Giải pháp tự phục hồi trong lưới điện phân phối

Và giải pháp phân vùng lưới điện thành các hệ thống điện nhỏ có khả năng tự cung tự cấp, để nâng cao độ tin cậy cấp điện - Áp dụng các hàm toán học fmincon, minlp nhằm giải bài toán tối

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN PHI TRIỀU

GIẢI PHÁP TỰ PHỤC HỔI TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Chuyên nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đanh giả luận văn thạc sĩ gồm: (Ghỉ rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khỉ luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN PHI TRIỀU

Ngày, tháng, năm sinh: 17/11/1991

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

I TÊN ĐỀ TÀI: GIẢI PHÁP TỰ PHỤC HỒI TRONG LƯỚI ĐỆN PHÂN PHỐI

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng quan về lưới điện thông minh tại Việt Nam

- Giới thiệu các giải pháp tự phục hồi tối ưu trong lưới điện phân phối Và giải pháp phân vùng lưới điện thành các hệ thống điện nhỏ có khả năng tự cung tự cấp, để nâng cao độ tin cậy cấp điện

- Áp dụng các hàm toán học fmincon, minlp nhằm giải bài toán tối ưu nguồn phát trong chế độ bình thường, và trong chế độ sự cố đầu nguồn cho lưới điện phân phối chỉnh sửa IEEE-69 nút

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Văn Liêm

Mã số: 60520202

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, đề tài “Giải pháp tự phục hồi lưới điện phân phối” đến nay đã được hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn sự chỉ dẫn nhiệt tình, đầy

tâm huyết của thầy TS Nguyễn Vãn Liêm đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm

quý báu trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Bên cạnh đó, em cũng xin cảm ơn tới tất cả quý thầy cô trong Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã giảng dạy, truyền đạt nhiều kiến thức bổ ích trong suốt thời gian em học tập tại trường

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, hỗ trợ và tạo điều kiện trong quá trình học tập, công tác, cũng như trong thời gian thực hiện luận văn

ỉỉỉ

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Phát triển lưới điện thông minh là xu thế tất yếu, sẽ thay đổi và hoàn thiện lưới điện truyền thống, nó không những giảm chi phí sản xuất điện, tối ưu trạng thái vận hành trong lưới điện, mà còn cải thiện, nâng cao độ tin cậy, có khả năng dự báo, phát hiện và khắc phục nhanh sự cố Đe tài luận văn “Giải pháp tự phục hồi trong lưới điện phân phối” phân tích, tính toán công suất phát tối ưu trong chế độ vận hành, đồng thời, đưa

ra giải pháp tự phục hồi lưới điện thông qua giải pháp sa thải phụ tải tối thiểu mà vẫn đảm bảo những ràng buộc về chất lượng điện năng

ABSTRACT

Development of the smart electricity grid is the vital trend, that would change the traditional distribution system positively This technology not only reduces the power generation costs but also optimizes the operation mode as well as improve and strenghthen the reliability of the system In addition, the smart grid can predict, detect

and correct the fault immediately The thesis '''The self-healing system solution in the

distribution networks” aims to analyze and calculate the optimum power output in the

operation mode as well as propose the self-healing system solution through the shedding with a fully responde the requirement of power quality constraints

load-iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn

khoa học của thầy TS Nguyễn Vãn Liêm Các kết quả nêu trong Luận văn chưa được

công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các số liệu, ví dụ và trích dẫn trong luận văn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực

Tôi xin chân thành cảm ơn

Học viên

Nguyễn Phi Triều

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1-1

1.1 Lý do chọn đề tài 1-1 1.2 Mục tiêu 1-1 1.3 Phạm vi nghiên cứu 1-2 1.4 Ý nghĩa khoa học 1-2

CHƯƠNG 2 TÔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH 2-1

2.1 Tổng quan luới điện thông minh 2-1 2.2 Đặc điểm chính của luới điện thông minh 2-1 2.3 Các vấn đề khi phát triển luới điện thông minh 2-2

2.3.1 Đầu tu nâng cấp hạ tầng đo đếm thông minh 2-2 2.3.2 Ảnh huởng khi tích hợp nguồn DG vào hệ thống điện 2-3 2.3.3 Tụ khắc phục trong luới điện 2-3

2.4 Tóm tắt 2-4

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU GIẢI PHÁP Tự PHỤC HỒI LƯỚI ĐIỆN 3-1

3.1 Giới thiệu chung 3-1 3.2 Mô hình tụ phục hồi luới điện phân phối 3-6

3.2.1 Mô hình cấu trúc phân tán 3-7 3.2.2 Mô hình cấu trúc bán tập trung 3-8 3.2.3 Mô hình cấu trúc tập trung 3-8

3.3 Các giải pháp tụ phục hồi luới điện 3-9 3.4 Tóm tắt 3-12

CHƯƠNG 4 GIẢI PHÁP PHỤC HỒI LƯỚI ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP

PHẦN VÙNG THÀNH NHIỀU HỆ THỐNG ĐIỆN NHỎ 4-1 4.1 Giới thiệu 4-1

vi

4.2 Mô hình thuật toán 4-2 4.3 Thông số đầu vào hệ thống 4-5 4.4 Công thức tối ưu hệ thống 4-8

4.4.1 Tối ưu trong chế độ vận hành bình thường 4-8 4.4.2 Tối ưu trong chế độ sự cố 4-10

CHƯƠNG 6 SỬ DỤNG HÀM MINLP TRONG CHẾ ĐỘ SỰ CỐ 6-1

6.1 Giới thiệu về bài toán MINLP 6-1 6.2 Các phương pháp giải bài toán MINLP 6-2

6.2.1 DICOPT 6-2 6.2.2 MINLP_BB 6-2 6.2.3 BONMIN 6-2

6.3 Chế độ sự cố 6-3 6.4 Kết luận 6-14

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 7-1 CHƯƠNG 8 THAM KHẢO 8-1

7

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 - Bảng kế hoạch chỉ số độ tin cậy của EVN SPC 3-3 Hình 2 - Mô hình cấu trúc phân tán của Schneider Electric 3-9 Hình 3 - So sánh giải pháp “Tự động mạch vòng thông thường” và “Tự động mạch vòng

thông minh” 3-10

Hình 4 - Mô hình tối ưu hệ thống trong 2 chế độ bình thường và sự cố trong hệ thống điện

4-4

Hình 5 - Hệ thống điện 69 nút hiệu chỉnh 4-5

Hình 6 - Mô tả phân bố công suất tại nút i 4-9

Hình 7 - Biểu đồ điện áp nút tại chế độ bình thường 5-4 Hình 8 - Sơ đồ sự cố 69-nút hiệu chỉnh 6-4 Hình 9 - Biểu đồ điện áp nút tại chế độ sự cố THI 6-6 Hình 10 - Biểu đồ điện áp nút tại chế độ sự cố TH2 6-10 Hình 11 - Biểu đồ điện áp nút tại chế độ sự cố TH3 6-13

8

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Hệ số hàm muc của công suất tác dụng và phản kháng 4-2 Bảng 2 - Dữ liệu nhánh và nút tải hệ thống IEEE-69 nút hiệu chỉnh 4-5 Bảng 3 - Dữ liệu nguồn phát trong hệ thống IEEE - 69 nút hiệu chỉnh 4-8 Bảng 4 - Kết quả phân bố công suất tại chế độ bình thường 5-2 Bảng 5 - Kết quả phân bố công suất tại chế độ sự cố (THI: công suất nguồn lớn hơn công

suất tải) 6-4

Bảng 6 - Kết quả phân bố công suất tại chế độ sự cố (TH2: công suất nguồn nhỏ hơn

công suất tải) 6-7

Bảng 7 - Chỉ số ưu tiên tại các nút quan trọng 6-10 Bảng 8 - Kết quả phân bố công suất có xét thứ tự ưu tiên tại chế độ sự cố ( TH3 - sa thải

phụ tải xét mức độ ưu tiên) 6-11

9

DANH MỤC TỪ VIẾT TẤT

kiếm giá trị tối thiểu cuả hàm đa biến ràng buộc phi tuyến

Trang 1-1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, hệ thống điện Việt Nam đang dần chuyển từ lưới điện truyền thống sang lưới điện thông minh với công nghệ hiện đại theo [1] nhằm mục tiêu:

> Nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện;

> Góp phần trong công tác quản lý nhu cầu điện, khuyến khích sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả;

> Tạo điều kiện nâng cao năng suất lao động, giảm nhu cầu đầu tư vào phát triển nguồn và lưới điện;

> Tăng cường khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế - xã hội bền vững

Để đạt được mục tiêu trên, cần thiết phải đầu tư xây dựng hệ thống các thiết bị phần cứng

để đo lường, điều khiển, truyền thông cũng như hệ thống phần mềm nhằm tính toán, vận hành tối ưu hệ thống, tối ưu sự phối hợp từ nguồn phát, truyền tải, phân phối và khách hàng

Vì lưới điện phân phối là khâu cuối cùng, đưa điện năng tới khách hàng, là mắt xích quan trọng phản ánh rõ chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện và đánh giá được mức

độ hài lòng của khách hàng tốt nhất

Do đó, công việc giám sát, điều khiển, vận hành lưới điện phân phối nhằm đảm bảo cung cấp điện ổn định, đáp ứng đủ nhu cầu điện phát triển kinh tế xã hội, đồng thời giảm số lần và thời gian mất điện, giảm tổn thất điện năng là nhu cầu cấp thiết cho các Tổng Công ty Điện lực ngày nay

1.2 Mục tiêu

Đề tài ’’Giải pháp tự phục hồi trong lưới điện phân phối” được nghiên cứu nhằm mục đích đưa ra giải pháp tối ưu lợi ích kinh tế, đảm bảo cung cấp điện trong chế độ vận hành

Trang 1-2

bình thường của lưới phân phối Đồng thời trong chế độ sự cố,vẫn đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, mà vẫn duy trì cưng cấp điện, hạn chế tối đa số lượng khách hàng mất điện

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là lưới điện phân phối đã được xây dựng hệ thống giám sát

từ xa, có khả năng truyền thông về hệ thống trưng tâm Đồng thời, hệ thống điện đã xuất hiện các nguồn phát phân tán (Ditribution Generator), và ứng dụng với số lượng tương đối lớn, được bố trí gần các khu vực trung tâm phụ tải

1.4 Ý nghĩa khoa học

Đề tài sử dụng các hàm toán như fmincon, minlp nhằm mục đích cực tiểu giá trị sản xuất điện (trong chế độ vận hành bình thường); cực tiểu giá trị độ lệch điện áp và mức độ sa thải phụ tải mà vẫn thỏa mãn được các ràng buộc trong vận hành hệ thống điện Từ đó,

có các chiến lược, phương án cụ thể để vận hành lưới điện ổn định kinh tế, đồng thời tự khắc phục nhanh sự cố

Trang 2-1

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VÈ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH

2.1 Tổng quan lưới điện thông minh

Lưới điện thông minh, theo [2] được định nghĩa là : là một lưới điện hoàn toàn tự động,

mà mỗi thiết bị trên lưới đều có thể được giám sát thời gian thực (real-time) Nhờ vào sự phát triển của các thiết bị điện tử thông minh, truyền thông băng thông rộng, và tích hợp điều khiển tự động, mà lưới điện thông minh có thể đảm bảo việc điều khiển, quản lý trực tuyến thời gian thực, cũng như dự báo, phát hiện các sự cố

Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, là áp lực cung cấp điện cho các khách hàng ổn định, tăng độ tin cậy cung cấp điện, tăng chất lượng điện năng Vì thế, việc xây dựng lưới điện thông minh nhằm đạt được các mục tiêu trên là xu thế phát triển tất yếu của lưới điện Việt Nam

2.2 Đặc điểm chính của lưới điện thông minh

Theo [3], đặc điểm chính của lưới điện thông minh có thể tóm tắt qua 7 đặc điểm chính sau:

• Tự phục hoi (Self-healing) : liên tục đánh giá trạng thái của lưới để giám sát tình trạng hoạt động của lưới điện và sử dụng các phương pháp điều khiển phòng ngừa để phát hiện, chẩn đoán và loại bỏ các sự cố tiềm ẩn đúng lúc Khi sự cố xảy ra, lưới điện sẽ nhanh chóng phát hiện, cô lập sự cố, tự động phục hồi và đưa hệ thống điện về trạng thái bình thường

• Tương tác (Interactive) : Smart Grid có thể nhận ra được kết nối liên tục giữa

hệ thống và thị trường điện Nó có thể hỗ trợ việc bán điện thương phẩm hiệu quả, tối ưu hóa công suất nguồn phát và gia tăng mức độ tin cậy lưới điện

• Tối ưu hóa (Optimized) : dễ dàng nhận thấy rằng lưới điện thông minh sử dụng rất nhiều thiết bị giám sát, điều khiển sẽ tối ưu hóa các kế hoạch quản lý tài sản, xây dựng, bảo trì bên cạnh đó, việc kiểm tra và vận hành các thiết bị một cách hợp lý giúp tiết kiệm chi phí vận hành, bảo dưỡng và đầu tư

• Tương thích (Compatible) : lưới điện thông minh phù hợp với nhu cầu nguồn

Trang 2-2

phát tập trưng hoặc phân tán Ngoài ra, nó còn tương thích với các nguồn năng lượng mới như máy phát điện gió, điện mặt trời, làm cho lưới điện và phát triển môi trường hài hòa, hợp lý hơn

• Tích hợp ( Integrated) : thông qua quá trình tối ưu hóa liên tục và tích hợp thông tin, lưới điện thông minh có thể tích hợp các chương trình quản lý doanh nghiệp, quản lý sản phẩm Giúp nâng cao hiệu quả quản lý doanh nghiệp Hệ thống truyền thông tích hợp cho phép thu thập thông tin, kiểm soát và trao đổi

dữ liệu theo thời gian thực để tối ưu hóa độ tin cậy của hệ thống, sử dụng tài sản, và an ninh

• An toàn (Safety) : nó có thể chống lại được một cách hiệu quả các tác nhân vật

lý trong lưới điện (đứt dây, sự cố) và các cuộc tấn công mạng hệ thống máy tính

• Chất lượng cao (high-quality) : chất lượng điện cung cấp cho khách hàng được đảm bảo hiệu quả, nhờ có các thiết bị giám sát và điều khiển một cách linh hoạt, nên điện áp và dòng điện luôn được duy trì trong giới hạn cho phép trong vận hành

2.3 Các vấn đề khi phát triển lưói điện thông minh

2.3.1 Đầu tư nâng cấp hạ tầng đo đếm thông minh

Phát triển hệ thống đo đếm thông minh AMI - Advanced Metering Infrastructure là một trong những yếu tố căn bản, và quan trọng trong việc phát triển lưới điện thông minh AMI

là một tập hợp các thiết bị đo đếm có tính chính xác, độ tin cậy cao, có khả năng truyền thông để giám sát các thiết bị điện từ xa Tuy nhiên, do hệ thống AMI tiếp cận, giám sát tới từng hộ khách hàng, nên cấu trúc rất phức tạp, đa dạng Đồng thời, môi trường nguy hiểm của sự phát triển hệ thống truyền thông sẽ làm cho hệ thống AMI dễ bị tấn công, và làm thay đổi dữ liệu trên hệ thống Vì thế, an ninh trong hệ thống đo đếm là một vấn đề cần quan tâm khi phát triển lưới điện thông minh

2.3.2 Ảnh hưởng khi tích hợp nguồn DG vào hệ thống điện

Trong lưới điện truyền thống, các nguồn điện thường được đầu tư với công suất cao, quy

Trang 2-3

mô lớn, chiếm nhiều diện tích nên thường được xây dựng tại các vùng xa trưng tâm phụ tải Do truyền tải đi xa, nên tổn thất điện năng trên lưới truyền tải là rất lớn, đồng thời khi lưới điện xảy ra sự cố thì khó phục hồi và thời gian sửa chữa chậm

Sự phát triển lưới điện thông minh cùng với của khoa học công nghệ hiện đại, và sự ra đời của các nguồn năng lượng sạch, bảo vệ môi trường, chi phí sản xuất thấp, công suất nhỏ, diện tích nhỏ, thời gian xây dựng nhanh, bố trí gần khu vực trung tâm phụ tải nên góp phần khắc phục các nhược điểm của lưới điện truyền thống

Tuy nhiên các nguồn điện này thường có đầu vào không ổn định như ánh nắng (điện mặt trời), gió (phong điện), giá dầu diesel (nhiệt điện) gây khó khăn trong việc hòa lưới Bên cạnh đó, do chi phí sản xuất điện của các nguồn điện phân tán thường lớn hơn chi phí của các nguồn phát truyền thống (thủy điện), nên tối ưu chi phí nguồn phát là một trong những bài toán quan tâm của lưới điện thông minh

2.3.3 Tự khắc phục trong lưói điện

Để lưới điện có thể hoạt động hiệu quả, tin cậy, lưới điện thông minh cần có đặc điểm tự khắc phục Với chế độ này, khi xuất hiện sự cố, nó có thể tự tính toán khoanh vùng sự cố, đồng thời, tự khôi phục cung cấp điện cho những vùng không bị sự cố, giảm khu vực mất điện tối đa, đảm bảo hệ thống ổn định

Trong những năm gần đây, có nhiều giải thuật được phát triển nhằm giải quyết vấn đề cấu hình lại các ngăn lộ ra để tự khôi phục hệ thống, cấu hình hệ thống phân phối để giảm tổn thất lần đầu được đưa ra bởi Merlin and Back Họ sử dụng phương pháp tối ưu nhánh và biên để xác định cấu hình tổn thất tối thiểu Sau đó, là hàng loạt các giải thuật khác ra đời bao gồm : giải thuật di truyền ( genetic algorithm), đánh giá kinh nghiệm (heuristic), simulated annealing, tối ưu bầy đàn (Particle swarm) và trí thông minh nhân tạo (artificial intelligence),

2.4 Tóm tắt

Tự phục hồi là một trong những đặc điểm quan trọng hệ thống lưới điện phân phối thông minh, nó sử dựng các giải thuật thông minh nhằm ngăn ngừa sự cố, và đồng thời giải trừ các sự cố trên lưới điện khi xảy ra Đặc biệt, khi xuất hiện các sự cố lớn, gần đầu máy cắt

Trang 2-4

phát tuyến, hệ thống có khả năng cô lập sự cố, và tự phục hồi lưới điện bằng cách tạo nhiều vùng hệ thống điện nhỏ tự cung tự cấp, để cung cấp điện tới nhiều khách hàng có thể, mà vẫn đảm bảo hệ thống được ổn định và tin cậy

Trang 3-1

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU GIẢI PHÁP Tự PHỤC HÒI LƯỚI

3.1 Giói thiệu chung

Để có thể đánh giá được mức độ tin cậy của lưới điện, ta sử dụng các chỉ số như SAIDI, SAIFI, MAIFI: trong đó

- SAIDI (System Average Interruption Duration Index) là chỉ số về thời gian mất điện trung bình của lưới điện Nó được tính bằng tổng thời gian mất điện kéo dài của các khách hàng sử dụng điện chia cho tổng số khách hàng sử dụng điện, theo công thức sau:

(1)

- SAIFI (System Average Interruption Frequency Index) Chỉ số về số lần mất điện trung bình của lưới điện phân phối Nó được tính bằng tổng số khách hàng bị mất điện kéo dài chia cho tổng khách hàng sử dụng điện trong một khu vực, theo công thức sau:

(2)

- MAIFI (Momentary Average Interruption Frequency Index) Chỉ số về số lần mất điện thoáng qua trung bình của lưới điện phân phối MAIFI được tính bằng tổng số khách hàng bị mất điện thoáng qua chia cho tổng số khách hàng

sử dụng điện, theo công thức sau Trong đó, ta có các định nghĩa như sau:

K

Trang 3-2

- Thời gian sự cố là khoảng thời gian từ lúc bắt đầu xảy ra sự cố (thiết bị đóng

cắt mở tự động) cho tới lúc khôi phục được tình trạng cấp điện ban đầu cho phụ tải hoặc các thiết bị sự cố

- Sự cố thoáng qua là sự cố có thời gian sự cố nhỏ hơn hoặc bằng 01 phút

- Sự cổ kéo dài là sự cố có thời gian sự cố lớn hơn 01 phút

- Mất điện: Bao gồm mất điện do sự cố; mất điện do ngừng cung cấp điện theo

kế hoạch; ngừng giảm cung cấp điện ngoài kế hoạch, mất điện khác từ lưới 1 lOkV, mất điện từ lưới công ty truyền tải và các mất điện không xét đến khi tính toán các chỉ số độ tinh cậy

- Mất điện thoáng qua là mất điện với thời gian mất điện nhỏ hơn hoặc bằng 05

phút (áp dụng tính SAIDI, SAIFI và MAIFI)

- Mất điện kéo dài là mất điện với thời gian mất điện lớn hơn 05 phút(áp dụng

tính SAIDI, SAIFI và MAIFI);

- Ti: Thời gian mất điện kéo dài trên 05 phút lần thứ i

- Ki: Số khách hàng sử dụng điện bị ảnh hưởng bởi lần mất điện kéo dài trên 05

phút lần thứ i

- n: Số lần mất điện kéo dài trên 05 phút (tính SAIDI, SAIFI);

- K: Tổng số khách hàng sử dụng điện của đơn vị phân phối hoặc của khu vực

tính toán

- Li: số khách hàng sử dụng điện bị ảnh hưởng bởi lần mất điện thoáng qua

không quá 05 phút lần thứ i

- m: Số lần mất điện thoáng qua không quá 05 phút

Theo [4], lưới điện trung thế của miền Nam do EVN SPC quản lý có tổng cộng 1161 tuyến trung thế, với chiều dài là 52.922km đang vận hành cấp 22kV, chủ yếu là 3 pha 4 dây Tổng số phát tuyến được bọc hóa là 52 tuyến, tổng chiều dài bọc hóa là 1400,3km chiếm 2,6% tổng chiều dài quản lý

Theo đó, tổng hợp tất cả các trường hợp mất điện do sự cố lưới điện và kế hoạch công tác

là SAIDI=2088 phút, SAIFI=6,78 ; MAIFI= 0,336 Trong đó yếu tố sự cố là SAIDI=33,2 phút chiếm tỉ lệ 1,6%; SAIFI=0,577 - chiếm tỉ lệ 8,5% và MAIFI=0,181 chiếm tỉ lệ 53,9%

Trang 3-3

Theo [5] các chỉ tiêu nâng cao hiệu quả kinh doanh trong tiến tới năm 2020 như

sau:

Hình 1 - Bảng kế hoạch chỉ số độ tin cậy của EVN SPC

- SAIFI từ 6,78 lần giảm còn 5,27 lần năm 2020, giảm 22%

Do đó, vấn đề nâng cao độ tin cậy, giảm thời gian khắc phục sự cố mất điện, cho khách hàng và giảm tổn thất điện năng là một trong những yếu tố quan trọng nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cung ứng điện Trong đó, giải pháp tự phục hồi lưới điện là một trong những phương pháp hiệu quả để cải thiện vấn đề mất điện, nâng cao độ tin cậy, và chất lượng điện cung cấp cho khách hàng sử dụng

Đối với lưới điện phân phối ngày nay, các giải pháp đã áp dụng để nâng cao độ tin

- ứng dụng hệ thống đo ghi, giám sát từ xa; sử dụng hệ thống quản lý GIS

- Xây dựng hệ thống thông tin khách hàng

- Xây dựng hệ thống quản lý sự cố mất điện

Lưới điện thông minh được áp dụng trong Tổng Công ty Điện lực miền Nam, điển hình như 1 số Công ty Điện lực : Vĩnh Long, Bến Tre, Đồng Tháp, Sóc Trăng Tuy nhiên, chỉ dừng lại ở mức giám sát và thu thập số liệu từ xa, và chưa thực hiện điều khiển đối với các thiết bị REC, LBS Đồng thời, giao thức kết nối để truyền dữ liệu từ thiết bị về hệ thống trung tâm sử dụng nhiều giao thức khác nhau, không đồng bộ như: IEC 60870-5- 101(PC Vĩnh Long), IEC 60870-5-104 (PC Bến Tre), GSM (PC Đồng Tháp), 3G (PC Sóc Trăng) Hiện nay, nhiều công ty điện lực đã lên kế hoạch trang bị nhiều thiết bị phân đoạn tự động như recloser, LBS trên lưới điện phân phối nhằm hiện đại hóa lưới điện, làm cho lưới điện

có khả năng phân đoạn, cách ly và cô lập sự cố, hạn chế vùng mất điện ở mức tối thiểu Tuy nhiên, các thiết bị này thường đầu tư thiếu đồng bộ, khả năng giao tiếp với nhau và với máy chủ chưa hoàn thiện, việc khai thác đưa vào sử dụng thường mang yếu tố con người, phát hiện sự cố thủ công, thời gian tác động cô lập, phân đoạn sự cố đối với lưới điện nhìn chung còn chậm, và không hiệu quả, gây ảnh hưởng tới chỉ số tin cậy cung cấp điện

Thêm vào đó, ngày nay, các công ty điện lực phải đối mặt với nhiều thách thức mới như

số lượng sự cố tăng thêm và tính chất càng phức tạp, yêu cầu cấp điện liên tục ngày càng lớn nhưng chi phí đầu tư sửa chữa hạn chế, sự gia tăng về số lượng của các thiết bị công suất trong nhà máy, và đặc biệt là sự gia tăng các nguồn phát phân tán trong hệ thống Các nguồn phân tán này gây ảnh hưởng lớn tới lưới điện như

Trang 3-5

sau:

- Gia tăng dòng ngẳn mạch trong hệ thống : Năng lượng từ các nguồn phân tán

làm tăng dòng điện trên lưới, mặt khác, chúng đấu nối song song với lưới, do

đó làm giảm điện trở hệ thống, tăng dòng ngắn mạch Làm cho việc kiểm soát ngắn mạch trở nên phức tạp hơn

- Chat lượng điện năng', do các nguồn phân tán thường có đầu vào là các yếu tố

tự nhiên như (gió, năng lượng mặt trời, ), mà các yếu tố này mang tính chất ngẫu nhiên, không theo quy luật, gây ra đầu ra công suất của các nguồn phát này không được liên tục Vì thế sẽ gây ra các hiện tượng không mong muốn cho lưới điện như: tăng độ nhấp nháy điện áp (flicker), xuất hiện các sóng hài bậc cao với biên độ lớn, gây nhiễu hệ thống tín hiệu

- Biến đổi điện áp phức tạp : Việc kết nối các nguồn phân tán, sẽ làm gia tăng

điện áp tại các điểm kết nối, các lộ đường dây ra Điều này, kéo theo những thay đổi về điện áp tại các điểm còn lại trên lưới

- Tính ổn định lưới điện' Do lưới phân phối mức độ sự cố lớn như ngắn mạch,

sụt áp, đứt dây, biến động tải, sẽ dẫn tới các nhiễu loạn trên lưới , và tác động ngược trở lại các nguồn phân tán, gây hỏng hóc các DG và làm mất nguồn cung cấp cho lưới điện Làm cho lưới điện dễ bị tổn thương, mất ổn định

- Tỉnh chọn lọc của hệ thong : Sự có mặt của các DG sẽ gây tác động đến độ

nhạy và độ chọn lọc của hệ thống bảo vệ chung của hệ thống, làm cho việc phát hiện sự cố trở nên khó khăn hoặc không phát hiện được Khi đó, bất kì một DG nào kết nối vào lưới hiện hữu cần được nghiên cứu để xác định lại hệ thống bảo vệ có làm việc chính xác không

Bên cạnh những hạn chế, nhưng sự góp mặt của các nguồn phân tán lại có thể giúp tăng

độ tin cậy trong lưới điện, nếu như có kế hoạch cụ thể và sự phối hợp với các thiết bị khác trong

hệ thống Vì hệ thống này có thể xem như một nguồn dự trữ cung cấp điện liên tục cho các vùng hệ thống điện nhỏ, và có thể huy động nhanh đặc biệt là các nguồn phát có thể điều độ được như các máy phát diesels Ví dụ, trong trường hợp phụ tải đạt mức cao, và chỉ có 1 mạch cung cấp điện, khi có sự cố xảy ra tại đầu nguồn, thì trong lưới điện truyền thống, toàn bộ các

Trang 3-6

phụ tải phía sau sẽ hoàn toàn bị mất điện, ảnh hưởng rất lớn tới đời sống, và sự phát triển kinh

tế - xã hội khác

Tuy nhiên, với hệ thống tự phục hồi - Self-healing system sẽ khai thác tối ưu các nguồn phân tán, và phát hiện, cô lập sự cố; đồng thời sử dụng nguồn phân tán này để cung cấp điện cho các vùng không bị sự cố

Trong một số trường hợp mất điện diện rộng, hoặc các sự cố lớn hệ thống FLISR thường được tắt do việc thiếu hụt nguồn năng lượng dự phòng hoặc nặng hơn là do tàn phá hạ tầng lưới điện (đặc biệt là các cơn bão, giông lớn) Vì thế, khả năng tự động tách thành các vùng

hệ thống điện nhỏ- micro grid sẽ giúp cho việc cung cấp điện liên tục cho các phụ tải quan trọng

Để có thể tận dụng tối đa cấu trúc tự hồi phục của lưới phân phối, các công ty điện lực cần mạnh dạn đầu tư các thiết bị đóng ngắt vận hành bằng điện thay vì thủ công, và nâng cao

cơ sở hạ tầng đo đếm AMI, để hệ thống tự hồi phục có thể vận hành một cách chính xác nhất

3.2 Mô hình tự phục hồi lưói điện phân phối

Đe thực hiện được đặc tính tự phục hồi cho lưới điện,theo [6] có thể chia ra làm 3 lớp đó là: lớp cơ bản (the base layer), lớp hỗ trợ (the support layer) và lớp ứng dụng (the

application layer)

- Lớp cơ bản: đây là thành phần nền tảng, bắt buộc phải có để thực hiện được lưới điện thông minh và đặc tính tự phục hồi Nó chính là các thiết bị đóng ngắt thông minh, các thiết bị bảo vệ và điều khiển, hệ thống cáp quang và các thiết

Trang 3-7

giám sát, cảnh báo, phát hiện sự cố, điều khiển và tự phục hồi lưới điện Bên cạnh đó, nó còn có thể thực hiện bù công suất phản kháng tối ưu, tái cấu trúc

hệ thống

Có nhiều mô hình phần cứng với mục đích tự phục hồi lưới điện, mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng Tuy nhiên, về cơ bản dựa theo vị trí lắp đặt mạch logic, chúng có thể được phân làm 3 loại như sau : phân tán , bán tập trung và tập trung

3.2.1 Mô hình cấu trúc phân tán

Mạch logic được tích hợp ngay trong máy cắt hoặc RTU Do đó, khi gặp sự cố, các máy cắt gần sự cố nhất sẽ tự động cô lập vùng này, đồng thời đưa tín hiệu đóng máy cắt của lộ

ra xuất tuyến Vì mạch logic được lắp đặt trên thiết bị, nên số lượng thông tin liên lạc, truyền đạt là thấp so với các mô hình khác, nên độ tin cậy cao hơn (không phụ thuộc vào đường truyền), giảm thời gian cô lập và phục hồi sự cố Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này, trong vùng sự cố giữa 2 máy cắt sẽ không có điện, do đó số lượng khách hàng mất điện có thể lớn nếu tuyến đường dây không có bất kỳ thiết bị phân đoạn nào khác Ngoài ra, mô hình không xem xét tính ổn định hệ thống, và vận hành tối ưu của các máy phát

Các thao tác phân đoạn, cô lập trên các thiết bị được thực hiện hoàn toàn tự động, không

có tác động của con người, dựa trên tương tác ngang hàng ( peer-to-peer) giữa tất cả các máy cắt điều khiển được lắp đặt trên hệ thống lưới phân phối

Do là mô hình phân tán, nên các RTU có khả năng tự động tái cấu trúc hệ thống, một cách độc lập và có thể gửi thông báo về hệ thống SCADA Tuy nhiên, do mang tính cục bộ, nên một số trường hợp sẽ không tính toán được độ ổn định của toàn hệ thống Mô hình này khá phù hợp đối với các mô hình kết lưới đơn giản, số lượng các nguồn phân tán ít, đặc điểm nổi bật của chúng là thời gian tái cấu trúc ấn tượng nhỏ hơn 20 s, phụ thuộc vào số lượng trạm biến áp

3.2.2 Mô hình cấu trúc bán tập trung

Mô hình này sử dụng các thiết bị điều khiển được nhúng vào PLC hoặc RTUs được lắp đặt tại khu vực tram trung áp

Tất cả các thiết bị đóng cắt là nút thụ động, sẽ báo cáo trạng thái cho RTU hoặc bộ điều

Trang 3-8

khiển để từ đó đưa ra các lệnh điều khiển như đóng hoặc mở máy cắt

Mức độ tin cậy của mô hình, cũng như tốc độ phục hồi phụ thuộc vào khả năng của bộ giao tiếp truyền thông

Mô hình này phù hợp với các mạng từ đơn giản tới phức tạp, thời gian tái cấu trúc ít hơn

1 phút

Dễ dàng mở rộng phụ tải, có thể bao gồm nhiều lộ ra được kết nối với nhiều trạm với các thiết bị thông minh cho mỗi trạm

3.2.3 Mô hình cấu trúc tập trung

Tất cả các thiết bị thông minh được lắp đặt tại điểm trung tâm - “máy chủ”, được tích hợp hệ thống SCADA hoặc DMS

Các thiết bị đóng ngắt là các nút thụ động chịu sự điều khiển của “máy chủ”, nó chỉ thông báo trạng thái tới hệ thống trung tâm và từ đó đưa ra lệnh điều khiển chẳng hạn như đóng hoặc cắt Do đó, “máy chủ” SCADA sẽ quản lý và đưa ra các lệnh điều khiển tới các RTU

Mô hình này phù hợp với tất cả mô hình lưới điện từ đơn giản tới rất phức tạp tuy nhiên tốc độ xử lý chậm hơn 2 mô hình trên, do phải phụ thuộc vào đường truyền dẫn và số lượng truyền thông tin lớn Tuy nhiên, hệ thống sẽ xử lý được tốt hơn, do thông tin được tổng hợp đầy đủ, và có thể xem xét được nhiều hàm mục tiêu đa dạng hơn

3.3 Các giải pháp tự phục hồi lưới điện

Theo [7] , tác giả giới thiệu mô hình tự phục hồi lưới điện dựa trên các thiết bị phần cứng

và bộ phần mềm WSOS5 của hãng Schneider Electric cho lưới phân phối trên không, dựa trên giải pháp truyền thông ngang cấp (peer to peer) giữa các thiết bị của hãng SE nhằm giảm thời gian cô lập sự cố xuống còn 60s, ngắn hơn so với trường hợp sử dụng các thiết

bị truyền thống không có khả năng giao tiếp Ngoài ra, đối với lưới ngầm, tác giả đưa ra

bộ điều khiển T200I, nhằm giảm thời gian mất điện của hệ thống Cuối cùng, dựa trên tiêu chuẩn IEEE 1366 và thông tư số 32/2010/TT-BCT đề đánh giá độ tin cậy, và sơ đồ lưới hiện hữu; tác giả đã đề xuất lắp 3 recloser trên tuyến mạch vòng thực tế Bờ Huệ - Ông Gốc của Điện lực Bình Chánh nhằm phân đoạn, và cô lập sự cố, từ đó giảm chỉ số SAIDI

Hình 2 - Mô hình cấu trúc phân tán của Schneider Electric

Trang 3-9

Trang

3-10

Hình 3 - So sánh giải pháp “Tự động mạch vòng thông thường” và “Tự động mạch

vòng thông minh”

Có thể nhận xét mô hình SE đưa ra là mô hình cấu trúc phân tán, với ưu điểm là khắc phục nhanh sự cố Tuy nhiên, đối với hệ thống lớn hơn, có cấu trúc phức tạp hơn, sự tham gia của các nguồn điện phân tán, thì đóng cắt và tái cấu trúc hệ thống như vậy có thể dẫn đến mất ổn định trong hệ thống

Theo [8], tác giả dựa trên mô hình đã triển khai thực tế trên Nhât Bản, từ đó đưa ra mô hình tự động hóa lưới phân phối DAS, được phát triển qua 3 giai đoạn, đồng thời, tác giả giới thiệu các thiết bị tự động phân phối, các hệ thống thông tin Từ đó, lựa chọn thiết bị, và phân bổ cho lưới điện phân phối tại huyện Củ Chi

Theo [9], tác giả phát triển mô hình tự hồi phục lưới phân phối dựa trên hệ thống miễn dịch nhân tạo - Artifical Immune System (AIS) Tác giả quan điểm cấu trúc lưới điện tương tự như hệ thống miễn dịch của cơ thể con người Một sự cố bất thường xảy ra tương tự như một kháng nguyên, và hệ thống AIS sẽ phát hiện, đồng thời tạo ra các kháng thể - là các lệnh trên relay hoặc máy cắt nhằm thay đồi cấu hình hệ thống, hoặc điều khiển công suất các nguồn điều độ được, nhằm triệt tiêu các kháng thể - sự cố trên

Classic Intelligent

F1 mớẴ khóa F1 mớ Ặ khóa

‘ Sựcđ dưvc GÕ IÂP

• Khôi phựccunn cãpơlện dưứl 1 phút

u * Không cần ngựời uận hành can thiêp _ t

và cuối cùng mới cắt giảm phụ tải Ngoài ra, vì hệ thống phân phối có cấu trúc phức tạp, nên tác giả đưa ra một chỉ số nhằm đánh giá mức độ hiệu quả của quá trình tự phục hồi lưới điện là: số lần cực đại đóng ngắt, biên độ dung lượng cực đại của ngăn lộ, số lượng chuyển tải sang trạng thái bình thường, và định mức phụ tải cực đại

Theo [11] , tác giả đưa ra một quá trình tự hồi phục lưới điện nhằm giải quyết các trạng thái cực kĩ nguy hiểm của hệ thống lưới điện, có khả năng dẫn tới rã lưới Phương pháp được đưa ra bao gồm 2 bước Bước 1, hệ thống sẽ tự động chia thành các vùng hệ thống điện nhỏ, dựa trên yếu tố độ lệch nguồn -tải là thấp nhất, mục đích để giảm nhẹ tiến trình phục hồi lưới Sau đó, sử dụng mô hình sa thải tải dựa trên tốc độ suy giảm tần số,

để giới hạn mức độ ảnh hưởng tới hệ thống, và có thể phục hồi nhanh chóng hơn Theo [12], do vấn đề kinh tế tại Brazil, số lượng các thiết bị đóng cắt không được sử dụng nhiều vì chi phí đắt, nên khi xảy ra sự cố thường mất điện toàn phần, điều nay gây ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế Vì thế, tác giả sử dụng mô hình tối ưu hóa bầy đàn nhị phân BPSO- Binary Particle Swarm Optimization, nhằm tìm kiếm sự cố và cô lập nó, đồng thời xác định quy luật đóng ngắt các dao cắt tải nhằm hợp lý, để sa thải tải đến mức tối thiểu mà vẫn giữ hệ thống ổn định Neu có sa thải phụ tải, việc xác định số lượng, và thanh cái nào bị sa thải thông qua phương pháp tối ưu dòng công suất OPF- Optimal Power Flow Ưu điểm của bài báo, là xây dựng được giải thuật nhằm gia tăng

số lượng tải phục hồi sau sự cố Tuy nhiên, giải pháp này cần thiết phải trang bị hệ thống

đo đếm hiệu quả, và cần sự phối hợp của các khách hàng trong việc vận hành hệ thống điện thông qua hệ thống quản lý nhu cầu - DSM (Demand-Side Management)

3.4 Tóm tắt

Dựa vào ưu nhược điểm của từng mô hình cấu trúc, có thể nhận thấy rằng mô hình cấu trúc tự khắc phục tập trung có tính tổng quát, được sử dụng cho hầu hết các sơ đồ lưới điện khác nhau, từ đơn giản tới phức tạp, thỏa mãn nhiều mục tiêu khác nhau Vì thế,

đề tài này sẽ lựa chọn mô hình tập trung cho hệ thống tự hồi phục lưới điện

Trang 4-1

CHƯƠNG 4 GIẢI PHÁP PHỤC HÒI LƯỚI ĐIỆN sử DỤNG

PHƯƠNG PHÁP PHÂN VÙNG THÀNH NHIỀU HỆ THỐNG ĐIỆN

4.1 Giói thiệu

Theo [13], [14] thông qua việc kết nối nhiều các vùng hệ thống điện nhỏ để tạo thành một

hệ thống điện sẽ làm cải thiện khả năng vận hành hệ thống và độ tin cậy nhờ vào những đặc tính nổi bật của các vùng hệ thống điện nhỏ được kết nối với nhau chẳng hạn như sự quản lý hệ thống năng lượng, khả năng hỗ trợ và sự trao đổi công suất giữa các vùng với nhau

Luận văn đưa ra 2 chế độ trong hệ thống lưới điện phân phối bao gồm chế độ vận hành bình thường, và chế độ sự cố

Trong chế độ bình thường, việc điều độ công suất nguồn phát ( nguồn phát điện nhỏ Micro turbine - MT) và nguồn điện gió sẽ được tính toán, sao cho vận hành hệ thống được tối đa lợi nhuận, và tối thiểu chi phí Đây là bài toán tối ưu công suất nguồn phát

Trong chế độ sự cố, vùng mất điện sẽ được phân chia tối ưu thành các vùng hệ thống điện nhỏ MG, sao cho mỗi vùng MG có thể tự cân bằng công suất nguồn - tải, và các MG được liên kết với nhau khi có sự cố xảy ra