương pháp tính toán chế

độ của HTĐ Hệ phương trình này đơn giản, dễ giải, tuy nhiên trong chế độ xác lập, các thông tin thường cho dưới dạng công suất, nên không áp dụng được hệ phương trình cân bằng dòng nút

3.1.2 Hệ phương trình cân bằng công suất nút

Trong tính toán chế độ xác lập, thường ta không biết dòng điện nút, mà chỉ biết công suất nút, do đó, hệ phương trình tính toán chế độ cần chuy n về dạng cân bằng công suất nút

= Yij = Gij + jBij (2.15) = Ui = Ui(cos + jsin (2.16)

Mỗi nút của hệ thống có 2 phương trình thực và được xác định bằng 4 thông số:

Công suất tác dụng P

Công suất phản kháng Q

Module điện áp V

Góc pha điện áp

Bài toán chuẩn cho ta biết trước 2 biến thực ở mỗi nút Hai điều kiện cần có là:

Cần cho trước góc pha điện áp ở một nút nào đó

Không th cho trước công suất P (hoặc Q) ở tất cả các nút (không k nút trung tính - đất, tại đó công suất bằng 0), do vậy phải có ít nhất 1 nút không cho trước công suất, gọi là nút cân bằng công suất

Tùy vào các thông số đã cho trước, 1 lưới điện sẽ gồm 3 loại nút, ứng với 3 loại dữ liệu về nút đó:

Nút nguồn điều khi n điện áp hay nút PV :

 Nút này cho trước P và mô đun điện áp U

 Nút PV có nhiệm vụ giữ điện áp tại nó không đổi, nó thường bao gồm các nút nguồn điện lớn, được trang bị các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ; hoặc các nút bù công suất phản kháng, có nhiệm vụ giữ điện áp

Nút cân bằng :

 Nút cân bằng cho trước điện áp và góc pha, thường cho = 0

 Nút cân bằng là một nút nhà máy điện có công suất lớn, có nhiệm vụ điều tần cho hệ thống

3.2 Phương pháp Newton-Raphson

Phương pháp Newton - Raphson được sử dụng phổ biến đ giải các phương trình dòng công suất của hệ thống điện Khai tri n chuỗi Taylor đối với hàm có hai hay nhiều biến là cơ sở của phương pháp này

Nghiệm của đường thẳng tiếp tuyến y – y 0 = f’(x 0 ).(x – x 0 ) xác định được x1 là xấp

xỉ của nghiệm thực sau:

x1 = - + x0 (2.22)

Từ x1 lại xác định được đi m M1(x1, y1) lân cận nghiệm thực Từ đi m M1

thay thế đường cong bởi đường thẳng tiếp tuyến với f(x) tại M1 ta lại xác định được

x2 là xấp xỉ mới:

x2 = - + x1 (2.23) Tiếp tục thực hiện bước trên đến khi tìm được xấp xỉ thứ (k+1) là xk+1 từ xk:

Xk+1 = - + xk (2.24) Như vậy, đ giải phương trình đã cho, phương trình lặp cần giải là:

f‟(xk)Δxk = - f(xk) (2.25) Trong đó Δxk = xk+1 - xk

Với mỗi xk, Δxk tương ứng hoàn toàn xác định được, nên ta sẽ có xấp xỉ tiếp theo xk+1 (chú ý phải thỏa mãn điều kiện f‟(xk) ≠ 0

Hình 3.1 Minh họa phương pháp Newton Raphson

3.2.1.2 Hệ phương trình phi tuyến

Xét hệ phương trình phi tuyến F(x) có nhi u biến trạng thái X = [x1 x2…xn]Tnhư sau:

Hình 3.2 Sơ đồ khối phương pháp Newton Raphson

3.2.2 Ứng dụng trong giải tích lưới điện

Tính ma trận Jacobian J(X (i)

)

i: = i + 1 Giải hệ phương trình

ΔX(i) = -[ J(X(i))] -1 F(X(i))

Tính nghiệm xấp xỉ X(i+1) = X(i) + ΔX(i)

ΔX(i) < ε ΔX(i) < N

Không hội tụ Dừng và in kết quả

 Pi,d vàQi,d là công suất tác dụng và phản kháng đã cho ở nút i

 Pi,t vàQi,t là công suất tác dụng và phản kháng tính được tại nút i theo công thức (10) và (11)

Trong n+1 nút của hệ thống ta có nút cân bằng (giả sử đánh số 0) có các giá

trị đã biết là U0 và Vậy lưới điện còn lại n nút: n c nút PQ và n g nút PV

Các nút PV không cho Q nên ta loại bỏ phương trình ΔQ, chỉ có biến trạng thái δ

 Các nút PQ lập cả 2 phương trình ΔP và ΔQ, có hai biến trạng thái là U và δ

Như vậy hệ sẽ có (2n c + n g ) = (n+n c ) phương trình, (n+n c) ẩn Các biến nút còn lại là Q ở nút PV và P,Q ở nút cân bằng có th tính dược d dàng sau khi đã giải hệ phương trình

Theo phương pháp Newton-Raphson ta sẽ có n phương trình ΔPi và n c

Các phương trình cân bằng công suất của hệ thống được viết tổng quát như sau:

Ui{2Ui.Gii + (2.43) Các phần tử không đường chéo của ma trận J2 được xác định bằng:

Nhược đi m của phương pháp này là yêu cầu bộ nhớ máy tính, nhưng ưu

đi m lớn là tốc độ hội tụ nhanh nếu sai số ban đầu nhỏ ( chênh lệch giữa nghiệm đầu và nghiệm thực) Trái lại nếu sai số ban đầu lớn, quá trình lặp có th phân kì Nếu không xác định được xấp xỉ ban đầu thỏa mãn, ta có th chọn giá trị điện áp các nút PQ bằng định mức, điện áp các nút PV theo giá trị đã cho và góc pha của các nút lấy bằng 0 (bằng nút cân bằng)

Tuy thời gian tính mỗi bước lặp của phương pháp Newton-Raphson lớn, nhưng số bước lặp yêu cầu thường nhỏ, hầu như không phụ thuộc vào số nút của lưới điện tính toán Do đó, sử dụng phương pháp này có lợi cho tính toán hệ thống điện có số nút bất kỳ

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN TÌM KIẾM CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI C

TỔN THẤT CÔNG SUẤT NH NHÁT

Đối với một tải tiêu thụ cho trước mà lưới điện cần phải truyền tải đ cung cấp thì tổn thất công suất tác dụng trong lưới là nhiều hay ít sẽ phụ thuộc vào chính cấu hình của lưới và luôn tồn tại một cấu hình của lưới mà trong đó tổn thất công suất là nhỏ nhất Việc này có nghĩa là ta có th giảm thi u lượng tổn thất bằng cách thay đổi lại cấu hình phù hợp của lưới Việc thay đổi cấu hình của lưới điện được thực hiện bằng cách thay đổi trạng thái các khóa điện trong lưới

và phải thỏa mãn các điều kiện như sau:

 Điều kiện về giới hạn cho phép điện áp của lưới điện;

 Điều kiện về giới hạn công suất của các phần tử (MBA, đường dây…) trong lưới điện;

 Các phụ tải trong lưới đều được cung cấp điện

Như đã trình bày trong chương 1, bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối với hàm mục tiêu tổn thất công suất nhỏ nhất được thực hiện bằng thuật toán tìm kiếm của F.Vanderson Gomes

4.1 Thuật toán tìm kiếm cấu hình LĐPP

Thuật toán này bắt đầu với giả thiết ban đầu tất cả các khóa điện trong lưới đang vận hành ở trạng thái đóng (lưới kín) Quá trình tìm kiếm các khóa mở đ lưới vận hành hở, các phụ tải đều được cấp điện và lưới có tổng tổn thất công suất nhỏ nhất được chia thành 2 giai đoạn, cụ th như sau:

4.1.1 Giai đoạn 1

Do lưới lúc này đang có dạng vòng kín (ứng với tổn thất công suất nhỏ nhất), nên giai đoạn 1 của thuật toán là quá trình lặp xác định các khoá mở cho đến khi lưới không còn vòng kín

Tại mỗi lần lặp, thuật toán sẽ xác định tất cả các khoá điện có th mở (giả thiết có n khoá) Khi thực hiện mở từng khoá điện một, ta sẽ nhận được một cấu hình lưới tương ứng Như vậy, ta sẽ có n cấu hình lưới ứng với n khoá Nếu các lưới này đảm bảo tất cả các phụ tải đều được cấp điện, thuật toán sẽ tính toán trào lưu công suất cho n lưới