Bài viết này giới thiệu chương trình tính toán tối ưu lưới điện phân phối trung áp được xây dựng bằng Matlab cho phép tính toán trực tiếp tổn thất điện năng của lưới điện. Bên cạnh đó, bù tối ưu công suất phản kháng và số lượng, vị trí đặt các thiết bị phân đoạn được tối ưu hóa bằng thuật toán di truyền.
Trang 1CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN TỐI ƯU LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP
Trần Thanh Sơn, Trần Anh Tùng
Đại học Điện lực, Hà Nội
Tóm tắt: Hiện nay các công ty điện lực chủ yếu sử dụng chương trình PSS/Adept để
tính toán lưới điện phân phối Chương trình này còn tồn tại một số nhược điểm như chưa tính toán trực tiếp được tổn thất điện năng, chưa tính toán được dung lượng bù tối ưu công suất phản kháng và chưa tính toán tối ưu được số lượng và vị trí đặt của các thiết bị phân đoạn trên cơ sở nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Chính vì vậy, bài báo này giới thiệu chương trình tính toán tối ưu lưới điện phân phối trung áp được xây dựng bằng Matlab cho phép tính toán trực tiếp tổn thất điện năng của lưới điện Bên cạnh đó, bù tối ưu công suất phản kháng và số lượng, vị trí đặt các thiết bị phân đoạn được tối ưu hóa bằng thuật toán di truyền Cơ sở dữ liệu và giao diện của chương trình được xây dựng phù hợp với người sử dụng tại các công ty điện lực Chương trình có tiềm năng ứng dụng cao nhằm phục vụ các tính toán thiết kế, quy hoạch và vận hành lưới điện phân phối trung áp
Từ khóa: Tổn thất điện năng; bù tối ưu; Thuật toán di truyền; Thiết bị phân đoạn;
Độ tin cậy; Lưới điện phân phối
1 GIỚI THIỆU
Tính toán tổn thất điện năng là một trong các nhiệm vụ quan trọng trong hoạt động quản lý, phân phối điện của các công ty điện lực Hiện nay, các tính toán này thường được thực hiện dựa trên công cụ như PSS/ADEPT Kết quả tính toán tổn thất điện năng hàng năm được phân tích để hiểu rõ các nguyên nhân gây tổn thất nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện trong các giai đoạn tiếp theo
Bên cạnh đó, giảm tổn thất điện năng cũng là một trong các nhiệm vụ được ưu tiên của các công ty điện lực Các biện pháp giảm tổn thất điện năng thường được áp dụng như tái cấu trúc lưới điện, tối ưu hóa vận hành, hay bù công suất phản kháng Trong đó, bù công suất phản kháng là một phương pháp được áp dụng rộng rãi Tuy nhiên, việc tính toán bù tối ưu công suất phản kháng bởi các công ty điện lực thường chưa chính xác
Ngoài ra, việc cải thiện các chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện như SAIDI, SAIFI cũng là một nhiệm vụ quan trọng trong vận hành lưới điện phân phối Các giải pháp thường được áp dụng là phân đoạn lưới, trang bị các recloser Tuy nhiên, việc tính toán
số lượng và vị trí đặt cũng như chủng loại (liên quan đến giá thành) một cách tối ưu là một bài toán phức tạp
Chính vì vậy, bài báo này có mục đích giới thiệu một phần mềm giải tích lưới điện cho phép thực hiện ba nhiệm vụ:
Trang 2 Tính toán tổn thất điện năng
Tính toán bù tối ưu công suất phản kháng
Tính toán phương án sử dụng tối ưu các thiết bị phân đoạn
Phần mềm được viết trên nền tảng Matlab, có giao diện được Việt hóa, cơ sở dữ liệu (Input) và kết quả đầu ra (Output) dưới định dạng Excel rất phù hợp với hệ dữ liệu của các công ty điện lực
2 CÁC GIẢI THUẬT CỦA PHẦN MỀM
2.1 Thuật toán dòng điện nút tương đương
Thuật toán dòng điện nút tương đương sử dụng các ma trận dòng điện nút – dòng điện nhánh (DNDN) và dòng điện nhánh điện áp nút (DNAN) để giải bài toán trào lưu công suất của lưới điện phân phối Lưu đồ thuật toán của phương pháp này được giới thiệu trên Hình 1
Đối với lưới điện phân phối, phụ tải tại nút i được biểu diễn bởi phương trình (1)
và dòng điện phụ tải tại nút i được biểu diễn bởi phương trình (2):
(1)
(2)
Đối với mô hình lưới điện phân phối trên Hình 2, dòng điện trên các nhánh có thể được biểu diễn bởi dòng điện nút tương đương:
(3)
(4) (5)
Hệ phương trình trên được viết lại dưới dạng ma trận:
(6)
Đối với lưới điện phân phối có nhiều nhánh rẽ từ đường trục chính, các nút được đánh số lần lượt từ nút nguồn cho đến hết nhánh rẽ đầu tiên trên trục chính sau đó lần lượt đến các nhánh rẽ tiếp theo cho đến nhánh cuối cùng của lưới điện, chỉ số của các nhánh cũng được quy ước theo cách tương tự
= + = , , … ,
= ( / ) ∗
2 = 3+ 4
3 = 4
1 2 3
= 1 1 10 1 1
0 0 1
2 3 4
Trang 3Hình 1: Thuật toán dòng điện nút tương đương
Hình 2: Mô hình lưới điện phân phối đơn giản
Các phương trình dòng điện nhánh có thể được tổng quát hóa bởi phương trình (7):
(7)
[ ] = [ ][ ]
Trang 4Trong đó: B – véctơ dòng điện nhánh;
DNDN – ma trận dòng điện nút – dòng điện nhánh;
Trong khi đó, ma trận DNAN biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện nhánh và điện áp nút Sự chênh lệch điện áp giữa hai nút kề nhau trên lưới điện được giới thiệu trên hình 1 được tính toán trực tiếp từ hệ phương trình:
(8)
(9) (10)
Thay các biểu thức điện áp U2 và U3 trong các phương trình (8) và (9) vào phương trình (10), ta có thể biểu diễn phương trình điện áp U4 như sau:
(11)
(12) Cuối cùng ta có:
(13)
Cách thức xây dựng các ma trận DNDN, DNAN được các tác giả trình bày chi tiết trong [1] Phân bố các dòng công suất trên các nhánh của lưới điện và tổn thất công suất của toàn lưới được tính toán sau khi điện áp tại các nút được xác định theo lưu đồ thuật toán trên Bằng phương pháp này, tổn thất công suất của lưới điện phân phối hình tia có thể được tính toán dễ dàng và nhanh chóng Mặt khác, tốc độ hội tụ của phương pháp dòng điện nút tương đương nhanh hơn so với phương pháp GaussSeidel [1], do đó phương pháp này thích hợp để áp dụng cho các bài toán tối ưu ở các chức năng khác
của phần mềm khi trào lưu công suất của lưới điện phải giải nhiều lần
2.2 Thuật toán di truyền
Thuật toán di truyền là một thuật toán tối ưu phổ biến có nhiều ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều bài toán tối ưu của hệ thống điện Trong phạm vi của phần mềm này, thuật toán di truyền được ứng dụng để tối ưu hóa bù công suất phản kháng và tối ưu phương án sử dụng các thiết bị phân đoạn
2 = 1− 1 12
3 = 2− 2 23
4 = 3− 3 34
4 = 1− 1 12− 2 23− 1 34
1 1 1
− 23 4
= 12
12 23 0
12 23 34
[ ]
[∆ ] = [ ][ ]
Trang 5Lưu đồ thuật toán bù tối ưu công suất phản kháng được giới thiệu trên Hình 3 Các nút bù tiềm năng được lựa chọn dựa trên hệ số độ nhạy tổn thất khi trào lưu công suất của lưới điện được giải lần đầu tiên Sau đó, thuật toán di truyền được áp dụng để xác định dung lượng bù tối ưu cho các nút đã lựa chọn dựa trên cực tiểu hóa hàm mục tiêu Hàm mục tiêu bao gồm tổn thất điện năng của lưới điện và chi phí đầu tư, lắp đặt tụ
bù Giải thích chi tiết các bước thực hiện tính toán đã được các tác giả trình bày trong [2]
Hình 3: Lưu đồ thuật toán bù tối ưu công
suất phản kháng bằng thuật toán di truyền
Hình 4: Lưu đồ thuật toán di truyền
để tối ưu sử dụng dao phân đoạn
Đọc dữ liệu lưới điện
Tính toán trào lưu công suất bằngthuật toán
dòngđiện nút tương đương
Lựa chọn các nút bù tiềm năng
bằnghệ số độ nhạy tổn thất
Tạo ra quần thể đầu tiên (dung lượng bù
của các nút bù được lựa chọn)
Đánh giá hàm mục tiêu
Lựa chọn các cá thể tốt nhất
Trực giao
Hoán chuyển
Độ lệch của hàm mục tiêu < Sai số Đánh giá hàm mục tiêu
Kết thúc Đúng Sai
Lựa chọn
Độ lệch của hàm mục tiêu < Sai số
ú
Đọc dữ liệu lưới điện
Tính toán trào lưu công suất để kiểm tra dòng
điện qua các dao Tạo ra quần thể đầu tiên
Đánh giá hàm mục tiêu
Lựa chọn các cá thể tốt nhất
Trực giao
Đột biến
Đánh giá hàm mục tiêu
Kết thúc
Trang 6Bên cạnh đó, thuật toán di truyền còn được ứng dụng trong chức năng tính toán tối ưu phương án sử dụng các thiết bị phân đoạn của lưới điện phân phối Thực vậy, các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện SAIFI (tần suất mất điện trung bình), SAIDI (thời gian mất điện trung bình) hay ENS (lượng điện năng không được cung cấp do mất điện) phụ thuộc rất nhiều vào số lượng, vị trí đặt và chủng loại thiết bị phân đoạn trên lưới Chính
vì vậy, thuật toán di truyền được đề xuất dựa trên việc tối thiểu hóa hàm mục tiêu gồm lượng điện năng thiếu hụt do mất điện và chi phí cho các loại dao phân đoạn để tìm ra lời giải tối ưu về số lượng, vị trí và chủng loại thiết bị Lưu đồ thuật toán tối ưu sử dụng thiết bị phân đoạn bằng thuật toán di truyền được giới thiệu trên Hình 4
3 GIAO DIỆN VÀ CÁC CHỨC NĂNG CỦA PHẦN MỀM
3.1 Giao diện
Giao diện của phần mềm được giới thiệu trên Hình 5 Các nút chức năng được phân chia trong các khối, được việt hóa, chỉ dẫn rõ ràng từng nhiệm vụ tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng
Cơ sở dữ liệu đầu vào được tổ chức dưới định dạng Excel rất phù hợp với dữ liệu sẵn có tại các công ty điện lực Do đó, việc nhập liệu vào chương trình được thực hiện rất dễ dàng Cấu trúc dữ liệu đầu vào của các máy biến áp được minh họa trên Hình 6
Hình 5: Giao diện của phần mềm tối ưu lưới điện
Trang 7Hình 6: Dữ liệu Máy biến áp của lưới điện 3.2 Các chức năng
a Tổn thất điện năng
Phần mềm có khối chức năng cho phép tính toán tổn thất điện năng, đồng thời cho phép chỉ ra các thông số lưới điện như: tổn thất công suất trên từng đường dây; tổn thất công suất trên từng máy biến áp; điện áp tại các điểm nút; dòng điện trên các nhánh Chức năng này có vai trò quan trọng để nhà quản lý lưới điện đánh giá được mức độ tổn thất điện năng, vị trí gây tổn thất cao và chế độ điện áp của lưới điện để từ đó có thể giám sát và vận hành lưới điện tốt hơn
Hình 7: Minh họa phân bố điện áp và tổn thất công suất tác dụng của lưới điện
Trang 8b Bù tối ưu công suất phản kháng
Khối chức năng tính toán bù tối ưu công suất phản kháng sử dụng thụật toán di truyền để xác định vị trí đặt bù và dung lượng bù tối ưu
Hình 8: Minh họa tính toán bù tối ưu công suất phản kháng
c Tối ưu sử dụng thiết bị phân đoạn
Chức năng tối ưu sử dụng thiết bị phân đoạn sẽ đề xuất một phương án tối ưu về
số lượng, vị trí đặt và chủng loại thiết bị phân đoạn (trong thư viện dữ liệu được nạp) nhằm cải thiện các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện SAIFI, SAIDI và ENS
Hình 9: Minh họa sự cải thiện các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện
sau khi tối ưu sử dụng các thiết bị phân đoạn
d Ví dụ tính toán tổn thất điện năng của xuất tuyến 482E4.6 của lưới điện trung áp thành phố Việt Trì – So sánh với phần mềm PSS/Adept
Để kiểm chứng độ chính xác và tin cậy của chương trình tính toán lưới điện được các tác giả đề xuất, kết quả tính toán tổn thất điện năng trên xuất tuyến 482E4.6 của lưới điện trung áp thành phố Việt Trì bằng phần mềm này được so sánh với kết quả đạt được bằng phần mềm PSS/Adept Bảng 1 giới thiệu kết quả tính toán bởi hai phần mềm Bảng 1 đã chỉ ra rằng kết quả tính toán từ hai phần mềm là hoàn toàn tương đồng
Từ đó, các tác giả có thể khẳng định độ chính xác, tin cậy của phần mềm được đề xuất
Trang 9Bảng 1 Kết quả tính toán tổn thất điện năng của xuất tuyến 482E4.6
bằng phần mềm đề xuất và phần mềm PSS/Adept
Đối tượng
Phần mềm tính toán lưới điện của
Tổn thất ΔP(kW)
Tổn thất điện năng (kWh)
Tổn thất ΔP(kW)
Tổn thất điện năng (kWh)
Xuất tuyến
4 KẾT LUẬN
Phần mềm tối ưu lưới điện phân phối đem đến một giải pháp hiệu quả, tin cậy
trong đánh giá, chuẩn đoán chế độ vận hành của các lưới điện phân phối Tính đa chức
năng cho phép người sử dụng có thể tối ưu lời giải cho các bài toán phức, đa mục tiêu
của hệ thống điện như bù công suất phản kháng và sử dụng các thiết bị phân đoạn Phần
mềm có giao diện thân thiện, đơn giản, hệ dữ liệu phù hợp với cơ sở dữ liệu sẵn có tại
các công ty điện lực
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Thanh Sơn, Trần Anh Tùng, “Tính toán tổn thất điện năng cho lưới điện phân phối
bằng thuật toán dòng điện nút tương đương,” Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà
Nẵng, số 11 (2015), tr 5761
[2] Trần Thanh Sơn, Trần Anh Tùng, “Bù tối ưu công suất phản kháng sử dụng thuật toán
dòng điện nút tương đương và thuật toán di truyền,” Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và
Công nghệ Quân sự, số đặc san 07(2017), tr 2734
[3] Abdellatif Hamouda, Khaled Zehar, “Improved algorithm for radial distribution networks
load flow solution,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Volume
33, Issue 3, March 2011, pp 508514
[4] Bhujel, D., Adhikary, B., Mishra, A.K., “A Load Flow Algorithm for Radial Distribution
System with Distributed Generation,” Sustainable Energy Technologies (ICSET), 2012 IEEE
Third International Conference on, vol., no., pp.375,380, 2427 Sept 2012
[5] S Ghosh and D Das, “Method for loadflow solution of radial distribution networks” IEE
Proc.Gener Transm Distrib., Vol 146, No 6, November 1999
[6] JenHao Teng, “A Direct Approach for Distribution System Load Flow Solutions” IEEE
Transactions On Power Delivery, vol 18, No 3, July 2003
[7] A.G Bhutad, S.V Kulkarni and S.A Khaparde, “Threephase Load Flow Methods for Radial
Distribution Networks”