Quy hoạch hệ thống truyền tải khu vực đồng bằng sông cửu long có xét đến chuẩn độ tin cậy

Chức năng cơ bản của một hệ thống điện là sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đến hộ tiêu thụ thỏa mãn yêu cầu phụ tải, liên tục, chất lượng và độ tin cậy ngày càng cao với giá t

Trang 1

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

CHUẨN ĐỘ TIN CẬY

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Mã số ngành: 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2011

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN TRUNG TÍNH

TS VŨ PHAN TÖ

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

Ngày ……tháng…….năm 2011

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP.HCM, ngày… tháng … năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN HỮU TÍNH Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/07/1986 , Nơi sinh: Cà Mau

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện MSHV: 09180087

I TÊN ĐỀ TÀI: QUY HOẠCH HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI KHU

VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG CÓ XÉT ĐẾN CHUẨN ĐỘ TIN CẬY

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nhiệm vụ: Nghiên cứu phương pháp quy hoạch hệ thống truyền tải khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long có xét đến chuẩn độ tin cậy sử dụng giải thuật cận biên và nhánh kết hợp thuật toán tối ưu hóa số nguyên

2 Nội dung: Chức năng cơ bản của hệ thống điện là sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đáp ứng yêu cầu của phụ tải một cách liên tục, chất lượng với giá thành hợp lý Quy hoạch hệ thống truyền tải là một phần rất quan trọng trong quy hoạch hệ thống điện Thông thường công tác quy hoạch hệ thống truyền tải theo ngay sau quy hoạch hệ thống nguồn điện Nhiệm vụ của quy hoạch hệ thống truyền tải là xác định tối ưu hoá vị trí và

mở rộng công suất truyền tải trên hệ thống hiện hữu Nghiên cứu này đề xuất phương pháp quy hoạch hệ thống truyền tải không chỉ đáp ứng yêu

Trang 4

cầu dự đoán phụ tải dài hạn mà còn thỏa mãn điều kiện chỉ số độ tin cậy xác suất ngẫu nhiên của hệ thống (RLOLESYS) với hàm mục tiêu là tối thiểu tổng chi phí Thuật toán được xây dựng trên hàm tối ưu số nguyên và sử

dụng giải thuật cận biên và nhánh (branch and bound algorithm) Phương

pháp đề xuất được chứng minh trên hệ thống truyền tải cao áp và siêu cao

áp thuộc trong vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long.

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/09/2010

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/01/2011

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy Vũ Phan Tú và Thầy Trần Trung Tính, người đã tận tình hướng dẫn, cung cấp những tài liệu vô cùng quí giá và giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử, trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt tri thức khoa học và giúp em trưởng thành trong suốt khóa học cũng như trong cuộc sống

Con vô cùng biết ơn Ba Má và gia đình nuôi con khôn lớn, luôn là chỗ dựa vững chắc về vật chất lẫn tinh thần, tạo mọi điều kiện để con được học tập, trưởng thành cho đến ngày hôm nay

Xin chân thành cảm ơn các Anh Chị, bạn bè cùng lớp Thiết bị, mạng và nhà máy điện khoá 2009 đã khuyên răng, giúp đỡ trong quá trình học tập cũng như trong cuộc sống

TP.HCM, tháng 01 năm 2011

Trần Hữu Tính

Trang 6

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nhu cầu năng lượng phục vụ cho nhân loại là một điều tất yếu và then chốt Không có năng lượng sẽ không tồn tại sự sống trên hành tinh của chúng ta Điện năng là một dạng năng lượng không thể thiếu cho cuộc sống hiện đại ngày nay và trong tương lai Không có điện năng hầu hết các thiết bị trong công nghiệp và đời sống sẽ không thể hoạt động được Quy hoạch và mở rộng hệ thống điện là một trong những nhiệm vụ hết sức quan trọng cho các nhà quản lý và vận hành hệ thống Bởi vì, nhiệm vụ cơ bản của hệ thống điện là sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đáp ứng yêu cầu ngày càng tăng của phụ tải với giá thành và chất lượng điện hợp lý nhất Tối ưu hoá quy hoạch và mở rộng hệ thống điện là một nhiệm vụ hết sức phức tạp và khó khăn ngay cả có sự hỗ trợ của máy tính Giải bài toán tối ưu này đòi hỏi thời gian tính toán lớn với rất nhiều dữ liệu đầu vào Do đó, thông thường thì tiến hành quy hoạch hệ thống nguồn điện đáp ứng dự đoán phụ tải dài hạn trước Công tác quy hoạch hệ thống truyền tải được thực hiện ngay sau đó Nghiên cứu này sẽ giúp cho nhà quy hoạch, nhà quản lý không những dễ dàng đưa ra quyết định về vị trí, công suất những đường dây cần mở rộng Đặc biệt, phương pháp này còn cho biết chỉ số độ tin cậy xác xuất ngẫu nhiên sau khi quy hoạch Đây là một trong những chỉ số rất quan trọng cho công tác quy hoạch, quản

lý và vận hành hệ thống điện Bên cạnh đó, phương pháp đề xuất này còn kiểm tra

độ ổn định của hệ thống điện sau khi quy hoạch bằng phần mềm PowerWorld

Trang 7

MỤC LỤC

Chương 1: GIỚI THIỆU 12

1.1 Tổng quan hệ thống điện 12

1.2 Tổng quan hệ thống điện Việt Nam 13

1.3 Tổng quan về quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải 15

Chương 2: QUY HOẠCH HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI SỬ DỤNG GIẢI THUẬT CẬN BIÊN VÀ NHÁNH 18

2.1 Mô hình hóa lưới điện 18

2.2 Lý thuyết dòng cực đại và mặt cắt tối thiểu 20

2.3 Thuật toán tối ưu hóa số nguyên (Integer Programming) 23

Chương 3: QUY HOẠCH HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CÓ XÉT ĐẾN CHUẨN ĐỘ TIN CẬY 25

3.1 Hàm mục tiêu cho quy hoạch hệ thống truyền tải 25

3.2 Điều kiện ràng buộc về tiêu chuẩn chỉ số độ tin cậy của hệ thống (RLOLESYS) 26

3.3 Xây dựng giải thuật để tính 27

Chương 4: QUY HOẠCH HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI KHU VỰC ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 29

4.1 Giới thiệu hệ thống điện Đồng Bằng Sông Cửu Long 29

4.2 Giới thiệu hệ thống truyền tải khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long 34

4.3 Thông số đầu vào hệ thống truyền tải khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long 37

4.4 Tối ưu hoá quy hoạch hệ thống truyền tải khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long 40

Trang 8

4.5 Kiểm tra độ ổn định của hệ thống truyền tải khu vực Đồng Bằng Sông Cửu

Long 56

Chương 5: KẾT LUẬN 71

PHỤ LỤC: 73

A ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG ĐIỆN 73

A.1 Khái niệm cơ bản về độ tin cậy trong hệ thống điện 73

A.1.1 Khái niệm độ tin cậy trong hệ thống điện 73

A.1.2 Khái niệm cơ bản về cường độ cắt cưỡng bức phần tử 73

A.1.3 Phân loại hệ thống điện theo chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy 76

A.1.4 Các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống điện 77

A.2 Đánh giá độ tin cậy hệ thống điện cơ bản 78

A.2.1 Đánh giá độ tin cậy ở cấp độ HLI 78

A.2.2 Đánh giá độ tin cậy ở cấp độ HLII 80

A.2.3 Đánh giá độ tin cậy của hệ thống truyền tải 83

B PHẦN MỀN POWERWORD 84

B.1 Giới thiệu phần mềm PowerWord 84

B.2 Tạo một mô phỏng 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

Trang 9

MỤC LỤC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ đơn tuyến hệ thống điện 18

Hình 2.2 Sơ đồ mạng tương đương 19

Hình 2.3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện tổng quát 22

Hình 2.4 Mặt cắt tối thiểu 23

Hình 4.1 Sơ đồ đơn tuyến hệ thống điện vùng ĐBSCL 37

Hình 4.2 Mối quan hệ của chỉ tiêu độ tin cậy và tổng chi phí ở trường hợp1(N-1TL) 41

Hình 4.3 Mối quan hệ của chỉ tiêu độ tin cậy và tổng chi phí ở trường hợp2(N2-TL) 42

Hình 4.4 Kế hoạch mở rộng lưới điện cho trường hợp 1 – 1 43

Hình 4.5 Kế hoạch mở rộng lưới điện cho trường hợp 1 - 2 44

Hình 4.10 Tỉ lệ dự trữ của trạm biến áp ở hệ thống sau quy hoạch khi

RLOLE=2.002 [hrs/yr] 50

Hình 4.11 Tỉ lệ dự trữ của trạm biến áp ở hệ thống sau quy hoạch khi RLOLE=2.080 [hrs/yr] 51

Trang 10

Hình 4.16 Hệ thống điện trước khi quy hoạch 57

Hình 4.17 Hệ thống điện sau quy hoạch trường hợp 1 – 1 59

Hình 4.18 Hệ thống điện sau quy hoạch trường hợp 1 - 2 61

Hình 4.21 Hệ thống điện sau quy hoạch trường hợp 2 – 2 67

Trang 11

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.1 Các trường hợp trong hệ thống điện 19

Bảng 4.1 Hệ thống nguồn cung cấp điện 29

Bảng 4.2 Trạm biến áp 220KV 29

Bảng 4.3 Đường dây 220kV 30

Bảng 4.4 Đường dây 110kV 30

Bảng 4.5 Trạm biến áp 110kV 32

Bảng 4.6 Dự báo hệ thống nguồn cung cấp điện năm 2020 ĐBSCL 34

Bảng 4.7 Thông số đường dây truyền tải ĐBSCL 35

Bảng 4.8 Dữ liệu đầu vào của chương trình 38

Bảng 4.9 Chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống 40

Bảng 4.10 Tối ưu hóa quy hoạch hệ thống truyền tải 41

Bảng 4.11 Tỉ lệ dự trữ nguồn cung cấp hệ thống điện sau quy hoạch ở

trường hợp 1 49

Bảng 4.12 Tỉ lệ dự trữ nguồn cung cấp hệ thống điện sau quy hoạch ở

trường hợp 2 52

Bảng 4.13 Bảng thông số điện áp và góc pha trước quy hoạch 58

Bảng 4.14 Thông số điện áp và góc pha sau quy hoạch trường hợp 1 – 1 60

Trang 12

Chương 1: GIỚI THIỆU

1.1 Tổng quan hệ thống điện

Điện năng là một trong những dạng năng lượng không thể thiếu trong đời sống

và sản xuất của loài người Điện năng được sản xuất từ nhiều nguồn năng lượng sơ cấp khác nhau như hoá năng, thuỷ năng, địa nhiệt, phong năng, năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, v.v…Điện năng là một dạng năng lượng hiệu quả và dễ truyền tải, biến đổi sang các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, động năng, v.v… với hiệu suất cao Trong xã hội hiện đại, con người không thể sống thiếu điện năng Bởi vì, nếu không có điện năng thì hầu hết các thiết bị và máy móc trong sinh hoạt, công nghiệp không thể hoạt động được Do đó, nhu cầu điện năng phục vụ cho đời sống và sản xuất không chỉ tăng về số lượng mà còn chất lượng với giá thành hợp lý nhất

Hệ thống điện là một hệ thống bao gồm các nhà máy điện, đường dây truyền tải, máy biến áp, đường dây phân phối và các phần tử khác Chức năng cơ bản của một hệ thống điện là sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đến hộ tiêu thụ thỏa mãn yêu cầu phụ tải, liên tục, chất lượng và độ tin cậy ngày càng cao với giá thành hợp lý nhất Để đáp ứng yêu cầu ngày càng tăng của phụ tải không chỉ về số lượng mà còn chất lượng điện năng cung cấp từ hệ thống Thông thường khi tăng nhu cầu phụ tải và tăng độ tin cậy hệ thống thì phải mở rộng và phát triển không chỉ

hệ thống nguồn mà còn mở rộng và phát triển hệ thống truyền tải Do đó quy hoạch

và mở rộng hệ thống truyền tải là phần rất quan trọng trong hệ thống điện

Bài toán quy hoạch hệ thống truyền tải truyền thống là trả lời những câu hỏi

“nơi nào cần quy hoạch và mở rộng?”, “công suất cần mở rộng là bao nhiêu?”,

“tổng chi phí cho quy hoạch là bao nhiêu?”, “độ tin cậy của hệ thống điện được cải thiện như thế nào sau khi tiến hành quy hoạch?”, v.v…Trong 3 thập kỷ qua, đã có rất nhiều giải thuật và phương pháp chứng minh hiệu quả giải bài toán quy hoạch hệ thống điện cũng như hệ thống truyền tải như: linear programming (LP), dynamic programming (DP), nonlinear programming, mixed integer programming, heuristic

Trang 13

algorithm, genetic algorithm (GAs), Game theory, simulated annealing (SAs), expert system, fuzzy set theory, greedy randomized adaptive search procedure (GRASP), tabu search, branch and bound algorithm, v.v…

1.2 Tổng quan hệ thống điện Việt Nam

 Hệ thống nguồn điện Việt Nam

Hệ thống nguồn điện có nhiệm vụ chính là sản xuất điện năng cung cấp theo yêu cầu của phụ tải cả về số lượng lẫn chất lượng độ với giá thành thấp nhất Hệ thống nguồn điện của Việt Nam với thuỷ điện chiếm tỷ trọng lớn đã mang lại hiệu quả kinh tế cao trong vận hành nhưng cũng có một số bất lợi về kỹ thuật Việt Nam

là nước có địa hình thủy văn phức tạp, lượng nước trên các dòng sông chủ yếu tập trung vào 5 tháng mùa mưa (từ tháng 6 đến tháng 11) Ở thời điểm này các nhà máy thủy điện làm việc tối đa công suất còn các nhà máy nhiệt điện làm nhiệm vụ điều tần, vốn không phù hợp Còn các tháng mùa khô do thiếu nước công suất phát của các nhà máy thủy điện bị hạn chế, để đáp ứng yêu cầu phụ tải các nhà máy nhiệt điện phải làm việc rất căng thẳng dễ xảy ra sự cố dẫn đến việc cần phải cắt giảm phụ tải

Hiện nay hệ thống nguồn điện Việt Nam đang khẩn trương xây dựng theo Quy hoạch điện VI đã được chính phủ phê duyệt Hy vọng trong tương lai gần, sẽ khắc phục được những bất cập trên

 Hệ thống lưới điện Việt Nam

Các nhà máy điện thường đặt ở xa các trung tâm phụ tải Đó là vì nhiều lí do: đối với nhà máy nhiệt điện thì đó là do nhà máy phải đặt gần nguồn nhiên liệu vì vận tải điện năng rẻ và thuận tiện hơn nhiều so với vận tải nhiên liệu; nhà máy còn phải đặt gần nguồn nước làm mát và xa khu dân cư để tránh các tác hại của việc gây

ô nhiễm môi trường,… Hệ thống truyền tải có nhiệm vụ vận chuyển điện năng từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ với chất lượng độ tin cậy cao nhất Để giảm tổn thất trong quá trình truyền tải thì mức điện áp trên lưới khác nhau Hệ thống truyền tải

Trang 14

của Việt Nam có các mức điện áp như sau 500kV, 220kV, 110kV, 35kV, 22kV, 20kV, 15kV, v.v…Hệ thống lưới điện Việt Nam hiện nay đến 2009, đã bao phủ hầu hết ở các địa phương đạt tỷ lệ khoảng 95% Sơ đồ lưới truyền tải bao gồm 3 cấp điện áp 500KV, 220KV, 110KV Lưới điện phân phối hầu như chỉ là cấp trung áp 22KV và hạ áp 0,38KV với tần số sử dụng là 50Hz

 Hệ thống truyền tải ở Việt Nam

Đối với lưới điện ở cấp điện áp 500kV, 220kV và một số lưới điện 110kV quan trọng do bốn Công ty Truyền tải điện 1, 2, 3 và 4 quản lý và vận hành Hầu hết lưới điện 110kV do các Công ty Điện Lực tự quản lý trên địa bàn của mình

Lưới truyền tải điện Bắc – Nam 500KV với tổng chiều dài 2095km hiện có Trong giai đoạn tới, lưới điện 500KV sẽ thực hiện chức năng chủ yếu là truyền tải công suất từ các nhà máy điện lớn (như Hoà Bình, Phả Lại, Sơn La ở miền Bắc, Yaly ở miền Trung và Phú Mỹ, Ô Môn, Cà Mau ở Miền Nam,…) đến các trung tâm phụ tải trong khu vực, đồng thời thiết lập hệ thống liên kết các nhà máy điện này thành một hệ thống điện thống nhất Trên cơ sở đó, kết hợp với xu thế hội nhập quốc tế - buôn bán trao đổi điện năng giữa các nước tiểu vùng Mê Kông (GMS) và các nước ASEAN thông qua lưới điện liên kết, cấp điện áp siêu cao áp 500KV được chọn cho giai đoạn phát triển sau này Hiện nay EVN đang tiếp tục thi công mở rộng lưới 500KV liên kết các nhà máy điện lại với nhau

Lưới truyền tải 220KV là trục năng lượng cung cấp cho các vùng, khu vực lớn Hiện nay, các đường dây truyền tải và dung lượng các trạm biến áp 220kV chỉ xấp xỉ bằng tổng công suất nguồn trên toàn hệ thống gần bằng 14.761 MVA Với tốc độ nhu cầu phụ tải tăng, cần 3.000-4.000MW bổ sung mỗi năm thì năng lực truyền tải sẽ không thể đáp ứng được yêu cầu Trong khi đó, thông thường năng lực truyền tải phải cao hơn từ 10-20% so với công suất của các nguồn phát

Lưới truyền tải 110KV cung cấp điện cho các vùng, khu vực trong mỗi tỉnh thành Lưới điện 110KV chưa có quy hoạch chi tiết trong chiến lược của ngành điện thời gian dài

Trang 15

Định hướng phát triển lưới điện truyền tải của EVN trong giai đoạn sắp tới là xây dựng lưới điện truyền tải tăng có khả năng truyền tải một lượng công suất lớn

từ các nhà máy điện và các trung tâm điện lực lớn đến các trung tâm phụ tải lớn Lưới điện truyền tải phải đảm bảo cung cấp điện đầy đủ, an toàn và tin cậy cho các trung tâm công nghiệp và đô thị lớn trong cả ba miền, từng bước hợp nhất hệ thống điện Việt Nam với các nước trong khu vực

Hệ thống điện Việt Nam được hình thành trên cơ sở thống nhất hệ thống điện các miền, với xương sống là đường dây tải điện 500kV Bắc-Nam từ năm 1994 Việc điều hành hệ thống điện (HTĐ) quốc gia được chia thành 3 cấp điều độ:

- Điều độ HTĐ quốc gia

- Điều độ HTĐ miền

- Điều độ lưới điện phân phối Trên cơ sở phân cấp này, hệ thống điều độ được tổ chức thành các Trung tâm điều độ tương ứng

 Hệ thống phân phối

Việt Nam là nước đã trãi qua nhiều giai đoạn lịch sử, các di tích lịch sử được truyền qua nhiều thế hệ Hệ thống điện Việt Nam cũng đã trãi qua nhiều thế hệ, hiện tại hệ thống lưới điện phân phối của Việt Nam bao gồm nhiều cấp điện áp khác nhau, cả ở thành thị và nông thôn do tám công ty điện lực thuộc Tổng công ty Điện Lực Việt Nam quản lý Theo kế hoạch phát triển, đến năm 2010, lưới điện phân phối sẽ được xây dựng thêm 282.714 km đường dây trung và hạ áp (tăng 183%) và 19.010 MVA công suất máy biến áp phân phối (tăng 78,9% so với khối lượng 2005)

1.3 Tổng quan về quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải

Các nhà máy điện thường đặt ở xa các trung tâm phụ tải Để có thể truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến các hộ tiêu thụ và phân phối điện năng cho chúng ta

Trang 16

cần thiết phải có lưới truyền tải và phân phối Do đó, cần phải cải tạo lưới điện là công việc cần thiết, không thể thiếu trong công tác phát triển hệ thống điện Công tác quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải là phần quan trọng của quy hoạch hệ thống năng lượng Nhiệm vụ của nó là xác định một cấu hình tối ưu theo sự tăng trưởng của phụ tải và một sơ đồ quy hoạch nguồn đối với thời gian quy hoạch ứng với yêu cầu phân phối điện năng một cách an toàn và kinh tế

Quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải có quan hệ chặc chẽ với quy hoạch nguồn điện Nó dựa trên cơ sở một sơ đồ quy hoạch nguồn nhưng lại có ảnh hưởng trở lại tới một vài sự mở rộng của quy hoạch nguồn điện Quy hoạch nguồn điện không duy trì hoặc chỉ duy trì một chút ảnh hưởng của sự phân bố địa lý và giá thành chuyên tải Quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải có thể sử dụng để chỉnh lại sơ đồ quy hoạch nguồn điện ban đầu

Nguyên lý cơ bản của quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải là cực tiểu cấu trúc lưới điện và chi phí vận hành nhằm thỏa mãn yêu cầu của sự phân phối điện năng an toàn và tin cậy tới các trung tâm phụ tải Các yêu cầu về trung tâm phụ tải Các yêu cầu về độ tin cậy ở đây bao gồm:

- Các yêu cầu vận hành bình thường Khi các thiết bị của hệ thống năng lượng được vận hành trong những điều kiện tốt, đảm bảo các tiêu chuẩn vận hành khác nhau

- Yêu cầu vận hành trong điều kiện ngẫu nhiên Khi một thiết bị hư hỏng hay khi tải xuất hiện các dao động, độ tin cậy cung cấp điện phải được thỏa mãn

So với quy hoạch nguồn, quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải thì phức tạp hơn Thứ nhất, quy hoạch lưới điện phải lưu ý đến sơ đồ mạng điện thực tế, và sự đúng đắng của phương án phải được coi là độc lập với các phương án đã biết? Hơn nữa kích thước của các phương án đã chỉ ra của quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải là lớn hơn trong quy hoạch nguồn Thứ hai, các ràng buộc của quy hoạch lưới điện phải thỏa mãn là rất phức tạp, bao gồm các phương trình phi tuyến (ràng buộc

Trang 17

về cấp điện áp) và thậm chí là các phương trình vi phân (vấn đề ổn định) Do đó, xây dựng được một mô hình toán của quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải trọn vẹn là công việc khó khăn và phức tạp

Trang 18

Chương 2: QUY HOẠCH HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI SỬ DỤNG GIẢI

THUẬT CẬN BIÊN VÀ NHÁNH

2.1 Mô hình hóa lưới điện

Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm nhiều phần tử rời rạc Để xác định tập hợp tối

ưu quy hoạch hệ thống truyền tải bằng phương pháp toán, mô hình hóa HTĐ là cực

kỳ quan trọng của công việc này Điện năng được sản xuất từ nguồn điện (nhà máy điện) và tiêu thụ tại thiết bị điện (đầu cuối), chỉ di chuyển một chiều từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ Trong việc mô hình hoá, nhà máy điện được tương đương với nhánh có chiều từ nguồn (S) về các điểm nút, công suất của nhánh ấy là công suất của nhà máy điện tương ứng Nút phụ tải là nơi tiêu thụ điện năng nên được tương đương nhánh từ nút phụ tải về nút cuối (T) Mỗi đường dây truyền tải được nối với nút đầu và nút cuối của nó tương ứng Máy biến áp được xem như là đường dây truyền tải Như vậy, theo cách mô hình hóa này thì từ sơ đồ đơn tuyến của hệ thống điện như trình bày ở hình 2.1 tương đương với “mạng” như trình bày ở hình 2.2

Trang 19

 Công suất phân bố (flow capacity): là công suất giới hạn trên nhánh

 Nguồn (source): là nơi cung cấp công suất cho hệ thống

 Đầu cuối (terminal): là nơi tiêu thụ công suất của hệ thống

Máy phát, máy biến áp, và phụ tải đều có công suất giới hạn Khó có thể kiểm tra lượng công suất thiếu của hệ thống bởi vì những phần tử này được thay thế như

là nút trong mô hình mạng Một lợi ích của mô hình hoá hệ thống là kiểm tra lượng

công suất thiếu tại nút thắt cổ chai của hệ thống được thể hiện bảng 2.1

Bảng 2.1 Các trường hợp trong hệ thống điện Trường hợp Thắt cổ chai Ghi chú

1 F m = L ≤ G Không thiếu nguồn, không cần mở rộng

2 G < F m < L Thiếu nguồn phát, cần quy hoạch mở rộng nguồn

3 F m < L ≤ G Đường dây, trạm biến áp bị quá tải cần mở rộng hệ

thống truyền tải, trạm biến áp

4 F m < G < L Thiếu nguồn và quá tải, vì thế cần mở rộng cả hệ

thống Trong đó:

F m : là dòng cực đại trên mạng

Trang 20

G : là tổng công suất phát

L : là tổng công suất tải

2.2 Lý thuyết dòng cực đại và mặt cắt tối thiểu

Câu hỏi thông thường đối với HTĐ là quá tải ở những nơi nào (nhà máy điện, tuyến dây, trạm biến áp) Người quản lý, vận hành hay quy hoạch muốn biết dòng công suất cực đại được vận chuyển từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ đầu cuối là bao nhiêu Đây cũng là thông tin rất quan trọng trong việc đưa ra quyết định về vận hành hay quy hoạch HTĐ

Vì các phần tử cấu thành HTĐ có công suất giới hạn nên không thể có được dòng công suất vô hạn truyền từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ mà chỉ có giá trị cực đại nào đó Để xác định dòng công suất cực đại này, công cụ sử dụng là lý thuyết

dòng cực đại và mặt cắt tối thiểu (Maximum flow – minimum cut set) Dòng cực đại

có nghĩa là dòng công suất cực đại truyền từ nút nguồn đến nút tiêu thụ Mặt cắt tối thiểu có nghĩa là mặt cắt tách nút nguồn với nút cuối sao cho có tổng công suất mặt cắt là tối thiểu Trong lý thuyết này, việc xác định dòng công suất cực đại bao gồm tìm tất cả các đường dẫn công suất từ nút nguồn đến nút cuối Dùng một vết cắt giả tưởng cắt ngang qua mạng điện sao cho tách hoàn toàn giữa nút nguồn và nút cuối, tổng công suất trên tất cả các nhánh nằm trên mặt cắt được ghi nhận Tương tự, thực hiện tất cả các vết cắt có thể có như thế đối với mạng và ghi nhận tổng công suất trên mỗi mặt cắt So sánh các tổng công suất của từng mặt cắt ấy, mặt cắt nào có giá trị nhỏ nhất thì vị trí tương ứng mặt cắt đó chính là nút thắt cổ chai của HTĐ Công suất mặt cắt có giá trị nhỏ nhất đó chính là dòng công suất cực đại truyền từ nút nguồn đến nút cuối

Các bước xác định vết cắt tối thiểu như sau:

Bước 1: Cho giá trị đầu với mặt cắt thứ k = 1, công suất cực đại F0=0

Bước 2: Chia tất cả nút của hệ thống thành hai tập hợp

1 Tập hợp nguồn: S k = { s }

Trang 21

2 Tập hợp nút cuối: T k = {…….t}

Trong đó:

s: là nút nguồn

t: là nút cuối

Bước 3: Chọn một nhánh có công suất non tải lớn nhất (B ij ) trong tất cả các nhánh

(b ij ) nối giữa nút i thuộc tập hợp nguồn Sk và nút j của tập hợp nút cuối T k Trong đó :

Bước 5: Kiểm tra liệu nút j có phải là nút t hay không Nếu không phải là nút t,

quay về Bước 3 và quá trình lập tiếp tục cho đến khi nút t được chọn Nếu là

C bj : là công suất non tải của nhánh thứ j trong M k

Bước 7: Tính dòng công suất cực đại sử dụng công thức sau:

f F

Fk k1 k

Và tính công suất non tải Cbj bằng công thức sau:

f C

Cbj bj jMk

Trang 22

Bước 8: Nếu f k 0, nâng thứ tự k lên 1 đơn vị rồi quay về Bước 2 tìm đường dẫn

kế tiếp Nếu f k = 0 thì dừng lập

Ở nút cuối, tổng công suất trong đường dẫn của bước 1 đưa ra là tổng công

suất cực đại giữa nguồn và nút cuối Bất kỳ một hệ thống nào đều có một nút nguồn

và một nút cuối, dòng công suất cực đại truyền từ nút nguồn đến nút cuối bằng với giá trị tại mặt cắt tối thiểu (hay mặt cắt có công suất tối thiểu) trong tất cả các mặt cắt trên toàn hệ thống Dòng công suất cực đại có thể bị giới hạn tại nút thắt cổ chai Dòng công suất cực đại có thể được thay thế hoàn toàn bằng giá trị tại mặt cắt tối thiểu Một vết cắt có thể cắt bất kỳ một nhóm đường dẫn nào chứa ít nhất một đường dẫn từ nút nguồn đến nút cuối Trong trường hợp khác nếu vết cắt bị di chuyển thì dòng công suất từ nút nguồn đến nút cuối được cố định Giá trị công suất qua mặt cắt là tổng các dòng công suất từ nút nguồn đến nút cuối, cùng hướng trên toàn mặt cắt Tổng công suất qua mặt cắt được xác định theo (2.1)



 ( , ))

, ( S T c x y

Trong đó c (x,y) : là công suất trên nhánh từ nút x đến nút y

Thực tế là mặt cắt tối thiểu nằm ở đâu trong mạng, nơi ấy sẽ cần được mở rộng Do đó, công tác quy hoạch cũng như vận hành cần phải xác định được nút thắt

cổ chai như trình bày ở Hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện tổng quát

Trang 23

Dòng công suất truyền tải trong hệ thống điện có thể được chia thành 4 trường hợp như trình bày ở bảng 2.1 Quy hoạch và mở rộng hệ thống truyền tải khi hệ thống điện rơi vào trường hợp 3 của bảng 2.1

Ví dụ về mắt cắt tối thiểu : thực hiện tất cả các vết cắt có thể có trên mạng trình bày ở Hình 2.4 Tổng số vết cắt là 4 và nút thắt cổ chai của mạng có tổng công suất nhỏ nhất là 50 [MW]

160

Bottle - neck

Hình 2.4 Mặt cắt tối thiểu

2.3 Thuật toán tối ưu hóa số nguyên (Integer Programming)

Phương pháp cận biên và nhánh đòi hỏi một hệ thống cấu trúc tốt để tìm không gian của tất cả các giải pháp khả thi về ràng buộc tối ưu hóa điều đó có một số hữu hạn về các giải pháp khả thi

Thông thường các không gian của tất cả các giải pháp khả thi thì liên tục phân chia thành các tập con rất nhỏ (nhánh) và một cận biên thấp (cho một vấn đề giảm thiểu) được tính cho giải pháp về chi phí trong mỗi tập con (cận biên) Sau đó mỗi nhánh phân chia, những tập hợp con với một giới hạn vượt quá chi phí của một giải pháp khả thi thì loại trừ khỏi tất cả các phân vùng khác Vì vậy, tập con lớn của các

Trang 24

giải pháp có thể loại trừ không cần kiểm tra mỗi giải pháp trong các tập hợp con Tiếp tục phân vùng cho đến khi một giải pháp khả thi được tìm thấy, như vậy thì chi phí của nó không lớn hơn giới hạn cho các tập con bất kỳ Tất nhiên, sự thành công của phương pháp kỹ thuật này phụ thuộc vào số lượng các giải pháp kiểm tra trước khi một giải pháp tối ưu là đạt

Phương pháp cận biên và nhánh là phương pháp kỹ thuật cơ bản để giải quyết các vấn đề quy hoạch số nguyên Phương pháp này dựa trên sự quan sát các giải pháp liệt kê của số nguyên có một cấu trúc cây Điều này được mô tả hàm cực tiểu với điều kiện ràng buộc như sau:

integer an

is x

j all for y

x

m i

b y a x

a to

subject

x c x

c z minimize

j

j j

i n

r j

j ij r

j j ij

n

r j j j r

j j j

0 ,0

,,2,1 :

:

1 1

Trang 25

Chương 3: QUY HOẠCH HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI CÓ XÉT ĐẾN

CHUẨN ĐỘ TIN CẬY

3.1 Hàm mục tiêu cho quy hoạch hệ thống truyền tải

Thông thường vấn đề quy hoạch hệ thống truyền tải là hàm tối thiểu tổng chi phí đầu tư C Tcùng với việc đầu tư mới đường dây truyền tải được mô tả như sau:

y x m

i

i y i y T

U C C

C T: là tổng chi phí lắp đặt mới đường dây truyền tải

: là tổng số nhánh ( đường dây truyền tải)

m(x,y): là số lượng nhánh mới kết nối vào nút giữa x và y

) ) , ( ) 0 ( ) , ( ) , ( )

) , (

0

1

i y x y x y

x

i y x y x y

x i

y x

P P

P

P P

y

P

1 , ,

Trang 26

3.2 Điều kiện ràng buộc về tiêu chuẩn chỉ số độ tin cậy của hệ thống ( R LOLE SYS )

Thông thường tiêu chuẩn cơ bản đánh giá độ tin cậy được xét trong vấn đề quy hoạch hệ thống điện hợp nhất có thể được phân làm hai loại ràng buộc Một là một tiêu chuẩn đánh giá độ tin cậy xác định và ràng buộc khác là xác suất về tiêu chuẩn đánh giá độ tin cậy

Trong một cách tiếp cận nhất định, chỉ tiêu không thiếu các nguồn cung cấp điện (no shortage of power supply) yêu cầu tổng công suất của các nhánh liên quan

đến việc thiết lập mặt cắt tối thiểu nên lớn hơn hoặc bằng đỉnh phụ tải của hệ thống

yêu cầu L p Điều này cũng được gọi là nút thắt cổ chai Vì vậy, điều kiện ràng buộc

về chỉ tiêu không thiếu nguồn cung cấp điện (no shortage of power suppl) có thể

được thể hiện bởi (3.3)

) , ( )

,

Trong đó: P c(S,T)là công suất của mặt cắt tối thiểu đặt của hai tập hợp con, S

và T có chứa các nút nguồn (s) và các nút cuối (t) tương ứng khi tất cả các nút được

ngăn cách bởi một mặt cắt tối thiểu

Các hạn chế nhu cầu (3.3) có thể được thể hiện bởi (3.4) với k là số mặt cắt (k

= 1, , n), trong đó, n là số lượng của mặt cắt

p T

S y

x

y x m

i

i y x i y x y

P

k k

1

) ) , ( ) ) , ( )

0 ( ) ,

Trong cách tiếp cận xác suất, chỉ số xác suất về tiêu chuẩn đánh giá độ tin cậy

LOLE (Loss of Load Expectation), có thể được sử dụng như trong (3.5).

LOLE P

Trong đó: R LOLE là tiêu chuẩn về chỉ số độ tin cậy hệ thống mong muốn

LOLE SYS là chỉ số độ tin cậy hệ thống sau khi quy hoạch

Φ là một hàm chức năng của đường cong phụ tải

Trang 27

3.3 Xây dựng giải thuật để tính

Mục tiêu thông thường trong phương pháp cận và nhánh là giảm thiểu tổng chi phí lắp đặt phụ thuộc vào lý thuyết tiêu chuẩn chỉ số độ tin cậy Mục đích của phương pháp cận biên và nhánh là tổng chi phí cực tiểu phụ thuộc vào tiêu chuẩn

chỉ số độ tin cậy hệ thống điện sau khi quy hoạch LOLE SYS Giải thuật đưa ra như sau:

Bước 1: Kiểm tra sự cần thiết mở rộng hệ thống truyền tải từ hệ thống có sẳn và các

đường dây thêm vào Sự cần thiết và khả năng có thể được kiểm tra tương ứng với việc đánh giá độ tin cậy cho hệ thống xét khi không có đường dây

thêm vào và có tất cả các đường dây thêm vào

Bước 2: Đặt j=1 (hệ thống ban đầu), jopt =0, jmax =0, C T

opt =∞ and ENNOD j=0

Bước 3: Nếu ENNOD j = 1, hệ thống thứ #j là một nút cuối mà tại đó các hoạt động

nhánh của cận biên và nhánh thì hoàn thành (biên) trong lưu đồ giải thuật được sử dụng để có được những giải thuật tối ưu, và không có cần phải

xem xét lưu đồ khác từ hệ thống này Chuyển đến bước 13

Bước 4: Tính mặt cắt tối thiểu sử dụng phương pháp dòng cực đại cho hệ thống thứ

j (giải thuật j trong lưu đồ giải thuật)

Bước 5: Chọn a khác nhánh thứ i của nhánh định thêm vào đặc (S j ) bao gồm mặt

cắt tối thiểu và cộng vào hệ thống j Hệ thống mới được tạm gọi hệ thống

độ tin cậy của hệ thống truyền tải, LOLE TSj của hệ thống

Bước 8: Nếu C T

jopt,, hệ thống hiện tại (ji) với một chi phí C T

ji có thể được tối ưu

Nếu không, quay lại bước 11

Bước 9: Đặt j max = j max +1

Trang 28

Bước 10: Nếu LOLE SYSji <R LOLE SYS , đặt C T

opt =C T ji , và R LOLE opt = LOLE ji , jopt =

jmax, và chuyển đến bước 12

Bước 11: Đặt C T

jmax =C T ji , ENNOD jmax =1, và chuyển đến bước 13

Bước 12: Thêm vào giải thuật jmax(ji) đến lưu đồ giải thuật

Bước 13: Nếu tất cả các nhánh/đường dây có thể mở rộng trong mặt cắt S j đã được

xem xét, chuyển đến bước 14 Nếu không, đặt i=i+1 và quay về bước 5

Bước 14: Nếu j = jmax, tiếp tục bước tiếp theo Nếu không, đặt j = j +1 và chuyển

về bước 4

Bước 15: Đối với j = jmax, các lưu đồ giải thuật đã được xây dựng đầy đủ và giải

thuật tối ưu jopt với C T

jopt là chi phí thấp nhất và đáp ứng các tiêu chuẩn độ

tin cậy cần thiết thì thu được trong bước 10.

Trang 29

Chương 4: QUY HOẠCH HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI KHU VỰC

ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

4.1 Giới thiệu hệ thống điện Đồng Bằng Sông Cửu Long

Vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) là một trong những vùng kinh tế trọng điểm của quốc gia đang có xu hướng phát triển các ngành công nghiệp về mặt hàng nông sản, hải sản từ đó các dây chuyền sản xuất ra đời nhu cầu sử dụng điện càng cao Vì nếu không có điện thì các dây chuyền này không sản xuất được, chất lượng điện không đảm bảo sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sản xuất Để đáp ứng nhu cầu

đó quy hoạch và mở rộng hệ thống điện ở ĐBSCL là phần rất quan trọng của sự phát triển kinh tế vùng, đặc biệt là khâu quy hoạch và mở rộng hệ thống truyền tải ở ĐBSCL

Hiện trạng hệ thống nguồn và lưới điện truyền tải cao áp khu vực ĐBSCL bao gồm các mạng điện 220kV , 110kV và đường dây 500kV Phú Lâm – Ô Môn đang vận hành 220kV

Bảng 4.1 Hệ thống nguồn cung cấp điện

Bảng 4.2 Trạm biến áp 220KV

Trang 30

1 Phú Lâm 2 – Cai Lậy (2 mạch)

ACSR 795MCM ACSR 411.66MM

795MCM

Bảng 4.4 Đường dây 110kV

Trang 32

52 Sóc Trăng – Ngã Rẽ BL2 AC2K 150

Trang 33

11 Phú Tân 40MVA

Trang 34

48 Bình Đức 25MVA

4.2 Giới thiệu hệ thống truyền tải khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long

Trong quy mô của luận văn này sẽ áp dụng lý thuyết cho lưới điện có mức điện áp từ 220KV trở lên trong vùng ĐBSCL trên cơ sở kế hoạch xây dựng và vận hành những đường dây 500 KV và phát triển hệ thống nguồn theo sơ đồ quy hoạch

VI Nghiên cứu này sử dụng kết quả dự đoán nhu cầu phụ tải đến năm 2020 từ những tài liệu có liên quan và tình hình phát triển kinh tế xã hội đến 2020 Đặc biệt, Việt Nam sẽ bán điện cho Campuchia thông qua trạm Châu Đốc và có kế hoạch đầu

tư đường cáp ngầm cung cấp cho huyện đảo Phú Quốc

Bảng 4.6 Dự báo hệ thống nguồn cung cấp điện năm 2020 ĐBSCL

STT Phụ tải từ thanh cái các trạm biến áp Công suất lớn nhất

Trang 35

14 Trà Vinh 200 MW

Hệ thống truyền tải cao áp vùng ĐBSCL hiện tại vận hành với mức điện áp cao nhất là 220kV Lưới điện này đang xây dựng và phát triển nhiều tuyến với mức điện áp 500kV như trình bày tại Bảng 4.7

Bảng 4.7 Thông số đường dây truyền tải ĐBSCL

Đến thanh cái

Loại dây dẫn (ACSR)

Trang 36

16 24 25

Kiên Lương

Trang 37

16 Vĩnh Long

11

12 Cây Lậy 9

10 Cao Lãnh 5

1 Trà Nóc 6

7

Rạch Giá

17

18 Bạc Liêu 19

110KV

110KV 110KV

220KV 220KV

220KV

220KV 220KV

220KV

110KV

Hình 4.1 Sơ đồ đơn tuyến hệ thống điện vùng ĐBSCL

4.3 Thông số đầu vào hệ thống truyền tải khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long

Dữ liệu đầu vào để tính toán quy hoạch cho lưới điện vùng ĐBSCL như trình bày tại Bảng 4.8 Trong đó SB và EB tương ứng là nút đầu và cuối của phần tử

Trang 38

(đường dây, máy biến áp, nguồn phát) P(x,y)(0) và C(x,y)(0) tương ứng là công suất

và chi phí đã đầu tư của phần tử hiện hữu P (x,y) (i) và C (x,y) (i) lần lượt là công suất

lớn nhất và chi phí đầu tư của phần tử ứng viên thứ i nối giữa 2 nút x và y (i= 1,

2,3,4) Trong chương trình này sử dụng số phần tử ứng viên nối giữa 2 nút x và y là

P

   3

y , x

P

   4

y , x

P

   0

y , x

C

   1

y , x

C

   2

y , x

C

   3

y , x

C

   4

y , x

C



Trang 40

4.4 Tối ưu hoá quy hoạch hệ thống truyền tải khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long

Hệ thống điện ĐBSCL có tổng công suất nguồn 22.901[MW] cung cấp cho tổng phụ tải 14.423 [MW] thông qua tổng công suất truyền 47.177[MW] ở tuyến 500kV , 5.744[MW] tuyến 220kV, tổng công suất truyền 6.750[MW] trạm biến áp 500kV và 2.475[MW] trạm biến áp 110kV Thông số đầu vào cho bài toán quy hoạch như trình bày tại Bảng 4.8 Công cụ giải bài toán quy hoạch này là phần mềm CMEXPP.FOR Chuẩn độ tin cậy trong nghiên cứu này được khảo sát với 2 trường hợp Trường hợp 1 với chuẩn độ tin cậy là (N-1TL) tức là hệ thống điện sau khi quy hoạch chấp nhận 1 tuyến dây dư hỏng Trường hợp 2 là (N-2TL) tức là hệ thống điện chấp nhận 2 tuyến dây hư hỏng

Kết quả đạt được cho thấy tất cả các chỉ số độ tin cậy của hệ thống điện sau

khi quy hoạch (LOLE SYS) đều nhỏ hơn chỉ số độ tin cậy chuẩn mong muốn (R LOLE)

như trình bày tại Bảng 4.9

Bảng 4.9 Chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống

Định dạng
Số trang	97
Dung lượng	1,8 MB