Nghiên cứu xây dựng chương trình đánh giá hiệu quả các phương án giảm tổn thất điện năng, áp dngj cho lưới điện phân phối thành phố đà lạt

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , NGUYỄN PHẠM HIẾU NHÂN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG, ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PH

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

,

NGUYỄN PHẠM HIẾU NHÂN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG, ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ ĐÀ LẠT

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số: 60.52.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HỮU HIẾU

Phản biện 1: TS ĐOÀN ANH TUẤN

Phản biện 2: TS BẠCH QUỐC KHÁNH

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

vào ngày 03 tháng 03 năm 2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Điện năng là ngành năng lượng quan trọng hàng đầu của một quốc gia Vì nguồn năng lượng này là tiền đề cho sự phát triển công nghiệp, hiện đại hóa đời sống xã hội

Tuy nhiên, việc sản xuất điện năng ngày càng khó khăn do cạn kiệt nguồn tài nguyên như nước, than đá… Đến năm 2030, Việt Nam

sẽ không còn tiềm năng thủy điện lớn vì đã khai thác hết Trữ lượng than đá cũng đang cạn dần Năm 2015, khả năng khai thác than đá đáp ứng từ 96%-100% nhu cầu sử dụng để sản xuất điện năng Năm

2020, khả năng khai thác chỉ đáp ứng được 60% và đến năm 2035, tỉ

lệ này chỉ còn 34%

Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn

2011-2020, có xét đến 2030 thì vào năm 2011-2020, Việt Nam sẽ nhập khẩu hơn 2.300 MW điện (chiếm 3,1% tổng cơ cấu năng lượng điện), năm

2030 sẽ nhập 7.100 MW (chiếm 4,9% tổng cơ cấu năng lượng điện) Điều này cho thấy quá trình công nghiệp hóa nhanh chóng khiến nguồn cung năng lượng đã không đáp ứng kịp nhu cầu Do đó, bên cạnh việc tìm nguồn lực để sản xuất điện năng thì việc sử dụng có hiệu quả nguồn năng lượng này cũng đóng vai trò hết sức quan trọng Chính vì vậy, một trong những công tác thường xuyên được quan tâm của ngành Điện lực Việt Nam hiện nay là giảm tổn thất điện năng trên hệ thống lưới điện phân phối Hàng năm, một lượng vốn rất lớn được đưa vào lưới điện thông qua các chương trình sửa chữa lớn, sửa chữa thường xuyên để mua sắm, lắp đặt nhiều thiết bị vận hành (tụ bù, thay dây dẫn, thay máy biến áp tổn thất thấp…) nhằm mục đích giảm tổn thất điện năng trên lưới điện Tuy nhiên,

các chương trình này thông thường có nhược điểm đó là: nguồn lực tài chính là nguồn lực hữu hạn nhưng vẫn chưa có những đánh giá chính xác tính hiệu quả của các công trình sửa chữa, nâng cấp lưới nhằm mục đích giảm tổn thất điện năng

Trước nhu cầu thực tiễn trên đây và vị trí công tác của tác giả đề tài, tác giả mong muốn xây dựng một chương trình thể hiện mối tương quan giữa chi phí đầu tư và lợi nhuận thu được từ việc giảm tổn thất Sau đó, tác giả áp dụng vào một phát tuyến 22kV hiện hữu

để xem xét và đề xuất các giải pháp liên quan

Xuất phát từ các lý do nêu trên, đề tài “Nghiên cứu xây dựng chương trình đánh giá hiệu quả các phương án giảm tổn thất điện năng, áp dụng cho lưới điện phân phối thành phố Đà Lạt” được đề xuất nghiên cứu Đây cũng là một vấn đề đang được các cán bộ lãnh đạo, quản lý tại các Điện lực trực thuộc Công ty Điện lực Lâm Đồng quan tâm nghiên cứu

2 Mục đích nghiên cứu

- Xây dựng chương trình tối ưu đa mục tiêu giữa chi phí lắt đặt tụ bù và lợi nhuận từ việc giảm tổn thất công suất trên lưới điện

- Sử dụng chương trình để tính toán cho một phát tuyến 22kV của Điện lực Đà Lạt

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các phương pháp tính toán tổn thất công suất trong đó nhấn mạnh đến phương pháp

bù công suất phản kháng Sau đó sử dụng chương trình MATLAB và MATPOWER để xây dựng chương trình tối

ưu đa mục tiêu

- Áp dụng đối tượng nghiên cứu trên cho một phát tuyến cụ thể là tuyến 22kV thuộc khu vực Thành Phố Đà Lạt

4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu, sách báo, giáo trình,…viết về vấn đề tính toán xác định tổn thất công suất và các cấu trúc câu lệnh trong chương trình MATLAB, MATPOWER

- Phương pháp thực nghiệm: Áp dụng chương trình đã xây dựng để tính toán các phương án bù công suất phản kháng trong đó có so sánh kết quả với chương trình PSS/ADEPT

- Chương 2: Lý thuyết xây dựng bài toán tối ưu đa mục tiêu

- Chương 3: Xây dựng chương trình tính toán đa mục tiêu bù công suất phản kháng cho lưới điện phân phối

- Chương 4: Áp dụng chương trình tính toán đa mục tiêu bù công suất phản kháng cho lưới điện phân phối tại thành phố

Đà Lạt

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI &TỔN THẤT TRÊN LƯỚI ĐIỆN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Tổng quan về lưới điện phân phối

1.1.

Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây truyền tải và phân phối được nối với nhau thành một hệ thống thống nhất làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng Theo mục đích nghiên cứu, hệ thống điện được chia thành các phần hệ thống như:

- Lưới hệ thống 500kV

- Lưới truyền tải (35, 110, 220kV)

- Lưới phân phối trung áp (6, 10, 22, 35kV)

- Lưới phân phối hạ áp (0,4kV)

Đặc điểm lưới điện phân phối

áp giảm dưới mức cho phép và tăng TTĐN trên dây dẫn

- Máy biến áp vận hành non tải hoặc không tải sẽ không phù hợp với hệ thống đo đếm dẫn tới TTĐN cao

- Máy biến áp vận hành quá tải do dòng điện tăng cao làm phát nóng cuộn dây và dầu cách điện của máy dẫn đến tăng

tổn thất điện năng trên máy biến áp đồng thời gây sụt áp và làm tăng TTĐN trên lưới điện phía hạ áp

- Tổn thất do thiết bị cũ, lạc hậu: các thiết bị cũ thường có hiệu suất thấp, máy biến áp là loại có tỷ lệ tổn thất cao hoặc vật liệu lõi từ không tốt dẫn đến sau một thời gian vận hành tổn thất có xu hướng tăng lên

- Nhiều thành phần sóng hài của các phụ tải công nghiệp tác động vào các cuộn dây máy biến áp làm tăng TTĐN

- Tổn thất dòng rò: Sứ cách điện, chống sét van và các thiết bị không được kiểm tra, bảo dưỡng hợp lý dẫn đến dòng rò, phóng điện

- Đối với hệ thống nối đất trực tiếp, lặp lại không tốt dẫn đến TTĐN sẽ cao

- Hành lang tuyến không đảm bảo: không thực hiện tốt việc phát quang, cây mọc chạm vào đường dây gây dòng rò hoặc

sự cố

- Hiện tượng quá bù, hoặc vị trí và dung lượng bù không hợp

lý

- Tính toán phương thức vận hành không hợp lý, để xảy ra sự

cố dẫn đến phải sử dụng phương thức vận hành bất lợi và TTĐN tăng cao

- Vận hành không đối xứng liên tục dẫn đến tăng tổn thất trên dây trung tính, dây pha và cả trong máy biến áp, đồng thời cũng gây quá tải ở pha có dòng điện lớn

- Vận hành với hệ số cosφ thấp do phụ tải có hệ số cosφ thấp, thực hiện lắp đặt và vận hành tụ bù không phù hợp Cosφ thấp dẫn đến tăng dòng điện truyền tải hệ thống và tăng

TTĐN

- Các điểm tiếp xúc, các mối nối tiếp xúc kém nên làm tăng nhiệt độ, tăng TTĐN

- Hiện tượng vầng quang điện: đối với đường dây điện áp cao

từ 110kV trở lên xuất hiện hiện tượng vầng quang điện gây TTĐN

- Chế độ sử dụng điện không hợp lý: công suất sử dụng của nhiều phụ tải có sự chênh lệch quá lớn giữa giờ cao điểm và thấp điểm

Tổn thất thương mại

1.3.2.

- Các thiết bị đo đếm như công tơ, TU, TI không phù hợp với tải có thể quá lớn hay quá nhỏ hoặc không đạt cấp chính xác yêu cầu, hệ số nhân của hệ thống đo không đúng, các tác động làm sai lệch mạch đo đếm điện năng, gây hỏng hóc công tơ, các mạch thiết bị đo lường, …

- Sai sót khâu quản lý: TU mất pha, TI, công tơ hỏng chưa kịp

xử lý, thay thế kịp thời, không thực hiện đúng chu kỳ kiểm định và thay thế công tơ định kỳ theo quy định của Pháp lệnh

đo lường, đấu nhầm, đấu sai sơ đồ đấu dây, … là các nguyên nhân dẫn đến đo đếm không chính xác gây TTĐN

- Sai sót trong nghiệp vụ kinh doanh: đọc sai chỉ số công tơ, thống kê tổng hợp không chính xác, bỏ sót khách hàng, …

- Không thanh toán hoặc chậm thanh toán hóa đơn tiền điện

- Sai sót thống kê phân loại và tính hóa đơn khách hàng

- Sai sót trong khâu tính toán xác định tổn thất kỹ thuật

Bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối

1.4.

Bù công suất phản kháng

1.4.1.

Công suất phản kháng do phụ tải yêu cầu mang thuộc tính cảm,

để sinh ra từ trường cần thiết cho quá trình chuyển đổi điện năng, từ trường xoay chiều cần một điện năng dao động đó là công suất phản kháng có tính cảm Q Điện năng của từ trường dao động dưới dạng dòng điện, khi đi trên dây dẫn nó gây tổn thất điện năng và tổn thất điện áp không có lợi cho lưới điện

nhưng về điện áp thì nó làm tăng điện áp ở nút tải so với nguồn (tổn thất điện áp âm) Vì thế khi đặt bù cũng phải tránh không gây quá bù (QC¬>Q)

Yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế

Chương này trình bày các lý thuyết cơ bản về tổn thất điện năng

và nêu ra phương pháp giảm tổn thất xuyên suốt đề tài này đó là sử dụng phương pháp bù công suất phản kháng cho lưới điện Đây là cơ

sở bước đầu để xây dụng chương trình tối ưu sẽ được trình bày trong các chương sau Chương tiếp theo sẽ trình bày một số khái niệm về bài toán tối ưu đa mục tiêu để có cơ sở xây dựng chương trình

fi: Rn → R với i=1 k là các hàm mục tiêu

Đặt Y= {y= (f1(x)…fk(x)) ϵ Rk} là không gian hàm mục tiêu

Tối ưu Pareto

Hình 2.3 Ví dụ về đường cong Pareto

Thuật toán NSGA-II

2.3.

Thuật toán di truyền sắp xếp không thống trị (NSGA-II) được biết như là một kỹ thuật hiệu quả để tìm kiếm tập hợp tối ưu Pareto trong bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu chung

Ưu điểm của phương pháp này đó là:

- Độ phức tạp thấp O(MN2) trong đó M là số mục tiêu và N là kích thước quần thể

- Tính ưu việt: Bảo tồn tính ưu việt cho các giải pháp để đảm bảo sự hội tụ

- Sự đa dạng: Duy trì sự đa dạng của các giải pháp

- Sự lan tỏa phủ rộng trong không gian tìm kiếm

Kết quả giả lập giải các bài toán khó, cho thấy NSGA-II luôn tìm được các giải pháp phủ rộng hơn và hội tụ gần với biên “Pareto tối

ưu thực” hơn so với các thuật toán tân tiến khác Trong thuật toán NSGA-II, tính ổn định của kết quả và độ mịn của biên Pareto xấp xỉ phụ thuộc vào điều kiện dừng – tức là số lượng thế hệ tối đa cần đạt đến

Kết luận chương 2

2.4.

Chương này đã trình bày hai khái niệm cơ bản để xây dựng chương trình tối ưu đó là khái niệm tối ưu Pareto và thuật toán di truyền NSGA-II Với việc sử dụng đường cong Pareto thì kết quả tối

ưu thu được sẽ là một tập hợp các kết quả của vấn đề đã đưa ra Chương tiếp theo trình bày về công cụ chính để thực hiện chương trình tối ưu đó là MATLAB và MATPOWER

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐA MỤC TIÊU

BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƯỚI ĐIỆN

PHÂN PHỐI Tổng quan về chương trình

3.1.

Chương trình được xây dựng nhằm mục đích vẽ được đường cong Pareto trên cơ sở lý thuyết thuật toán tối ưu NSGA II để xác định một tập các điểm bù công suất phản kháng mang lại những hiệu quả khác nhau như cực tiểu tổn thất điện năng, cực tiểu chi phí lắp đặt, cực tiểu thiết bị sử dụng, tối đa hóa lợi nhuận về kinh tế Chương trình được viết trên phần mềm MATLAB dựa vào hàm tối

ưu đa mục tiêu và chương trình tính toán phân bố công suất MATPOWER

Để đảm bảo tính đúng đắn, người thực hiện luận văn đã tham khảo chương trình tính toán tương tự được thực hiện trên lưới điện mẫu 16 nút IEEE do hai sinh viên Văn Ngọc Thắng và Phạm Quí Nin là sinh viên lớp 13DCLC thuộc khoa Điện trường đại học Bách khoa Đà Nẵng thực hiện tháng 12/2017 Tuy nhiên, chương trình đã khắc phục thêm một số nhược điểm của chương trình trước đây để phù hợp với thực tế vận hành tại Công ty điện lực Lâm Đồng đó là:

- Giao tiếp với người dùng bằng giao diện đơn giản với các nút điều khiển và màn hình hiển thị

- Chương trình áp dụng linh động với nhiều lưới điện khác nhau Chương trình trước đây nếu muốn áp dụng cho các lưới điện khác phải thay đổi nhiều đoạn lệnh gây khó khăn cho người sử dụng

- Người dùng không cần hiểu lập trình MATLAB và việc

nhập liệu đơn giản hơn thông qua mẫu file excel quy định trước

- Chương trình sẽ bù theo gam tụ bù là 150 kVar, đây là thiết

bị vật tư có sẵn và dễ dàng mua trên thực tế

- Các thông số về kinh tế khi tính toán bù công suất phản kháng sẽ do người dùng quy định

- Việc tính toán phân bố công suất sẽ được thể hiện kết quả bằng thông báo của chương trình để người dùng thuận tiện

so sánh, đối chiếu khi cần

- Kết quả thể hiện được tự động chuyển đổi sang file excel để người sử dụng thuận lợi trong việc đọc và phân tích kết quả

Giới thiệu về chương trình PSS/ADEPT

tối ưu trên lưới điện

Nhận xét về bài toán CAPO của phần mềm PSS/ADEPT 3.2.3.

Qua các bước phân tích việc tính toán bài toán CAPO trên PSS/DEPT tác giả nhận thấy có một điểm hạn chế đó là: Phần mềm chỉ tìm ra một điểm tối ưu, chưa thể xác định các mối quan hệ giữa điểm tối ưu này với các thông số khác, như bài toán bù kinh tế mới chỉ xét đến một mục tiêu là lợi nhuận kinh tế

Trong thực tế hiện nay, việc cân bằng giữa các nguồn vốn để phục vụ cho công tác giảm tổn thất là vấn đề thực sự khó khăn cho các Công ty Điện lực, trong đó có Công ty Điện lực Lâm Đồng Với một nguồn vốn có hạn và phải dàn trải cho nhiều công tác khác trong khi kết quả tính toán của PSS/ADEPT không cho đơn vị có thêm lựa

chọn nào để cân đối chi phí

Từ hạn chế đó, tác giả luận văn đề xuất xây dựng một chương trình thay thế cho module CAPO của phần mềm nhằm mục đích thực hiện tối ưu hóa việc lắp đặt tụ bù và giải quyết các vấn đề trong thực

tế của lưới điện phân phối Chương trình sẽ chuyển bài toán CAPO

từ đơn mục tiêu là tối đa hóa lợi nhuận thành bài toán đa mục tiêu cho chi phí lắp đặt và chi phí thu được từ giảm tổn thất Trong phạm

vi của luận văn này, tác giả đi sâu nghiên cứu về việc giải quyết bài toán đa mục tiêu trên cho công tác lắp đặt tụ bù cho lưới điện phân phối, với phụ tải là cố định và không thay đổi theo thời gian

Giới thiệu về phần mềm MATLAB

tụ bù cố định và tụ bù ứng động sao cho việc lắp đặt tụ bù mang lại giá trị lợi ích kinh tế

Đối với các phần mềm này, việc phân tích các bài toán đa mục tiêu không thể giải được Trong khi đó, trong tính toán thiết kế cũng như vận hành, các bài toán tối ưu đa mục tiêu cần được sử dụng, đơn

cử như việc tìm ra các mối quan hệ giữa các mục tiêu cực tiểu tổn thất điện năng nhưng cực tiểu chi phí sẽ giúp ích nhiều cho ngành điện trong thực tế tính toán phương án giảm tổn thất điện năng Chính vì vậy, luận văn đề xuất xây dựng chương trình tối ưu đa mục tiêu trên phần mềm MATLAB

Phần mềm tính toán tối ưu gồm có hai phần:

- Phần tính toán phân bố công suất: sử dụng module MATPOWER tích hợp trong MATLAB

- Thuật toán tối ưu: sử dụng hàm tối ưu đa mục tiêu

“gamultiobj” trên cơ sở lí thuyết thuật toán di truyền (thuật toán NSGA II) được xây dựng trong MATLAB

Trong đề tài này, tác giả quan tâm đến hai hàm mục tiêu kinh tế là: Z1: chi phí đầu tư, vận hành khi lắp đặt tụ bù

𝑍1= 𝑄𝑐 (𝐾𝑙𝑚+ 𝑁𝑒 𝐾𝑣ℎ) (3.2) Z2: số tiền thu được lợi do giảm tổn thất công suất khi lắp đặt tụ

bù

𝑍2 = 𝑁𝑒 ∫ (𝑐0𝑇 𝑃 𝛿𝑃 + 𝑐𝑄 𝛿𝑄 )𝑑𝑡 (3.3)

Trong đó:

Klm: chi phí lắp đặt tụ mới (đ/kVar)

Qc: dung lượng bù cần lắp mới (kVAr)

Kvh: chi phí vận hành, bảo dưỡng tụ bù (đ/kVar/năm)

Ne: đại lượng thời gian tương đương