Tối ưu hóa cấu trúc mạng lưới phân phối điện dùng phương pháp cận và nhánh

Phạm vi đề tài này sẽ giới thiệu một số mô hình mở rộng của bài toán quy hoạch tuyến tính để giải bài toán xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện, bài toán này có thể phát biểu dưới dạng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

NGUYỄN QUỐC KHANH

TỐI ƯU HOÁ CẤU TRÚC MẠNG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN DÙNG PHƯƠNG PHÁP CẬN VÀ NHÁNH

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HỒ VĂN HIẾN

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 BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

Ngày …… tháng …… năm 2010

TP HCM, ngày …… tháng …… năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I- TÊN ĐỀ TÀI:

Tối ưu hoá cấu trúc mạng lưới phân phối điện dùng phương pháp cận và nhánh

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Giới thiệu mô hình cấu trúc hệ thống điện

- Khảo sát các dạng tổn thất trong hệ thống điện

- Nghiên cứu các phương pháp tối ưu cấu trúc mạng lưới điện bằng các thuật toán, mô hình toán học

- Nghiên cứu chi tiết thuật toán đơn hình, phương pháp cận và nhánh để tìm cấu trúc tối ưu của hệ thống điện

- Minh hoạ bằng chương trình Mathlab

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/07/2010

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến: TS Hồ Văn Hiến - về tất

cả những hướng dẫn, ý kiến đóng góp tận tình của Thầy đối với người thực hiện luận văn trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn này

Với những kiến thức có được ngày hôm nay, đó là kết quả của một quá trình học tập và rèn luyện lâu dài, nhưng trên hết vẫn là những công ơn của tất cả Quý Thầy, Cô Trường Đại Học Bách Khoa nói chung và các Thầy, Cô trong khoa Điện – Điện Tử nói riêng đã đem đến hành trang kiến thức cho tôi Xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn thân thiết nhất đến bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập, công tác cũng như trong thời gian hoàn thành luận văn này

MỤC LỤC - - TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI trang 1 CHƯƠNG I: CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN trang 3

I KHÁI NIỆM HỆ THỐNG ĐIỆN: trang 3

II PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỆN: trang 4

1 Phân loại theo sự quản lý: trang 4

2 Phân loại theo quy hoạch: trang 4

3 Phân loại theo điều độ: trang 4

4 Phân loại theo hướng nghiên cứu, tính toán: trang 4

III MỤC ĐÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN: trang 5

CHƯƠNG II: TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN trang 7

I PHÂN LOẠI TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN: trang 7

1 Tổn thất kỹ thuật: trang 7

2 Tổn thất phi kỹ thuật: trang 8

II TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TIÊU BIỂU: trang 8 III NGUYÊN TẮC PHÂN TÍCH TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN: trang 9

IV CÁC BIỆN PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG: trang 10

1 Chống tổn thất thông qua cải tạo lưới: trang 11

2 Chống tổn thất thông qua cải thiện điều kiện về vận hành: trang 12

3 Chống tổn thất đối với tổn thất phi kỹ thuật: trang 13

CHƯƠNG III: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ QUY HOẠCH HTĐ trang 15

I PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN HỆ THỐNG: trang 15

1 Nguyên lý tiếp cận hệ thống: trang 15

2 Phương pháp phân tích hệ thống: trang 16

II NỘI DUNG QUY HOẠCH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG: trang 16

1 Mục đích và nội dung qui hoạch phát triển hệ thống năng lượng: trang 16

2 Cấu trúc phân cấp của việc qui hoạch hệ thống năng lượng: trang 17 III NHIỆM VỤ CỦA QUY HOẠCH VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN: trang 18

CHƯƠNG IV: CÁC PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH CẤU TRÚC MẠNG LƯỚI ĐIỆN trang 20

I KHÁI NIỆM CHUNG: trang 20

II GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI: trang 22

1 Khái niệm chung: trang 22

2 Phương pháp quy hoạch lưới điện: trang 23

III QUY HOẠCH LƯỚI ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÔNG CHÍNH QUY: trang 23

1 Kiểm tra quá tải: trang 24

2 Phân tích độ nhạy: trang 24

3 Thành lập sơ đồ: trang 24

IV QUY HOẠCH LƯỚI ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU TOÁN HỌC CHẶT CHẼ: trang 25

1 Đặt bài toán xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện: trang 25

2 Các phương pháp tối ưu toán học chặt chẽ: trang 25

2.1 Phương pháp liệt kê: trang 26

2.2 Phương pháp cận và nhánh để xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện: trang 26

CHƯƠNG V: ÁP DỤNG CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH trang 31

I KHÁI NIỆM VỀ BÀI TOÁN QUI HOẠCH: trang 31

1 Bài toán qui hoạch tổng quát: trang 31

2 Phân loại bài toán qui hoạch: trang 31

II BÀI TOÁN QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH: trang 33

1 Đặt bài toán: trang 33

2 Các dạng bài toán qui hoạch tuyến tính: trang 35

2.1 Dạng tổng quát: trang 35

2.2 Dạng chính tắc: trang 35

2.3 Dạng chuẩn tắc: trang 36

3 Phương pháp đơn hình: trang 37

3.1 Tổng quan về phương pháp đơn hình: trang 37

3.2 Thuật toán đơn hình chuẩn: trang 39

I ĐẶT BÀI TOÁN: trang 46

II GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN TÌM CẤU TRÚC TỐI ƯU CỦA LƯỚI ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẬN VÀ NHÁNH: trang 46

1 Tìm phương án có cây bao trùm nhỏ nhất: trang 46

1.1 Một số định nghĩa cơ bản: trang 46

1.2 Thuật toán tìm cây bao trùm nhỏ nhất: trang 47

2 Tìm phương án có chi phí tổn thất điện năng Z2 là nhỏ nhất: trang 49

3 Tìm phương án tối ưu bằng phương pháp cận và nhánh: trang 52

III KIỂM TRA TỔN THẤT ĐIỆN ÁP, TỔN THẤT CÔNG SUẤT: trang 59

1 Trường hợp đường dây hình tia: trang 59

2 Trường hợp đường dây liên thông: trang 60

CHƯƠNG VII: TỐI ƯU HÓA CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI DÙNG PHƯƠNG PHÁP CẬN VÀ NHÁNH trang 63

BÀI TOÁN 1: CẤU TRÚC MẠNG LƯỚI ĐIỆN HÌNH TIA: trang 63

I DỮ LIỆU SƠ ĐỒ ĐỊA LÝ, ĐẶC ĐIỂM NGUỒN VÀ PHỤ TẢI: trang 63

1 Sơ đồ địa lý - Các số liệu về nguồn và phụ tải: trang 63

2 Phân tích nguồn và phụ tải: trang 64

3 Cân bằng sơ bộ công suất: trang 65

3.1 Cân bằng công suất tác dụng P: trang 65

3.2 Cân bằng công suất phản kháng Q: trang 65

4 Lập bảng số liệu và vẽ sơ đồ graph đầy đủ của lưới điện thiết kế: trang 67

4.1 Lập bảng số liệu: trang 67

4.2 Sơ đồ graph đầy đủ của lưới điện thiết kế: trang 67

5 Xác định phương án có min Z1=W1: trang 68

5.1 Áp dụng thuật toán Prim tìm cây bao trùm nhỏ nhất: trang 68

6 Xác định phương án có minZ2 = W2: trang 71

6.1 Xây dựng hàm mục tiêu: trang 72

6.2 Lập hệ phương trình ràng buộc: trang 73

6.3 Áp dụng thuật toán đơn hình để tìm phương án tối ưu: trang 73

7.1 Tìm giá trị cận dưới của hàm mục tiêu (W): trang 75

7.2 Sử dụng phương pháp cận và nhánh để tìm cấu trúc tối ưu: trang 78

8 Kiểm tra tổn thất điện áp, tổn thất công suất: trang 82

BÀI TOÁN 2: CẤU TRÚC MẠNG LƯỚI ĐIỆN LIÊN THÔNG: trang 86

II DỮ LIỆU SƠ ĐỒ ĐỊA LÝ, ĐẶC ĐIỂM NGUỒN VÀ PHỤ TẢI: trang 86

1 Sơ đồ địa lý - Các số liệu về nguồn và phụ tải: trang 86

2 Phân tích nguồn và phụ tải: trang 87

3 Cân bằng sơ bộ công suất: trang 88

3.1 Cân bằng công suất tác dụng P: trang 88

3.2 Cân bằng công suất phản kháng Q: trang 89

4 Lập bảng số liệu và vẽ sơ đồ graph đầy đủ của lưới điện thiết kế: trang 90

4.1 Lập bảng số liệu: trang 90

4.2 Sơ đồ graph đầy đủ của lưới điện thiết kế: trang 90

5 Xác định phương án có min Z1=W1: trang 91

5.1 Áp dụng thuật toán Prim tìm cây bao trùm nhỏ nhất: trang 91

6 Xác định phương án có minZ2 = W2: trang 93

6.1 Xây dựng hàm mục tiêu: trang 94

6.2 Lập hệ phương trình ràng buộc: trang 94

6.3 Áp dụng thuật toán đơn hình để tìm phương án tối ưu: trang 95

7 Xây dựng cây phương án và tìm phương án tối ưu của lưới điện phân phối theo phương pháp cận và nhánh: trang 103

7.1 Tìm giá trị cận dưới của hàm mục tiêu (W): trang 103

7.2 Sử dụng phương pháp cận và nhánh để tìm cấu trúc tối ưu: trang 105

8 Kiểm tra tổn thất điện áp, tổn thất công suất: trang 110

CHƯƠNG VIII: KẾT LUẬN trang 114

±±±

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…) được nối liền với nhau tạo thành

hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng

Điện năng truyền tải đến hộ tiêu thụ phải thỏa mãn các tiêu chuẩn chất lượng phục vụ (bao gồm chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện) và có chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối nhỏ nhất

Cấu trúc của lưới điện là cách bố trí các phần tử và cách chắp nối giữa các phần tử trong lưới điện Như vậy cấu trúc của lưới có thể được mô tả bằng các đồ thị hình học (các graph), các bảng số (các ma trận) hoặc các quan hệ hàm số (các ánh xạ)

Cấu trúc của lưới điện có liên quan trực tiếp đến việc vận hành và khả năng phát triển của lưới Như vậy khi thay đổi cấu trúc của lưới sẽ dẫn đến sẽ thay đổi chức năng của lưới điện và

do đó sẽ ảnh hưởng tốt hay xấu tới việc thực hiện mục tiêu đề ra đối với lưới điện và do đó sẽ tạo ra ảnh hưởng tốt hoặc xấu đối với việc thực hiện mục tiêu đề ra đối với lưới điện Chính vì vậy, cần xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện để đạt được mục tiêu đề ra Đây là một bài toán động, đa chỉ tiêu, phân cấp và bất định Việc giải bài toán này là một việc phức tạp, cần phải áp dụng những phương pháp quy hoạch toán học

Có nhiều phương pháp, công cụ toán học để giải bài toán tìm cấu trúc tối ưu của hệ thống điện Phạm vi đề tài này sẽ giới thiệu một số mô hình mở rộng của bài toán quy hoạch tuyến tính

để giải bài toán xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện, bài toán này có thể phát biểu dưới dạng toán học như sau: “Cho biết công suất và vị trí địa lý của các nguồn điện và phụ tải, cần xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện thiết kế nhằm thỏa mãn cực tiểu hàm chi phí tính toán Z”

Trong đó:

Z2 : đại diện cho chi phí tổn thất điện năng trên lưới điện

Krustal để giải quyết vấn đề trên

quyết vấn đề trên bằng cách áp dụng mô hình toán học vào sơ đồ lưới điện kèm theo các phương trình ràng buộc về dòng điện tại các nút (dựa trên định luật Kirrkoff 1)

ưu hoá trên nguyên tắc của phương pháp cận và nhánh để tìm cấu trúc tối ưu của lưới điện thiết

kế

Cuối cùng, sử dụng công cụ phần mềm Mathlab để minh họa, kiểm chứng với kết quả tính tay

Nội dung đề tài bao gồm các chương sau:

Chương I : Cấu trúc hệ thống điện

Chương II : Tổn thất trong hệ thống điện

Chương III : Khái niệm chung về quy hoạch hệ thống điện

Chương IV : Các phương pháp quy hoạch cấu trúc mạng lưới điện

Chương V : Áp dụng các mô hình toán học để giải bài toán QHTT

Chương VI : Giới thiệu phương pháp cận và nhánh

Chương VII : Tối ưu hóa cấu trúc mạng lưới phân phối điện dùng phương pháp

cận và nhánh

Chương VIII : Kết luận

CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN

I KHÁI NIỆM HỆ THỐNG ĐIỆN (HTĐ):

Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…) được nối liền với nhau tạo thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng

Thông thường, một hệ thống điện được phân chia thành 3 phần chính:

1 Nhà máy điện: là nơi sản xuất điện năng

2 Hệ thống lưới truyền tải điện năng: để truyền tải điện đến khu vực phụ tải

3 Hệ thống lưới phân phối: dùng để truyền tải điện trực tiếp đến hộ tiêu dùng Tập hợp các bộ phận của hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các đường dây tải điện và các trạm biến áp được gọi là lưới điện

Điện năng truyền tải đến hộ tiêu thụ phải thỏa mãn các tiêu chuẩn chất lượng phục vụ (bao gồm chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện) và có chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối nhỏ nhất

Điện năng được sản xuất từ thủy năng và các loại nhiên liệu sơ cấp như: than đá, dầu, khí đốt, nguyên liệu hạt nhân… trong các nhà máy thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên tử…

Điện năng được sử dụng ở các thiết bị dùng điện để tạo ra các dạng năng lượng khác để phục vụ sản xuất và đời sống như: cơ năng, nhiệt năng, quang năng…

Các thiết bị dùng điện được gọi chung là phụ tải điện

Hình 1: Sơ đồ mô tả vị trí của hệ thống điện (HTĐ) trong nền kinh tế quốc dân

Các loại nhiên liệu

Thủy năng

Hệ thống điện

Phụ tải

Môi trường: Địa lý, kinh tế, xã hội

Hệ thống điện phát triển không ngừng trong không gian và thời gian để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của phụ tải Để nghiên cứu, quy hoạch phát triển hệ thống điện cũng như để quản lý, vận hành, hệ thống điện được phân chia thành các phần hệ thống tương đối độc lập với nhau

1 Phân loại theo sự quản lý:

Về mặt quản lý, hệ thống điện được phân thành:

- Các nhà máy điện do các nhà máy điện tự quản lý

- Lưới hệ thống siêu cao áp (≥ 220 kV) và trạm khu vực do các công ty truyền tải quản lý

- Lưới truyền tải và phân phối do các công ty lưới điện quản lý, dưới các công ty lưới điện này là các sở điện lực

2 Phân loại theo quy hoạch:

Về mặt quy hoạch, hệ thống điện chia làm 2 cấp:

- Nguồn điện, lưới hệ thống, các trạm khu vực được quy hoạch trong tổng sơ đồ

- Lưới truyền tải và phân phối được quy hoạch riêng

3 Phân loại theo điều độ:

Về mặt điều độ, hệ thống điện chia thành 3 cấp:

- Điều độ địa phương: điều độ các nhà máy điện, điều độ các trạm khu vực, điều độ các công ty điện

- Điều độ các sở điện

4 Phân loại theo hướng nghiên cứu, tính toán:

Về mặt nghiên cứu, tính toán, hệ thống điện được phân chia thành:

- Lưới hệ thống

- Lưới truyền tải (35kV, 110kV, 220kV)

- Lưới phân phối trung áp (6kV, 10kV, 15kV, 22kV, 35kV)

III MỤC ĐÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN (HTĐ):

Mục đích của hệ thống điện là thỏa mãn nhu cầu điện năng ngày càng cao của người dùng điện Đảm bảo chất lượng phục vụ cao, an toàn đối với khách hàng đồng thời đạt hiệu quả kinh tế cao cho bản thân hệ thống điện

Cung cấp loại hàng hóa đặc biệt có ảnh hưởng đến đời sống hàng ngày của nhân dân, hệ thống điện cũng phải thực hiện các nhiệm vụ chính trị - xã hội của nhà nước

Mục đích nêu trên được quán triệt trong mọi hoạt động hệ thống điện từ khâu quy hoạch, thiết kế đến vận hành

Trong quy hoạch hệ thống điện phải tìm được phương án phát triển tốt nhất cho giá thành sản xuất, truyền tải và phân phối nhỏ nhất, xét trong thời gian dài

Trong thiết kế phải tìm được giải pháp kỹ thuật tối ưu, thỏa mãn mọi yêu cầu kỹ thuật nhưng có giá thành hợp lý và tạo được điều kiện thuận lợi cho vận hành sau này

Trong vận hành cần tổ chức tốt quản lý kỹ thuật, theo dõi, điều khiển hoạt động của hệ thống điện và lưới điện sao cho chất lượng điện năng và độ tin cậy cao, chi phí vận hành bao gồn chi phí nhiên liệu, tổn thất công suất và điện năng, chi phí sửa chữa sự

cố, bảo quản… nhỏ nhất Kịp thời phát hiện những bất hợp lý về kinh tế và kỹ thuật mới phát sinh do phụ tải tăng hoặc do thiết bị già hóa để có các biện pháp hoàn thiện lưới điện

Áp dụng các thiết bị mới có đặc tính kinh tế - kỹ thuật cao hơn, kỹ thuật mới trong điều khiển vận hành, phương pháp tổ chức công tác xây dựng cũng như vận hành,

áp dụng tin học cũng như tự động hóa trong quy hoạch, thiết kế và vận hành…đó là các biện pháp tất yếu để tăng năng suất lao động, tăng chất lượng hoạt động của hệ thống điện, chất lượng phục vụ khách hàng và tăng hiệu quả kinh doanh

Để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện cần tác động đến khách hàng thông qua hệ thống giá cả cùng các phương tiện kỹ thuật thực hiện, tuyên truyền…nhằm san bằng đồ thị phụ tải, giảm nhẹ tải trọng của hệ thống điện trong giờ cao điểm và khai thác tốt hơn thiết bị trong giờ thấp điểm

Năng lượng sơ cấp là nguồn tài nguyên quý hiếm và cạn kiệt dần, do đó sử dụng tối ưu các nguồn nguyên liệu, tối thiểu hóa giá thành sản xuất điện năng, tiết kiệm năng

dụng điện có suất tiêu hao điện năng thấp được nghiên cứu, sản xuất, các biện pháp tiết kiệm điện được phổ biến trong người tiêu dùng, đặc biệt cần nâng cao ý thức tiết kiệm điện năng

TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

I PHÂN LOẠI TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN (HTĐ):

Năng lượng là nguồn chủ yếu cho sự phát triển kinh tế và xã hội trong đó điện năng chiếm một vai trò quan trọng Tầm cỡ và cấu trúc hệ thống điện thay đổi nhiều từ nước này sang nước khác

Trong quá trình cung cấp điện năng đến nơi tiêu thụ, hệ thống điện phải gánh chịu tổn thất trong các cấp sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng Tổn thất trong khâu sản xuất thay đổi trong khoảng 1% đến 6% của tổng sản lượng điện năng tùy theo loại nhà máy thủy điện hay nhiệt điện Các khảo sát gần đây cho thấy, tổn thất trong truyền tải và phân phối khoảng 10% trên tổng sản lượng điện năng sản xuất ra mặc dù mức tổn thất tối ưu kinh tế có thể đạt được dưới 5% Tổn thất lớn trong truyền tải và phân phối điện năng là bài toán quan trọng mà các công ty điện lực ở hầu hết các nước đang phát triển phải đối đầu

Tổn thất điện năng được chia ra làm tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật

1 Tổn thất kỹ thuật:

Các tổn thất kỹ thuật bao gồm:

a/ Tổn thất trên đường dây do điện trở của dây dẫn

b/ Tổn thất trong máy biến áp và máy điều chỉnh:

i/ Tổn thất có tải (trong đồng)

c/ Tổn thất vầng quang trên đường dây cao áp và siêu cao áp

d/ Tổn thất điện môi trong đường dây cáp ngầm hay tụ điện tĩnh

e/ Tổn hao trong điện năng kế

f/ Tổn hao do hệ số công suất thấp

g/ Các tổn thất kỹ thuật khác

2 Tổn thất phi kỹ thuật:

a/ Trộm điện ở khách hàng có đặt điện năng kế:

i/ Câu trước điện kế

b/ Ăn cắp điện: khách hàng không có điện kế, câu điện bất hợp pháp

c/ Điện kế hoạt động sai

d/ Sự làm việc không đúng của nhân viên điện lực trong việc ghi chỉ số công tơ và

thu tiền điện

II TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TIÊU BIỂU:

Khoảng 9 ÷ 10% của điện năng sản xuất ra trong nhiều hệ thống điện bị mất mát

Vì đầu tư phải được thực hiện đối với các công trình để cung cấp bù vào tổn thất này,

các công trình này cần được xem xét kỹ lưỡng trong thiết kế

Sự hiểu biết về tổn thất là cơ bản và không được bỏ qua trong việc so sánh các

phương án và phải được nghiên cứu đầy đủ về mỗi trường hợp cụ thể

Tổn thất kỹ thuật của một hệ thống điện tiêu biểu

Nguồn tổn thất Phần trăm

Đường dây truyền tải sơ cấp 0,750

Trạm sơ cấp 0,375 Đường dây truyền tải thứ cấp 1,700

Trạm thứ cấp 0,375 Đường dây phân phối sơ cấp 3,000

Trạm phân phối sơ cấp 0,375

Đường dây phân phối thứ cấp 4,000

Thiết bị đo đếm 1,500

Tổng : 12,622%

với đặc điểm lưới phân phối chiếm một tỷ trọng khá lớn về số lượng lưới điện và thiết bị điện, nên chi phí dùng cho việc đầu tư, quản lý vận hành, duy tu bảo dưỡng cũng cần được quan tâm Xét về mặt tổn hao trên lưới trong quá trình phân phối điện năng thì tỷ trọng điện năng tiêu hao trong quá trình phân phối cũng chiếm một tỷ trọng khá lớn

III NGUYÊN TẮC PHÂN TÍCH TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN (HTĐ):

suất của chúng được xem như một phụ tải yêu cầu Một trong những khảo sát quan trọng trong việc quy hoạch và thiết kế một hệ thống điện đang phát triển là phí tổn do tổn thất trong công suất, điện năng và công suất phản kháng Nói chung, tổn thất có thể được giảm thiểu bằng sự đầu tư nhiều hơn trong đường dây và thiết bị Điều cần thiết là phải xác định liệu xem việc giảm chi phí về tổn thất có xứng đáng với việc tăng trong đầu tư hay không

Phí tổn do tổn thất công suất được kể đến nếu như tổn thất làm tăng phụ tải đỉnh ở một hay nhiều thành phần của hệ thống Phụ tải đỉnh tăng dẫn đến việc tăng khả năng mang tải của mỗi phần tử trong hệ thống sản xuất và truyền dẫn công suất đến điểm mà tổn thất xảy ra

Phí tổn do tổn thất công suất là tác dụng của tổn thất được đánh giá trong phí tổn

về khả năng tải của hệ thống trong tương lai

Khả năng tải được yêu cầu để cung cấp cho cho tổn thất phải được kể vào khả năng dự trữ như đã được dành ưu tiên cho phụ tải đỉnh Bất kỳ sự đầu tư nào về khả năng tải phụ thêm trong tương lai phải bao gồm phí tổn đầu tư về nguyên vật liệu và chi phí về bảo quản Chi phí hàng năm về tổn thất công suất bao gồm chi phí cố định trên vốn đầu

tư được yêu cầu để cung cấp cho tổn thất cộng với chi phí vận hành và bảo quản Chi phí vận hành và bảo quản tỷ lệ với khả năng tải

Phí tổn do thành phần điện năng tổn thất phải được kể đến vì tổn thất làm tăng chi phí sản xuất điện năng được bán hay điện năng mua Tổng quát, chi phí do tổn thất điện năng bằng tích số của điện năng tổn thất trong thiết bị với giá một đơn vị điện năng tại nguồn

đáng kể Tổn thất phản kháng được tính toán đối với phụ tải yêu cầu cực đại của phần hệ thống đang xét Chi phí tổn thất phản kháng là chi phí hàng năm của thiết bị bù công suất phản kháng được thiết đặt trên phần của hệ thống nhằm tạo ra được phí tổn ít nhất đối với việc cung cấp công suất phản kháng

Hệ số tổn thất là tỷ số giữa tổn thất công suất trung bình với tổn thất công suất lúc phụ tải đỉnh

Với một phụ tải đã cho, hệ số tổn thất là một giá trị ở khoảng giữa của hệ số phụ tải và bình phương của hệ số phụ tải:

đó chia cho tổn thất công suất lúc phụ tải cực đại Số giờ tương đương τ bằng số giờ tổng của giai đoạn khảo sát nhân với hệ số tổn thất Từ đó suy ra biểu thức tính tổn thất điện năng:

ΔA = ΔPtbT = (Ktt ΔPmax) T = (Ktt T) ΔPmax = τ ΔPmax

Trong đó T: tổng số giờ của giai đoạn khảo sát, ví dụ 8760 giờ/năm

τ: số giờ tương đương (còn gọi là t.gian tổn thất CS cực đại), τ = Ktt.T

IV CÁC BIỆN PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG:

Công tác chống tổn thất được tiến hành thông qua việc phân tích tổn thất trong hệ thống điện, thiết lập các biện pháp phòng chống tổn thất và đánh giá tác dụng của các biện pháp này

Các nhiệm vụ chủ yếu bao gồm:

a/ Phân tích và đánh giá tổn thất

c/ Chống lấy cắp điện

Tác dụng của việc chống tổn thất thông qua các hoạt động nói trên được tóm lượn như sau:

1 Chống tổn thất thông qua cải tạo lưới:

1.1 Phát triển trục hệ thống truyền tải:

Xây dựng các đường dây truyền tải chính xuyên qua các vùng trong nước có cấp điện áp 110 kV, 154 kV, 220 kV, 345 kV, 500 kV

1.2 Xây dựng các nhà máy và các trạm ở các trung tâm phụ tải:

Phần lớn điện năng được cung cấp từ các nhà máy ở xa trung tâm phụ tải Xây dựng các nhà máy nhiệt điện lớn gần trung tâm phụ tải cải thiện sự mất cân đối trong việc điều độ hệ thống Điều này làm giảm được sự phân chia công suất trên đường dây dài, góp phần làm giảm tồn thất truyền tải và phân phối

1.3 Đơn giản hoá các cấp điện áp:

Thay dần cấp điện áp 66 kV bằng cấp điện áp 110 kV và chỉ còn cấp điện áp 110

kV, 220 kV trên lưới truyền tải cũng nhằm mục đích làm giảm tổn thất

1.4 Thay các đường dây phân phối trung áp và hạ áp và biến đổi hệ thống phân phối một pha thành ba pha:

Các đường dây cũ bị quá tải do phụ tải phát triển được thay bằng dây dẫn có đường kính lớn hơn hoặc là cải thiện các đường dây ba pha 220V thành điện áp 380V

Các đường dây một pha trên mạng nông thôn do khoảng cách dài nên gây sụt áp

và tổn thất điện năng được chuyển đổi thành đường dây ba pha

1.5 Đặt tụ bù để nâng cao cos ϕ đường dây:

Hệ số công suất thấp gây ra bởi các phụ tải động cơ cảm ứng, cùng với tính cảm của đường dây Điều này gây ra sụt áp lớn và tổn thất điện năng nhiều hơn trên đường dây Tụ điện bù ngang trên đường dây được dùng ở những nơi cần điều chỉnh cosϕ cao hơn trên cơ sở của việc đo hệ số công suất trên đường dây phân phối Các nơi tiêu thụ có động cơ bắt buộc phải đặt tụ điện lực, cosϕ cuối đường dây được yêu cầu từ 0,85 đến 0,95, các phụ tải có cosϕ thấp bị phạt với giá tiền điện cao hơn Gần đây, các đồ điện gia

từ nơi sản xuất

1.6 Giảm tổn thất trong các máy biến áp phân phối:

Tổn thất sắt của các máy biến áp phân phối chiếm một phần lớn của tổng tổn thất Việc dùng các máy biến áp có tổn thất sắt thấp (lõi sắt cuốn) thay cho các máy biến áp

cũ cũng làm giảm tổn thất đáng kể

2 Chống tổn thất thông qua cải thiện điều kiện về vận hành:

2.1 Giảm tổn thất thông qua điều độ kinh tế trong hệ thống:

Với khả năng dự trữ sẵn có của các nhà máy điện để đảm bảo chất lượng điện năng về điện áp và tần số, việc điều độ hệ thống được thực hiện bởi điều độ trung tâm và điều độ địa phương

Tác dụng của vận hành kinh tế trong hệ thống điện đã giảm được tổn thất điện năng (một trong những ràng buộc về vận hành) qua việc duy trì điện áp ổn định trong hệ thống, điều khiển máy phát nhằm cân bằng công suất trong hệ thống, cực tiểu công suất phản kháng phát ra ở nhà máy

2.2 Cung cấp trực tiếp bằng điện áp cao đến các phụ tải:

Các phụ tải công suất lớn có số lượng càng ngày càng tăng, kết quả của nền kinh

tế phát triển nhanh được khuyến khích nhận điện trực tiếp từ điện áp cao qua trạm biến

áp phân phối đặt ngay tại nơi tiêu thụ Điều này làm giảm tổn thất và tránh tổnthất điện năng do cung cấp qua nhiều cấp điện áp, chẳng hạn phát triển các cấp điện áp 110 kV, 35 kV để dễ dàng nối đến các phụ tải lớn bằng các cấp điện áp này thay vì cung cấp từ các cấp điện áp 6, 10, 15, 22 kV

2.3 Giảm tổn thất thông qua cải thiện hệ số phụ tải:

Hệ số phụ tải còn được gọi là hệ số điền kín phụ tải Khi hệ số phụ tải của hệ thống thấp, khả năng phát để cung cấp cho phụ tải cực đại càng lớn Điều này có nghĩa là phải đầu tư nhiều hơn cho nguồn và lưới và tổn thất công suất tỷ lệ với bình phương của cường độ dòng điện cũng từ đó mà tăng lên

Hệ số phụ tải có thể được cải thiện nâng lên nếu làm cho đồ thị phụ tải được bằng phẳng hơn bằng cách hạn chế sử dụng điện vào những giờ cao điểm và chuyển sang sử dụng vào những giờ thấp điểm, thay đổi quy trình sản xuất của các phụ tải công nghiệp

công ty điện lực, chỉ có cách là điều chỉnh giá bán điện theo giờ nghĩa là bán giá cao vào lúc phụ tải đỉnh và bán giá thấp hơn vào lúc phụ tải cực tiểu đề người tiêu thụ điện ý thức về một kế hoạch sử dụng điện một cách hiệu quả cho chính họ

3 Chống tổn thất đối với tổn thất phi kỹ thuật:

Tổn thất phi kỹ thuật bao gồm ăn cắp điện, tổn thất do dự khác nhau về thời điểm

đo lường, tổn thất do sai số trong việc tính toán tổn thất trong hệ thống phân phối

3.2 Kiểm tra chặt chẽ điện năng kế:

Để quản lý không bị sai sót, biện pháp tích cực được thực hiện trước hết là chỉnh sửa lại các điện năng kế chạy sai, thay thế ngay các công tơ hoạt động đo đếm sai Thứ hai là giám sát định kỳ các công tơ điện, kiểm tra các máy biến dòng đặt tại các phụ tải lớn, đặt đèn tín hiệu để báo đứt dây chì ở các máy biến áp đo lường, kiểm tra các đấu nối vào công tơ để tránh đấu nối sai đầu dây vào công tơ, kiểm tra điện năng kế không những tiến hành ở những nơi tiêu thụ điện mà còn ở trạm điện, nhà máy điện để tránh sai sót trong phân tích tổn thất

Hình 2: Tổn thất điện năng trong hệ thống điện

Wh Wh Wh

Wh Wh

Tổn thất đường dây (I2R ) Tổn thất vầng quang

MBA giảm a/ Tổn thất đồng b/ Tổn hao sắt

Tổn hao đường dây

Biến áp giảm a/ Tổn hao đồng b/ Tổn hao sắt

Tổn thất đường dây (I2R )

Tổn thất trong MBA a/ Tổn hao đồng

b/ Tổn hao sắt

Tổn thất đường dây (I2R ) Tổn thất phi kỹ thuật

Phân phối sơ cấp

Biến áp phân phối

Phân phối thứ cấp

Tự dùng

Phụ tải tiêu thụ

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ QUY HOẠCH

Các hệ thống năng lượng thuộc loại hệ thống lớn theo nghĩa phức tạp gồm nhiều

mối quan hệ bên trong và bên ngoài, có phân cấp theo nghĩa có những hệ thống con và

có tính phát triển

Trước đây với quan điểm cơ giới, người ta nghiên cứu đối tượng bằng cách chia cắt, tách rời thành từng bộ phận và tiến hành nghiên cứu trên từng bộ phận Từ tính chất từng bộ phận suy ra tính chất toàn hệ thống Quan điểm cơ giới có nhược điểm là cắt rời các bộ phận một cách thực sự, không nghiên cứu các mối tương quan chặt chẽ giữa chúng, không xem xét các phần tử trong mối liên quan chặt chẽ với tổng thể, coi tính chất tổng thể là do tính chất bộ phận cộng lại

Quan điểm Duy vật biện chứng đã chỉ ra cách tiếp cận hệ thống bằng phương pháp phân tích và phương pháp tổng hợp Phân tích là phương pháp phân chia hệ thống thành các bộ phận cấu thành đơn giản hơn Nhưng muốn nhận thức được cấu tạo, tính chất chức năng và qui luật phát triển thì phương pháp phân tích phải đi đôi với phương pháp tổng hợp

Để điều khiển tối ưu một hệ thống lớn cần phải xuất phát từ việc thoả mãn mục tiêu tối ưu chung và thoả mãn một loạt các mục tiêu cục bộ Như vậy các mục tiêu cục

bộ phải phù hợp với mục tiêu chung hoặc ít ra là không mâu thuẫn với mục tiêu chung

Để giải bài toán phức tạp này phải kết hợp các phương pháp chính qui chặt chẽ với các phương pháp không chính qui Đó chính là nội dung của việc tổng hợp và phân tích hệ thống Việc tổng hợp và phân tích hệ thống không chỉ để biết được các quá trình xảy ra trong hệ thống mà còn để xác định được chiều hướng phát triển tốt nhất của hệ thống Nói cách khác, ta có thể tìm được lời giải cho bài toán qui hoạch tối ưu

tính Nó bao gồm qui hoạch tuyến tính, qui hoạch phi tuyến, qui hoạch động, qui hoạch

thực nghiệm, qui hoạch nguyên hỗn hợp, lí thuyết trò chơi, lí thuyết nhận dạng v.v

Phương pháp không chính qui như các thủ tục lôgic, các thủ tục đối thoại lặp, các

phương pháp thực nghiệm v.v đều dựa trên sự đánh giá xuất phát từ khả năng sáng tạo,

kinh nghiệm và trực giác của người nghiên cứu

2 Phương pháp phân tích hệ thống:

Về nguyên tắc phương pháp phân tích bao gồm các bước chính sau:

a/ Đặt bài toán: Lựa chọn hệ thống cần nghiên cứu, xác định các giới hạn của nó, xây dựng mục tiêu cần điều khiển

b/ Xây dựng mô hình toán học của hệ thống:

c/ Lựa chọn phương pháp giải mô hình toán học đã chọn

d/ Dự báo các chiều hướng vận động của hệ thống, xây dựng các phương án phát triển của hệ thống tuỳ theo các khả năng điều khiển

e/ Chọn phương án phát triển tối ưu theo các tiêu chuẩn đã được chấp nhận

Trong mỗi bước đều có thể sử dụng các phương pháp toán học chính qui và không chính qui Đối với hệ thống năng lượng, do các thông số của hệ thống đều có thể

được biết khá rõ nên chủ yếu là sử dụng các phương pháp toán học chặt chẽ

II NỘI DUNG QUY HOẠCH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG:

1 Mục đích và nội dung qui hoạch phát triển hệ thống năng lượng:

Qui hoạch phát triển hệ thống năng lượng nhằm mục đích đảm bảo một cách tối

ưu nguồn năng lượng hữu ích cung cấp cho nhu cầu của xã hội: Xuất phát từ định hướng phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, các ngành trong nền kinh tế quốc dân xây dựng qui hoạch phát triển ngành Trên cơ sở đó có thể tính được nhu cầu năng lượng hữu ích (hình 3) Từ nhu cầu năng lượng hữu ích, có xét đến tổn thất năng lượng trong các khâu truyền tải, phân phối và biến đổi năng lượng, có thể giải bài toán tối ưu để tính được nhu

cầu năng lượng cuối cùng dưới dạng điện năng, sản phẩm dầu, sản phẩm khí hoặc than

thương mại Đến đây lại căn cứ vào nhu cầu các dạng năng lượng cuối cùng, các loại tổn thất và khả năng cung ứng để giải bài toán tối ưu tìm ra nhu cầu của các dạng năng

các dạng năng lượng mới

Hình 3: Hệ thống biến đổi và sử dụng năng lượng Vấn đề thay thế lẫn nhau giữa các nguồn năng lượng khác nhau để tạo ra năng lượng cuối cùng và năng lượng hữu ích là bài toán tối ưu cần giải quyết trong bài toán năng lượng nói chung và bài toán qui hoạch nguồn điện nói riêng

2 Cấu trúc phân cấp của việc qui hoạch hệ thống năng lượng:

Việc qui hoạch hệ thống năng lượng có cấu trúc phân cấp như hình 4 Để có thể qui hoạch phát triển hệ thống năng lượng cần phải xét đến nhiều yếu tố khác nhau, ví dụ như chính sách năng lượng của nhà nước, nhu cầu sử dụng năng lượng trong tương lai, khả năng cung cấp các nguồn năng lượng sơ cấp, khả năng cung cấp thiết bị, khả năng tài chính của quốc gia hoặc các nhà đầu tư, ảnh hưởng của các công trình năng lượng

đến mối trường v.v

Năng lượng

sơ cấp

Năng lượng cuối cùng

Năng lượng hữu ích

Muốn xác định được nhu cầu sử dụng năng lượng trong tương lai cần phải giải bài toán

dự báo năng lượng

Hình 4: Cấu trúc của qui hoạch hệ thống năng lượng

III NHIỆM VỤ CỦA QUY HOẠCH VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN:

Qui hoạch phát triển hệ thống điện là một bộ phận quan trọng nhất trong qui

hoạch năng lượng Nhiệm vụ của qui hoạch phát triển hệ thống điện là:

a/ Dự báo nhu cầu điện năng và đồ thị phụ tải của hệ thống cho tương lai có xét đến định hướng phát triển kinh tế - xã hội của đất nước

CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ NHÀ NƯỚC VÀ CHÍNH SÁCH NĂNG LƯỢNG

DỰ BÁO PHỤ TẢI ĐIỆN

QUI HOẠCH NĂNG LƯỢNG QUI HOẠCH HỆ THỐNG ĐIỆN

QUI HOẠCH NGUỒN ĐIỆN

QUI HOẠCH LƯỚI ĐIỆN

liệu hoá thạch (than, dầu, khí tự nhiên), hạt nhân, các dạng năng lượng mới và tái sinh

dùng để chuyển hoá thành điện năng trong từng giai đoạn tương lai

c/ Xác định khả năng xây dựng và điều kiện đưa vào hoạt động của các loại nhà máy điện khác nhau trong hệ thống điện sao cho đạt được hiệu quả tối ưu

d/ Xây dựng những nguyên tắc cơ bản về phát triển hệ thống lưới điện truyền tải

và phân phối: Vấn đề liên kết hệ thống, tải điện đi xa, cấu trúc tối ưu của lưới điện, vấn

đề sử dụng hợp lí và tiết kiệm điện năng, vấn đề giảm thiểu ảnh hưởng của việc phát

triển điện năng lên môi trường

CHƯƠNG IV

CÁC PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH CẤU TRÚC MẠNG LƯỚI ĐIỆN

I KHÁI NIỆM CHUNG:

Quy hoạch lưới điện là một 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 lưới điện có quan hệ chặt 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 Như đã biết, quy hoạch nguồn điện không duy trì hoặc chỉ duy trì một chút ảnh hưởng của phân bố địa lý và giá thành chuyên tải Quy hoạch lưới điện có thể sử dụng để chỉnh lại sơ đồ quy hoạch nguồn điện ban đầu Vì vậy quy hoạch nguồn điện và quy hoạch lưới điện sẽ được xây dựng trên cơ sở phân tích và phối hợp để tối ưu hoá toàn bộ quy hoạch hệ thống năng lượng

Sau khi có sơ đồ vị trí địa lý các nhà máy điện và các trung tâm phụ tải, ta phải tiến hành việc quy hoạch phát triển lưới điện với nhiều cấp điện áp khác nhau để truyền tải và phân phối điện năng từ các nhà máy điện đến các hộ tiêu thụ điện năng Khoảng cách truyền tải càng xa, công suất truyền tải càng lớn thì cấp điện áp càng phải cao để tránh tổn thất trên đường dây Người ta chia các lưới điện theo cấp điện áp như sau:

Tuy nhiên cấp điện áp càng cao thì chi phí cho các máy biến áp tăng và hạ áp cũng như chí phí cho đường dây tải điện cũng càng cao Do đó việc lựa chọn cấp điện áp thích hợp cho lưới điện cũng là một bài toán tối ưu cần phải giải Sau đây ta sẽ xét một cách đơn giản của bài toán đó

Thông thường, một hệ thống điện được phân chia thành 3 phần chính:

1 Nhà máy điện: là nơi sản xuất điện năng

2 Hệ thống lưới truyền tải điện năng: dùng để truyền tải điện đến khu vực phụ tải

3 Hệ thống lưới phân phối: dùng để truyền tải điện trực tiếp đến hộ tiêu dùng điện

Nguyên lý cơ bản của quy hoạch lưới điện là cực tiểu cấu trúc lưới 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 độ tin cậy ở đây bao gồm:

1/ 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

Ví dụ như công suất chuyên tải của đường dây, công suất phát, cấp điện áp, dự trữ nóng

và trong phạm vi giá cả đã cho

2/ 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 Chi phí lưới điện bao gồm sự đầu tư mua sắm thiết máy biến thế, thiết bị truyền tải và chi phí cho việc vận hành chúng Cũng như trong quy hoạch nguồn, sự so sánh giá thành được tiến hành khi có kể đến giá trị thời gian của vốn

So với quy hoạch nguồn, quy hoạch lưới điện là phức tạp hơn Thứ nhất, quy hoạch lưới điện phải lưu ý đến sơ đồ mạng thực tế, và sự đúng đắn 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 lưới điện 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 (ví dụ như ràng buộc về cấp điện áp …) và thậm chí là các phương trình vi phân Như vậy khó mà có được một mô hình toán của quy hoạch lưới điện trọn vẹn và việc giải nó thậm chí còn khó hơn

Để tránh được những khó khăn trên, quy hoạch lưới điện thường được chia làm hai bước: lập sơ đồ và tính giá trị của nó Nhiệm vụ của việc lập sơ đồ là xác định một hay nhiều phương án có kinh phí thấp thỏa mãn khả năng tải của các thiết bị truyền tải Hiện nay các nhà quy hoạch dùng kinh nghiệm của họ để xác định nhánh mở rộng và

cấu hình của lưới điện Với sự tăng trưởng về kích thước của hệ thống năng lượng, máy tính sẽ bắt đầu được dùng để tự động hoá việc quy hoạch tối ưu lưới điện Phương pháp này có thể phối hợp các lĩnh vực công nghệ, kinh tế và tối ưu hoá một các gần đúng để xác định cấu hình lưới điện tốt hơn, điều đó cho phép cải thiện chất lượng và tốc độ quy hoạch lưới điện Dù sao, vì hiện nay việc quy hoạch lưới điện tối ưu đang trong bước phát triển, nó không thể hoàn toàn thay thế các nhà quy hoạch trong việc ra quyết định Nhiệm vụ của việc đánh giá sơ đồ đã cho bao gồm dòng tải, phân tích ổn định, khả năng dòng ngắn mạch, độ tin cậy và tính toán kinh tế, để đi đến quyết định một sơ đồ tối ưu cuối cùng Qua việc đánh giá, cấu hình của lưới điện có thể được cải thiện, thông qua biện pháp sử dụng các thông tin lấy từ máy tính

Trong hệ thống điện, về mặt quy mô cấu trúc, hệ thống lưới phân phối chiếm một

tỷ trọng khá lớn, bao phủ trên diện rộng để có thể cấp điện trực tiếp cho có hộ tiêu dùng,

do đó hệ thống lưới phân phối có vai trò hết sức quan trọng trong đời sống nói chung của một quốc gia Vì vậy, vấn đề nghiên cứu quy hoạch tối ưu hệ thống lưới phân phối cần được quan tâm một cách đúng mức nhằm tăng hiệu quả phân phối điện năng, cực tiểu tổn hao, ngăn ngừa sự cố và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện

II GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI:

1 Khái niệm chung:

Cấu trúc của lưới điện là cách bố trí các phần tử và cách chắp nối giữa các phần

tử trong lưới điện

Nguyên lý cơ bản của quy hoạch lưới điện là cực tiểu cấu trúc lưới 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

Cấu trúc của lưới điện có liên quan trực tiếp đến việc vận hành và khả năng phát triển của lưới Như vậy khi thay đổi cấu trúc của lưới sẽ dẫn đến sẽ thay đổi chức năng của lưới điện và do đó sẽ ảnh hưởng tốt hay xấu tới việc thực hiện mục tiêu đề ra đối với lưới điện

Các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của lưới điện phân phối phụ thuộc rất nhiều vào sơ

đồ của nó Vì vậy các sơ đồ lưới điện cần được chọn sao cho có chi phí nhỏ nhất, đảm

bảo độ tin cậy cung cấp điện cần thiết, đảm bảo chất lượng điện năng yêu cầu của các hộ tiêu thụ, thuận tiện và an toàn trong vận hành, khả năng phát triển trong tương lai và tiếp nhận các phụ tải mới

Trong thiết kế hiện nay, để chọn được sơ đồ cấu trúc tối ưu của mạng điện, người

ta sử dụng nhiều phương án Mạng điện cần có độ tin cậy cao, tính kinh tế và linh hoạt cần thiết

Bởi vì lý thuyết và thuật toán của dòng tải, tính ổn định và dòng ngắn mạch đã xác định chính xác, tầm quan trọng của việc nghiên cứu quy hoạch lưới điện là việc xác định dạng sơ đồ Nói chung việc quy hoạch lưới điện sẽ trả lời các câu hỏi sau:

1 Đặt đường dây truyền tải mới ở đâu?

2 Khi nào xây dựng chúng?

3 Kiểu đường dây truyền tải dự định xây là gì?

Chính vì vậy cần phải xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện để đạt được mục tiêu

đề ra

2 Phương pháp quy hoạch lưới điện:

Sau đây giới thiệu một số phương pháp quy hoạch lưới điện:

- Quy hoạch lưới điện dùng phương pháp không chính quy

- Quy hoạch lưới điện dùng phương pháp tối ưu toán học chặt chẽ

III QUY HOẠCH LƯỚI ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÔNG CHÍNH QUY:

Phương pháp không chính quy được đặt trên cơ sở của các phân tích trực quan

Nó có quan hệ chặt chẽ với suy nghĩ của các chuyên gia Nó có thể đưa ra một sơ đồ thiết kế tốt trên cơ sở của kinh nghiệm và sự phân tích Dù sao nó cũng không phải là một phương pháp tối ưu hoá toán học chặt chẽ

Trong quy hoạch lưới điện, phương pháp không chính quy được áp dụng rộng rãi

vì tính chất dễ hiểu, mềm dẻo, tốc độ tính toán nhanh, dễ thu hút cá nhân trong công việc thiết kế và có thể thu được một lời giải tối ưu tương đối mà điều đó phù hợp với những yêu cầu thực tế của kỹ thuật

Phương pháp không chính quy bao gồm việc kiểm tra quá tải, phân tích độ nhạy

và thành lập sơ đồ Chúng được mô tả như sau:

1 Kiểm tra quá tải:

Trong giai đoạn thành lập sơ đồ, vấn đề mấu chốt là liệu có đủ khả năng tải không, tức là liệu có đường dây nào bị quá tải không Vì vậy kiểm tra quá tải là điều bắt buộc Theo sự vận hành bình thường và ngẫu nhiên của thiết bị, người làm công tác quy hoạch phải khẳng định rằng không có đường dây nào bị quá tải trong điều kiện làm việc bình thường và đôi khi thậm chí kiểm tra trong trường hợp sự cố một đường dây Điều

đó được gọi là ‘nguyên lý kiểm tra N-1’ Vì vậy, để kiểm tra liệu một đường dây liệu có

bị quá tải hay không thì việc tính toán phân phối dòng tải và khả năng của đường dây là rất quan trọng

Sự cân bằng dòng tải xoay chiều có thể được dùng để thực hiện việc phân tích dòng tải một cách chính xác và đưa ra một sự phân bố toàn diện của công suất tác dụng

và công suất phản kháng, điện áp và góc pha trong hệ thống Phương pháp này, dù sao cũng dẫn tới một khối lượng tính toán rất lớn khi nó cần phải tiến hành phân tích và tính toán nhiều lần trong điều kiện đã biết sơ đồ Vì vậy nhiều nhà quy hoạch hiện nay đã áp dụng việc cân bằng dòng một chiều để kiểm tra quá tải Việc cân bằng dòng một chiều là

sự đơn giản hóa của việc cân bằng dòng xoay chiều và có đặc điểm là tính toán nhanh và phân tích dễ dàng khả năng tải của đường dây với độ chính xác cao Nó rất thích hợp với việc nghiên cứu quy hoạch

3 Thành lập sơ đồ:

Những phần bổ sung hợp lý có thể được thêm vào để tính hiệu quả nhất của chúng được thể hiện ra bởi vì việc phân tích độ nhạy dẫn đến việc mở rộng lưới điện có thể được thực hiện bằng phương pháp chắc chắn Một phương pháp so sánh đơn giản là

mở rộng lưới điện từng bước bằng cách bổ sung một hoặc một nhóm các đường dây hiệu quả hơn Các phương pháp đặc biệt cũng có thể được sử dụng bằng cách bổ sung một tổ

hợp của các đường dây hiệu quả có thể có vào hệ thống để cho đường dây tối ưu này nối liền sơ đồ được xác định trên cơ sở của việc cải tiến hệ thống vận hành

Phương pháp quy hoạch lưới điện hiện nay đặc trưng bởi việc mở rộng một lưới điện theo từng bước và do việc thiếu cân nhắc đến mối quan hệ giữa các quyết định của các phần bổ sung nên không thể đảm bảo một lời giải toán học tối ưu và đó là nhược điểm chính của nó

IV QUY HOẠCH LƯỚI ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU TOÁN HỌC CHẶT CHẼ:

1 Đặt bài toán xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện:

Cấu trúc của lưới điện là cách bố trí các phần tử và cách chắp nối giữa các phần

tử trong lưới điện Như vậy cấu trúc của lưới có thể được mô tả bằng các đồ thị hình học (các graph), các bảng số (các ma trận) hoặc các quan hệ hàm số (các ánh xạ)

Cấu trúc của lưới điện có liên quan trực tiếp đến việc vận hành và khả năng phát triển của lưới Như vậy khi thay đổi cấu trúc của lưới sẽ dẫn đến sẽ thay đổi chức năng của lưới điện và do đó sẽ ảnh hưởng tốt hay xấu tới việc thực hiện mục tiêu đề ra đối với lưới điện và do đó sẽ tạo ra ảnh hưởng tốt hoặc xấu đối với việc thực hiện mục tiêu đề ra đối với lưới điện Chính vì vậy, cần xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện để đạt được mục tiêu đề ra Đây là một bài toán động, đa chỉ tiêu, phân cấp và bất định Việc giải bài toán này là một việc phức tạp, cần phải áp dụng những phương pháp quy hoạch toán học

Có nhiều phương pháp, công cụ toán học để giải bài toán quy hoạch cấu trúc tối

ưu Phạm vi đề tài này sẽ giới thiệu một số mô hình mở rộng của bài toán quy hoạch tuyến tính (QHTT) để giải bài toán xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện thiết kế mới, khi có đầy đủ thông tin ban đầu và chỉ giới hạn trong trường hợp xác định sơ đồ nối dây tối ưu cung cấp điện ở trường hợp đơn giản Bài toán này có thể phát biểu dưới dạng toán học như sau: “Cho biết công suất và vị trí địa lý của các nguồn điện và phụ tải, cần xác định sơ đồ nối dây tối ưu của lưới điện thiết kế nhằm thỏa mãn cực tiểu hàm chi phí tính toán Z”

2 Các phương pháp tối ưu toán học chặt chẽ:

Với bài toán phát biểu dưới dạng toán học như trên, có thể áp dụng một số phương pháp toán học chặt chẽ để thực hiện quy hoạch cấu trúc tối ưu lưới điện như sau:

2.1 Phương pháp liệt kê:

Phương pháp đơn giản nhất là liệt kê tất cả các phương án sơ đồ nối dây theo chỉ tiêu hàm chi phí Z, sau đó chọn ra phương án ứng với giá trị cực tiểu của Z Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm cơ bản là có thể bỏ sót những phương án hợp lý vì nếu xét đến mọi phương án nối dây thì khối lượng tính toán sẽ rất lớn Để khắc phục khuyết điểm trên, người ta đã cố gắng áp dụng các phương pháp quy hoạch toán học để tìm phương án tối ưu theo hướng nhanh nhất và áp dụng được các thuật toán có thể lập trình để chạy trên máy tính Để đơn giản ta giả thuyết bài toán được giới hạn trong hoàn cảnh tất định, nghĩa là cho sẵn nguồn và phụ tải Ngoài ra lời giải chỉ thỏa mãn đồng thời hai chỉ tiêu: cực tiểu vốn đầu tư và cực tiểu phí tổn thất vận hành, nghĩa là cực tiểu hàm chi phí tính toán Z

2.2 Phương pháp cận và nhánh để xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện:

Xây dựng hàm mục tiêu:

Bài toán phát biểu như sau: “ Biết vị trí và công suất cực đại của nguồn và phụ tải, xác định sơ đồ nối dây tối ưu của lưới điện thiết kế sao cho hàm chi phí tính toán Z là nhỏ nhất”

Để lập hàm mục tiêu của bài toán, ta xác định công thức của hàm chi phí tính toán như sau:

của nhánh đó Từ đó ta có công thức tính hàm chi phí tính toán cho hệ thống gồm n nút là:

i

Z Z

1 1

; (i ≠ j) (1) Trong đó:

Kij = (A + B.Fij).Lij ; (3)

Fij: tiết diện dây dẫn của đường dây ij, mm2;

A: là thành phần vốn đầu tư không phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn (tiền thăm dò tuyến, tiền cột móng, tiền bồi thường diện tích đất…), đ/km;

Lij: chiều dài đường dây ij, km;

YΔAij: là chi phí tổn thất điện năng trên đoạn ij

YΔAij = 3 2

ij

I Rij.τ.c ; (4) Trong đó:

Rij: điện trở dây dẫn nhánh ij (Ω) ;

Rij =

ij

ij ij

ρij: điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn , Ω.mm2 / km;

Iij: dòng điện trên đường dây ij, A;

τ: thời gian tổn thất công suất lớn nhất;

c: giá tiền 1 kWh tổn thất điện năng

Đối với lưới điện khu vực hoặc lưới điện có đồ thị phụ tải bằng phẳng, tiết diện

I L L

A I

Z

0)(

β khi Iij = 0 và khi Iij > 0; (6) Khi đó bài toán xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện trở thành bài toán xác định tập Iij sao cho hàm chi phí tính toán Z(Iij) đạt giá trị cực tiểu

trên sơ đồ nối dây) và gồm 2 thành phần:

Thành phần thứ nhất:

Thành phần thứ hai:

điện trên các nhánh tương ứng

Khi đó bài toán được mô tả dưới dạng toán học như sau:

ij ij n

j ij

I Z

1 , 1

,

min

.

0 )

Với điều kiện ràng buộc:

1

i n

Ii: là dòng điện tại các nút phụ tải hoặc nút nguồn thứ i;

Iij: là dòng điện trên đoạn dây dẫn ij và Iij < 0

Từ điều kiện ràng buộc ta thấy số lượng ẩn của bài toán này rất lớn, nếu lưới điện

có n nút thì số ẩn S (bao gồm cả dòng đi và về) là:

S = n.(n-1) ; (9) Trong thực tế có thể bỏ qua những dòng điện đi trực tiếp từ tải về nguồn nên có thể bỏ bớt 1 số ẩn Từ (8) ta suy ra số phương trình ràng buộc là (n-1) phương trình độc lập

Như vậy cấu trúc tối ưu của lưới điện có n nút chỉ bao gồm (n-1) nhánh Điều đó

có nghĩa là chưa xét đến mức độ quan trọng khác nhau của các phụ tải

Z(Iij) = Z1 + Z2; (10) Trong đó :

∑

= A L ij

Z1 ; Z2 =∑β.L ij.I ij;

Từ đó suy ra điều kiện của bài toán là:

Xác định tập { }I ij sao cho: minZ(Iij) = min(Z1+Z2)

Trong công thức trên thì W gọi là giá trị cận dưới của hàm mục tiêu Z của một phương án bất kỳ và ta không thể tìm được phương án nào có hàm chi phí tính toán nhỏ hơn W

Giá trị của hàm chi phí tính toán chỉ bằng W khi phương án được chọn vừa là phương án có vốn đầu tư cực tiểu, vừa là phương án có tổn thất điện năng nhỏ nhất tức là truyền tải điện năng với với chi phí nhỏ nhất Tuy nhiên điều này rất khó xảy ra trong thực tế vì một phương án có vốn đầu tư bé rất khó có thể đảm bảo rằng tổn thất điện năng là nhỏ nhất

Để có thể tìm được lời giải tối ưu cho bài toán quy hoạch tuyến tính (QHTT) trên người ta thường áp dụng phương pháp cận và nhánh

CHƯƠNG V

ÁP DỤNG CÁC MÔ HÌNH TOÁN HỌC

ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN QUY HOẠCH TUYẾN TÍNH

I KHÁI NIỆM VỀ BÀI TOÁN QUI HOẠCH:

1 Bài toán qui hoạch tổng quát:

Bài toán qui hoạch tổng quát được phát biểu như sau:

Sao cho hàm số f(X) Æ min (max) (1)

Đồng thời thỏa mãn các điều kiện gi(X) (≤; =; ≥) bi (I = 1, 2,…,m) (2)

xj∈ X⊂Rn (j = 1, 2,…,n) được gọi là 1 bài toán quy hoạch

Hàm f (X) gọi là hàm mục tiêu

Tập hợp D = { x1 ∈ X; gi(X) (≤;=; ≥) bi } (i = 1…m, j = 1…n) gọi là miền ràng buộc

Khi đó giá trị f(X*) được gọi là giá trị tối ưu hóa của bài toán qui hoạch

2 Phân loại bài toán qui hoạch:

Một trong những phương pháp giải bài toán được đặt ra là phương pháp duyệt toàn bộ, tìm giá trị hàm mục tiêu của tất cả các phương án có thể trong miền ràng buộc Sau đó so sánh các giá trị tính được của hàm mục tiêu f(X) để tìm ra giá trị tối ưu và phương án tối ưu của bài toán qui hoạch Tuy nhiên cách giải quyết này khó có thể thực hiện được, ngay cả khi kích thước bài toán không lớn lắm (số biến n và số ràng buộc m

là không lớn) bởi vì tập D thông thường gồm một số rất lớn các phần tử, trong nhiều trường hợp còn không đếm được

Vì vậy cần có những nghiên cứu lý thuyết để có thể tách bài toán tổng quát thành những bài toán có thể giải được Các nghiên cứu lý thuyết đó thường là nghiên cứu các tính chất của các thành phần bài toán (hàm mục tiêu, hàm ràng buộc, các biến số, các hệ số) Các điều kiện tồn tại lời giải chấp nhận được, các điều kiện cần và đủ của cực trị, tính chất của các đối tượng nghiên cứu

Các tính chất của các thành phần bài toán và đối tượng nghiên cứu giúp ta phân

loại bài toán

Một bài toán qui hoạch được gọi là bài toán:

+ Qui hoạch tuyến tính nếu hàm mục tiêu f(X) và tất cả các hàm ràng buộc gi(X);

I = l,2, ,m là tuyến tính:

=

n j j

j x c

1

i = 1,m

trong đó Cj, aịj, bi là các hằng số

+ Qui hoạch tham số nếu các hệ số trong biểu thức hàm mục tiêu và các ràng

buộc phụ thuộc tham số

+ Qui hoạch động nếu đối tượng xét là các quá trình có nhiều giai đoạn nói chung

hay các quá trình phát triển theo thời gian nói riêng Mô hình qui hoạch động thường được coi là công cụ tương đối vạn năng Để giải bài toán (1), (2) người ta rời rạc hoá các giá trị của biến Thực chất của phương pháp này là liệt kê, lựa chọn có quy tắc tổ hợp giá trị (rời rạc) của các biến thoả mãn (2) sao cho giá trị của hàm mục tiêu (l) đạt cực trị Mỗi tổ hợp của các biến thoả mãn (2) còn được gọi là phương án chấp nhận được Đối với bài toán qui hoạch phát triển nguồn điện số phương án chấp nhận được thường rất lớn Do đó bước đầu tiên trước khi thực hiện liệt kê lựa chọn cần loại trừ bớt các phương

án có thể là không khả thực, khi đó lại hạn chế nhiều đến tính tối ưu của lời giải Ngoài

ra mô hình qui hoạch động đòi hỏi những thuật toán phức tạp, công cụ tính toán hiện đại,

và đặc biệt cần phải đưa vào một số lượng lớn các số liệu ban đầu