Ứng dụng phần mềm PSS ADEPT để tái cấu trúc lưới phân phối khi có sự tham gia của nhà máy điện mặt trời

Ứng dụng phần mềm PSS ADEPT để tái cấu trúc lưới phân phối khi có sự tham gia của nhà máy điện mặt trời Ứng dụng phần mềm PSS ADEPT để tái cấu trúc lưới phân phối khi có sự tham gia của nhà máy điện mặt trời Ứng dụng phần mềm PSS ADEPT để tái cấu trúc lưới phân phối khi có sự tham gia của nhà máy điện mặt trời

MỤC LỤC

Contents

LUẬN VĂN THẠC SĨ 1

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC CÁC HÌNH ix

MỤC LỤC CÁC BẢNG xi

TÓM TẮT xiv

ABSTRACT xv

Chương 1 1

GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Nội dung nghiên cứu 3

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 3

1.4 Phạm vi nghiên cứu 4

1.5 Phương pháp giải quyết bài toán 4

1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài 4

1.7 Bố cục của luận văn 4

Chương 2 5

LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 5

2.1 Đặc điểm của lưới điện phân phối 5

2.1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối 6

2.1.3 Chế độ vận hành lưới điện phân phối 8

2.1.4 Ứng dụng các đặc điểm của lưới điện phân phối để tái cấu trúc lưới điện 13 2.2 Bài toán cực tiểu hàm tổn thất năng lượng 14

2.3 Tái cấu hình lưới điện phân phối 16

2.3.1 Phương pháp Heuristic 16

2.3.2 Phương pháp tối ưu kiến – Ant Colony Optimization Method 17

2.3.3 Các phương pháp tối ưu khác 18

2.4 Các bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ở góc độ vận hành 20

2.5 Các phương pháp áp dụng 23

2.5.1 Giải thuật của Merlin và Back – kỹ thuật vòng kín 24

2.5.2 Các giải thuật thuần túy dựa trên heuristics 25

2.5.3 Giải thuật của Civanlar và các cộng sự – kỹ thuật đổi nhánh 25

2.6 Hướng nghiên cứu trong luận văn 28

Chương 3 30

NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 30

3.1 Năng lượng tái tạo 30

3.2 Năng lượng gió 30

3.2.1 Năng lượng mặt trời 34

3.2.2 Thủy năng và năng lượng thủy triều 37

3.2.3 Năng lượng sinh khối 40

3.3 Tế bào quang điện 42

3.3.1 Đặc tính của tế bào quang điện 43

3.3.2 Các tấm pin quang điện và các dãy pin quang điện 44

3.3.3 Các loại tế bào quang điện 45

3.4 Các ứng dụng chủ yếu của PV 47

3.5 Pin NLMT và phương trình toán của pin NLMT 47

3.5.1 Phương trình tương đương của pin NLMT 47

3.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin NLMT 48

3.5.3 Phương trình tương đương của bộ pin NLMT 49

3.6 Hòa đồng bộ hai máy phát 52

3.6.1 Hòa đồng bộ 52

3.6.2 Phân tích các điều kiện hòa 54

3.6.2.1 Điều kiện về điện áp 54

3.6.2.2 Điều kiện tần số không thoả mãn 55

3.7 Các nghiên cứu khoa học liên quan 58

3.7.1 Điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q khi kết nối nguồn năng lương mặt trời vào lưới điện [19] 58

3.7.2 Điều chỉnh chỉnh công suất phản kháng và điều khiển hệ số công suất khi kết nối hệ thống năng lượng mặt trời với lưới điện [20] 60

Chương 4 63

TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 63

SỬ DỤNG PSS/ADEPT CHO ĐIỆN LỰC TỊNH BIÊN 63

4.1 Giới thiệu về lưới điện phân phối Tịnh Biên 63

4.2 PSS/ADEPT trong mô phỏng hệ thống điện 64

4.2.1 Giới thiệu 64

4.2.2 Ứng dụng PSS/ADEPT chạy phân bố công suất và tái cấu hình lưới 66

4.3 Tính toán phân bố công suất cho lưới điện Tịnh Biên dựa trên PSS/ADEPT 71

4.3.1 Khi tính toán tổn thất cho lưới điện hiện tại 71

4.3.2 Tính toán xác định vị trí dừng tối ưu (TOPO) 73

4.4 Kết quả chạy phân bố công suất cho lưới có xét đến nhà máy điện mặt trời 74

4.4.1 Khi công suất nhà máy điện mặt trời là 1 MW 75

4.4.1.1 Khi chạy phân bố công suất cho cấu hình hiện tại 75

4.4.1.2 Khi chạy phân bố công suất cho cấu hình lưới đã tái cấu trúc lưới 75

4.4.2 Khi công suất nhà máy điện mặt trời là 5 MW 76

4.4.2.1 Khi chạy phân bố công suất cho cấu hình hiện tại 76

4.4.2.2 Khi chạy phân bố công suất cho cấu hình lưới đã tái cấu trúc lưới 77

4.5 Nhận xét 77

Chương 5 Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined 5.1 Kết luận Error! Bookmark not defined 5.2 Hướng phát triển và kiến nghị Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN 1

MỤC LỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý lưới điện phân phối 69 nút điển hình 6

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điện 7

Hình 2.3 Các chế độ vận hành của lưới điện phân phối 13

Hình 2.4 Đồ thị phụ tải thay đổi theo thời gian 14

Hình 2.5 Lưu đồ giải thuật của Rubin Taleski và Dragoslav [18] 15

Hình 2.6 Lưu đồ giải thuật của Chen và Cho 23

Hình 2.7 Giải thuật của Merlin và Back được Shirmohammadi [11] cải tiến 24

Hình 2.8 Lưu đồ giải thuật của Civanlar và các cộng sự 27

Hình 3.1 Biểu đồ tổng công suất lắp đặt của các WEC trên thế giới qua các năm 31

Hình 3.2 Thống kê công suất lắp đặt WEC tại một số quốc gia trên thế giới 31

Hình 3.3 Sơ đồ bố trí các trang trại gió tại Anh Quốc 32

Hình 3.4 Thống kê các nước có tổng công suất lắp đặt WEC cao nhất thế giới 33

Hình 3.5 Hệ thống pin mặt trời vận hành độc lập 34

Hình 3.6 Trang trại gió kết nối lưới điện 35

Hình 3.7 Tổng sản lượng PV toàn cầu 36

Hình 3.8 Top 10 nước phát triển pin PV nhất thế giới đến 2015 36

Hình 3.9 Đồ họa nguyên tắc hoạt động nhà máy thủy điện 37

Hình 3.10 Nhà máy thủy điện công suất nhỏ 38

Hình 3.11 Nhà máy thủy điện công suất lớn 39

Hình 3.12 công suất thủy điện toàn cầu tính đến 2015 39

Hình 3.13 Phân loại các nguồn năng lượng sinh khối 41

Hình 3.14 Cấu trúc cơ bản của tế bào quang điện 42

Hình 3.15 Các đường đặc tuyến cơ bản trong một PV 43

Hình 3.16 Tế bào, tấm và dãy pin PV 45

Hình 3.17 Hiệu suất hoạt động của các loại nguyên liệu PV khác nhau 46

Hình 3.18 Mạch điện tương đương của pin mặt trời 47

Hình 3.19 Mô hình pin mặt trời lý tưởng 49

Hình 3.20 Mô đun pin mặt trời 50

Hình 3.21 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau 50

Hình 3.22 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau 51

Hình 3.23 Đường đặc tuyến I-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi 51

Hình 3.24 Đường đặc tuyến P-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi 52

Hình 3.25 Công tác song song 54

Hình 3.26 Sơ đồ biểu thị vecto khi hòa 54

Hình 4.1 Sơ đồ cấp điện các xuất tuyến đường dây 22kV Điện lực Tịnh Biên 64

Hình 4.2 Khởi động PSS/ADEPT 66

Hình 4.3 Giao diện chương trình PSS/ADEPT sau khi được gọi khởi động 67

Hình 4.4 Mở một chương trình cũ trong PSS-ADEPT 67

Hình 4.5 Giao diện sau khi một chương trình cũ trong PSS-ADEPT 68

Hình 4.6 Hiệu chỉnh trong một chương trình cũ trong PSS-ADEPT 68

Hình 4.7 Phân tích phân bố công suất trong PSS-ADEPT 69

Hình 4.8 Kết quả tính toán phân bố công suất 69

Hình 4.9 Chuyển định dạng kết quả tính toán phân bố công suất 70

Hình 4.10 Chạy bài toán TOPO cho lưới phân phối 71

Hình 4.11 Chạy bài toán phân bố công suất tuyến 481TB 72

Hình 4.12 Kết quả hiển thị khi chạy TOPO cho lưới điện hiện tại 74

MỤC LỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc lưới 21

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật TBA 110kV Châu Đốc 64

Bảng 4.2 Trạng thái cách khóa trong điều kiện vận hành bình thường 71

Bảng 4.3 Kết quả tính toán phân bố công suất tuyến 481TB tháng 02/2018 73

Bảng 4.4 Trạng thái đóng cắt của các khóa lúc chạy TOPO cho lưới điện hiện tại 73

Bảng 4.5 Trạng thái đóng cắt của các khóa lúc chạy TOPO khi công suất điện mặt trời 1MW 76

Bảng 4.6 Trạng thái đóng cắt của các khóa lúc chạy TOPO khi công suất điện mặt trời 5MW 77

Bảng 4.7 Kết quả phân bố công suất trên lưới điện hiện tại 1

Bảng 4.8 Kết quả tính toán có thực thi TOPO cho lưới điện hiện tại của Tịnh Biên 2

Bảng 4.9 Kết quả phân bố công suất trên lưới điện hiện tại khi công suất điện mặt trời 1 MW 4

Bảng 4.10 Kết quả phân bố công suất trên lưới điện hiện tại khi công suất điện mặt trời 1 MW có tái cấu trúc lưới điện 6

Bảng 4.11 Kết quả phân bố công suất trên lưới điện hiện tại khi công suất điện mặt trời 5 MW 7

Bảng 4.12 Kết quả phân bố công suất trên lưới điện hiện tại khi công suất điện mặt trời 5 MW có tái cấu trúc lưới điện 9

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

DRN Tái cấu hình mạng phân phối

Engineering productivity Tool

TÓM TẮT

Tái cấu hình lưới phân phối là một phương pháp không thể thiếu để giảm tổn thất trong các hệ thống phân phối điện và cũng được sử dụng để phục hồi tải trong khu vực cấp điện trong trường hợp có sự cố Luận văn nghiên cúu về việc tái cấu hình lưới phân phối hình tia để tối ưu hóa quá trình phân phối điện trong hệ thống và cải thiện ổn định điện áp Tái cấu hình lưới điện được thực hiện nhằm tối thiểu hóa tổn thất trên cấu trúc lưới điện mới so với cấu trúc lưới điện hiện tại

Trong luận văn này, lưới điện Tịnh Biên được chọn làm lưới mô phỏng Tái cấu trúc lưới của hệ thống này được thực hiện bằng cách thay đổi trạng thái đóng hoặc cắt của các khóa điện thường đóng hoặc thường mở Nói chung, mục đích là để cấp nguồn cho tất cả các nút kết nối với các phát tuyến trong khi duy trì điện áp trong phạm vi danh định ở tất cả các điểm tải của khách hàng với mức tổn thất tối thiểu Trong quá trình tái cấu trúc phải đảm bảo rằng các phụ tải không bị cô lập Ban đầu, tổn thất công suất trên cấu hình hiện tại được ghi nhận và kiểm tra tương tự với cấu hình mạng đã thực hiện tái cấu trúc Nghiên cứu so sánh về các kết quả đạt được trong các ràng buộc về điều kiện hoạt động của lưới bao gồm độ võng điện áp, giới hạn công suất đường dây và cân bằng công suất tải Sự phức tạp về mặt cấu trúc của các mạng phân phối thực đòi hỏi phải tìm kiếm qua nhiều cấu hình có thể

Luận văn thực hiện các phương pháp khác nhau để tái cấu trúc lưới điện Kết quả

so sánh tổn thất công suất trước và sau tái cấu trúc lưới được trình bày cụ thể trong các điều kiện vận hành khác nhau Kết quả thu được chứng tỏ phương pháp được đề xuất có tính khả thi cao

ABSTRACT

Reconfiguration is an indispensable method for loss reduction in power distribution systems and it is also used to restore loads in out of service areas in case of having a fault This thesis is about reconfiguration of a radial distribution network to optimize the power distribution process in feeders and for voltage profile improvement Feeder reconfiguration is done to minimize the loss of existing and new topology of the feeder system and for the purpose of maintenance in the distribution system

In this thesis work, an Tinh Bien radial distribution system has been chosen as the test system Reconfiguration of this system is done by changing the status of normally Closed sectionalizing switches and normally open tie-switches In general, the aim is to feed power in all nodes connected to the feeder while maintaining voltages within nominal range at all customer load points with minimum loss None of the buses should

be isolated during the process of reconfiguration Initially, power loss for original configuration is obtained and same is checked for the reconfigured network and a comparative study has been done of the feeder system on the basis of power loss and other constraints including voltage deviation, capacity limit and power balance The topological complexity of real distribution networks requires searching through many possible configurations

This thesis presents three different methods for reconfiguration A comparison has been done for power loss reduction and voltage profile improvement in these three cases Also, the applicability of BIBC has been discussed for weakly meshed radial distribution networks

Vấn đề đặt ra cho các Công ty sản xuất và kinh doanh điện là làm sao vừa đảm bảo đáp ứng được các vấn đề nêu trên, vừa đảm bảo lợi ích kinh tế cao nhất của nhà sản xuất, vừa đảm bảo tính cạnh tranh trong thị trường điện Trong khi đó chiều dài, phụ tải của lưới điện phân phối phát triển một cách nhanh chóng dẫn đến công suất đỉnh chỉ xảy ra tại vài giờ trong ngày, lưới điện bị sụt áp, tổn thất trên đường dây tăng, chi phí sản xuất tăng theo

Lưới điện phân phối có đặc điểm là vận hành phức tạp, kết cấu hình tia, hình xương

cá, mạch kín nhưng thường vận hành hở, phụ tải phân bố và phát triển ít theo quy hoạch nên việc tính toán để tái cấu trúc lưới điện để đạt cho mỗi mục tiêu là khá phức tạp Vì vậy việc tìm giải thuật để giải quyết vấn đề đặt ra là cần thiết, đảm bảo sao cho bài toán tính toán đơn giản, hội tụ nhanh đối với mục tiêu đặt ra đó cũng chính là vấn đề đã được

sự quan tâm của rất nhiều các nhà khoa học, nhà nghiên cứu, các nghiên cứu sinh và các

tổ chức

Lưới điện phân phối luôn được vận hành theo kiểu hình tia, mặc dù được thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy trong quá trình cung cấp điện Tổn thất năng lượng trên lưới phân phối khoảng 10%-11%, so với 2%-3% trên lưới truyền tải Vì vậy, nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối là một nhu cầu cần được giải quyết và cũng hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích kinh tế đặt biệt về chi phí hiệu quả trong việc tham gia thị trường điện Hiện nay, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất điện năng trong quá trình phân phối điện năng như: bù công suất phản kháng, nâng cao điện áp vân hành lưới điện phân phối, hoặc tăng tiết diện dây dẫn Tuy nhiên, các biện pháp này đều mang tính khả thi về kỹ thuật nhưng lại tốn các chi phí đầu tư và lắp đặt thiết bị khi thực hiện Trong khi đó, biện pháp tái cấu trúc lưới thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng/mở các cặp khoá điện có sẵn trên lưới cũng có thể giảm tổn thất điện năng đáng kể khi đạt được cân bằng công suất giữa các tuyến dây mà không cần nhiều chi phí để cải tạo lưới điện và lựa chọn cấu trúc lưới thay đổi đồ thị phụ tải để vận hành nhằm mang lại tính khả thi về kỹ thuật và mang lại lợi ích kinh kế Ngoài mục tiêu giảm chi phí thì việc lựa chọn cấu hình thay đổi phù hợp theo phụ tải còn có thể nâng cao khả năng mang tải của lưới, làm giảm sụt áp cuối đường dây và giảm thiểu rủi ro bị mất điện khi có sự cố hay khi cần sửa chữa đường dây

Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất năng lượng trong điều kiện phải thoả mãn các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khoá điện trên

hệ thống điện phân phối là điều vô cùng khó khăn đối với các điều độ viên Do đó, luôn cần một phương pháp phân tích phù hợp với lưới điện phân phối thực tế và một giải thuật

đủ mạnh để tái cấu trúc lưới trong điều kiện thoả mãn các mục tiêu điều khiển của các điều độ viên như là xác định được cấu thay đổi của lưới điện phân phối để lợi nhuận khi giảm tổn thất điện năng nhưng phải lớn hơn chi phí đóng/mở các khóa điện phù hợp với

sự thay đổi theo thời gian của đồ thị phụ tải Thực tế cho thấy, khi vận hành với cấu hình

thay đổi liên tục nhằm mục tiêu xem xét trong tất cả các cấu hình thay đổi đó thì các cấu hình nào có tổn thất điện năng là bé nhất mà mang lại lợi nhuận lớn hơn chi phí cho việc thay đổi các khóa điện thì đó là các phương án hiệu quả nhất cần phải được xem xét để đưa vào thực thi Như vậy, để tìm ra được các cấu hình thay đổi theo đồ thị phụ tải tốt nhất cần có phải cấu hình lại lưới điện nhằm tìm ra được các cấu hình thay đổi nhằm mang lại lợi nhuận khi vận hành có tổn thất bé lớn hơn so với chi phí vận hành khi thay đổi các khóa điện

Ngoài ra, trước sự thâm nhập ngày càng nhiều của các nguồn điện phân tán, đặc biệt là các nguồn điện mặt trời trong các khu dân cư hay các nhà máy điện mặt trời công suất nhỏ cũng làm cho tình hình vận hành lưới điện thêm phức tạp

Trước tình hình đó, luận văn đề xuất tái cấu trúc lưới điện sử dụng phần mềm PSS/ADEPT nhằm tối thiểu tổn thất công suất trên đường truyền và có thể ứng dụng ngay vào trong các điện lực địa phương với chi phí thấp và đơn giản trong vận hành nhằm mang lại lợi ích cho công ty quản lý lưới điện và ngành điện

1.2 Nội dung nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là chọn một giải thuật thích hợp nhằm tìm ra các cấu hình lưới điện thay đổi với lợi nhuận của phương án khi tổn thất điện năng là bé nhất lớn hơn chi phí vận hành đóng/mở các khó điện Từ mục tiêu đưa ra như trên, nên nhiệm vụ của nội dung nghiên cứu bao gồm các vấn đề sau:

- Tìm hiểu về lưới điện phân phối

- Tìm hiểu về các giải thuật tái cấu hình lưới trong lưới điện phân phối

- Xây dựng hàm mục tiêu đặt ra nhằm để đề xuất phương pháp giải bài toán về chi phí lợi nhuận so với chi phí vận hành trong lưới điện phân phối có tái cấu hình lưới

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu việc: Xác định trạng thái vận hành lưới điện phân

phối có cấu hình thay đổi với chi phí là bé nhất bằng giải thuật tái cấu hình lưới có xét đến sự thâm nhập của nguồn điện năng lượng mặt trời công suất vừa và nhỏ

1.4 Phạm vi nghiên cứu

- Lưới điện phân phối

- Các thuật toán tái cấu hình lưới điện phân phối

- Hàm mục tiêu là hàm lợi nhuận cho trạng thái của lưới điện phân phối

- Sử dụng phần mềm PSS/ ADEPT kiểm chứng

1.5 Phương pháp giải quyết bài toán

- Áp dụng các phương pháp giải tích mạng điện, xây dựng hàm mục tiêu nhằm cực tiểu tổn thất điện năng kết hợp với tái cấu trúc lưới để chi phí vận hành lưới điện phân phối là bé nhất

- Tái cấu trúc lưới giảm tổn thất công suất tác dụng trên các đường dây kết hợp xét ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời công suất vừa và nhỏ lên các đường dây

1.6 Giá trị thực tiễn của đề tài

- Cung cấp một giải thuật tìm chi phí vận hành bé nhất trên lưới điện phân phối bằng phương pháp tái cấu hình lưới điện

- Góp phần vào các nghiên cứu liên quan đến bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối và hàm chi phí vận hành là bé nhất

- Làm tài liệu tham khảo cho các công tác nghiên cứu và vận hành lưới điện phân phối khi xác định trạng thái lưới thay đổi theo phụ tải có chi phí là bé nhất

1.7 Bố cục của luận văn

Luận văn gồm có 5 chương như sau:

- Chương 1: Mở đầu

- Chương 2: Hệ thống điện phân phối Tái cấu hình lưới điện phân phối nhằm tổn thất điện năng là bé nhất

- Chương 3: Nhà máy năng lượng mặt trời kết nối lưới phân phối

- Chương 4: Áp dụng tái cấu trúc lưới điện phân phối có xét đến nhà máy điện mặt trời dựa trên thuật toán TOPO

Chương 2

LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

2.1 Đặc điểm của lưới điện phân phối

Hệ thống điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện đến hộ tiêu thụ Vì lý do kỹ thuật, nó luôn được vận hành theo kiểu hình tia, mặc dù được thiết

kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy trong quá trình cung cấp điện Tổn thất năng lượng trên lưới phân phối hiện nay khoảng 10%-11%, so với 2%-3% trên lưới điện truyền tải Do đó nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối là một nhu cầu bức xúc, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích kinh tế [1][2][3]

Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất trong quá trình phân phối điện năng như: bù công suất phản kháng, nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối, hoặc tăng tiết diện dây dẫn Tuy các biện pháp này đều mang tính khả thi về kỹ thuật nhưng lại tốn các chi phí đầu tư và lắp đặt thiết bị Trong khi đó, biện pháp tái cấu trúc lưới thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng/mở các cặp khoá điện có sẵn trên lưới cũng có thể giảm tổn thất điện năng đáng kể khi đạt được cân bằng công suất giữa các tuyến dây mà không cần nhiều chi phí để cải tạo lưới điện Không chỉ dừng lại ở mục tiêu giảm tổn thất điện năng, tái cấu trúc lưới điện phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới và giảm thiểu số lượng hộ tiêu thụ bị mất điện khi có sự cố hay khi cần sửa chữa đường dây [4][5]

Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất năng lượng trong điều kiện phải thoả mãn các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khoá điện trên

hệ thống điện phân phối là điều vô cùng khó khăn đối với các điều độ viên Do đó luôn cần một phương pháp phân tích phù hợp với lưới điện phân phối thực tế và một giải thuật

đủ mạnh để tái cấu trúc lưới trong điều kiện thoả mãn các mục tiêu điều khiển của các điều độ viên

Các giải thuật tái cấu trúc lưới luôn được xem xét ở hai góc độ thiết kế và vận hành

Ở góc độ thiết kế, cần phải chỉ ra vị trí đặt khoá điện và sử dụng loại khoá gì (máy cắt, máy cắt có tải, dao cách ly…) để có thể cực tiểu hoá tổn thất năng lượng và giảm chi phí đóng/cắt khi chuyển tải, giúp điều độ viên có không gian điều khiển đủ lớn đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong tương lai Ở góc độ vận hành, dựa vào các vị trí khoá điện có sẵn, điều độ viên phải chỉ ra cấu trúc vận hành sao cho chi phí vận hành bao gồm chi phí chuyển tải và tổn thất năng lượng là bé nhất Khi có sự cố hay cần sửa chữa lưới điện, cần phải tái cấu trúc lưới điện sao cho giảm thiểu số lượng khách hàng bị mất điện, chống quá tải các phần tử trên lưới, đảm bảo chất lượng điện năng và giảm tổn thất năng lượng [6][7][8][9][10]

2.1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối

Hình 0.1 Sơ đồ nguyên lý lưới điện phân phối 69 nút điển hình

Theo [11], Lưới điện phân phối bao gồm các trạm biến áp và đường dây tải điện, trực tiếp cung cấp điện năng cho các hộ tiêu thụ Lưới điện phân phối thực hiện nhiệm

vụ phân phối điện cho một địa phương thường có bán kính cung cấp điện nhỏ hơn 50

km, tuy nhiên thực tế hiện nay bán kính cấp điện có khu vực có thể lên đến 100 km Tổng chiều dài và số lượng máy biến áp chiếm tỷ lệ lớn trong toàn hệ thống, số lượng lộ

ra, nhánh rẽ lớn hơn 5 – 7 lần lưới điện truyền tải Đường dây tuy có bán kính cấp điện ngắn nhưng cấu trúc của lưới điện phức tạp [12][13][14]

Hình 0.2 Sơ đồ khối hệ thống điện

Lưới điện phân phối nhận điện từ các các trạm phân phối khu vực gồm: Trạm 110/35-22-15-10-6 kV Hiện nay lưới điện phân phối của Việt Nam đang quy dần về cấp điện áp 22 kV, và một số cấp điện áp 35 kV Hoặc một số trạm trung gian 35/22-15-10-

6 kV Phương thức cung cấp điện của lưới điện phân phối: Phân phối theo một cấp trung

áp, trạm phân phối có thể là các trạm nâng áp của các nhà máy điện phân tán, hoặc trạm phân phối khu vực dạng Cao áp/Trung áp (110/35-22-15-10-6 kV) Lưới điện phân phối

có ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của toàn hệ thống:

- Chất lượng cung cấp điện: ở đây là độ tin cậy cung cấp điện và độ dao động của điện áp, tần số tại phụ tải

- Tổn thất điện năng: Thường tổn thất điện năng ở lưới phân phối lớn gấp 3 đến 4 lần so với tổn thất ở lưới truyền tải

- Giá đầu tư xây dựng: nếu chia theo tỉ lệ cao áp, phân phối trung áp, phân phối hạ

áp thì vốn đầu tư mạng cao áp là 1, mạng phân phối trung áp, hạ áp thường từ 2,5 đến 3 lần

- Xác suất sự cố: Sự cố gây ngừng cung cấp điện, hoặc cắt điện để sữa chữa, bảo trì thiết bị theo kế hoạch, cải tạo, xây lắp đường dây và trạm phân phối mới… lưới điện phân phối cũng nhiều hơn lưới truyền tải

2.1.2 Nhiệm vụ của lưới điện phân phối

- Cung cấp phương tiện để truyền tải năng lượng điện đến hộ tiêu thụ

- Cung cấp phương tiện để các công ty điện lực có thể bán điện

- Đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện

- Đảm bảo các thông số vận hành trong giới hạn cho phép

- Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải

2.1.3 Chế độ vận hành lưới điện phân phối

Để giảm tổn thất trên lưới điện phân phối có nhiều phương pháp để thực hiện: Chống tổn thất thông qua cải tạo lưới điện:

- Phát triển trục hệ thống truyền tải: Xây dựng các đường truyền tải chính xuyên qua các vùng trong nước có cấp điện áp 110 kV, 220 kV, 500 kV

- 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 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 giảm tổn thất truyền tải

và phân phối

- Đơn giản hóa các cấp điện áp: Chẳng hạn ở miền Nam cấp điện áp 66 kV dần dần được thay bằng cấp 110 kV và chỉ còn cấp điện áp 110 kV, 220 kV trên lưới truyền tải cũng nhằm mục đích giảm tổn thất

- Thay các đường dây phân phối trung áp và hạ áp, 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

- Đặt tụ bù để nâng cao cos 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 cos 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 bù, cos ở cuối đường dây yêu cầu từ 0,85 đến 0,95, các phụ tải có cos thấp bị phạt với giá tiền điện cao hơn Gần đây, các đồ điện gia dụng có hệ số công suất thấp, chẳng hạn như đèn huỳnh quang cũng đặt tụ điện bù cos ngay từ nơi sản xuất

- Giảm tổn thất trong các máy biến áp phân phối: Tổn thất sắt của 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

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

- 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 việc vận hành kinh tế trong hệ thống điện đã giảm được tổn thất điện năng 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

- Cung cấp trực tiếp bằng điện áp cao đến các phụ tải: Các phụ tải công suất lớn có

số lượng 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 tổn thất 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

- 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, lưới và tổn thất công suất tỉ 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 qui trình sản xuất của các phụ tải công nghiệp

để có đồ thị phụ tải hợp lý

Nâng cao cos đường dây:

- Phụ tải của mạng điện phần lớn là các động cơ không đồng bộ có cos thấp Với cùng một công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải, khi hệ số công suất thấp thì công suất kháng tải trên đường dây càng lớn tạo ra tổn thất công suất tác dụng và phản kháng đáng

kể

Giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng: Giảm tổn thất công suất và tổn thất

điện năng là kết quả trực tiếp từ việc giảm dòng điện đối với một phụ tải cho trước và làm tăng hiệu suất trong phân phối

Chế độ vận hành bình thường của lưới điện phân phối là vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện, các nhà phân phối đã dần tiến tới xây dựng lưới theo cấu trúc vòng nhưng vận hành hở Trong mạch vòng, các xuất tuyến được liên kết với nhau bằng dao cách ly hoặc thiết bị nối mạch vòng Các thiết bị này vận hành ở vị trí mở, trong trường hợp cần sữa chữa hoặc sự cố đường dây, thiết bị,





việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ chuyển đổi nguồn cung cấp bằng thao tác đóng cắt các dao cách ly phân đoạn, hay tự động chuyển đổi nhờ các thiết bị nối mạch vòng

So với mạng hình tia, mạng mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn, đó chính là lý

do tồn tại của mạch vòng, song lại gây phức tạp về vấn đề bảo vệ rơle Cấu trúc mạch vòng chỉ phù hợp cho những máy TA/HA có công suất lớn và số lượng trạm trên mạch vòng ít Mặt khác, cùng với một giá trị đầu tư thì hiệu quả khai thác mạch vòng kín sẽ thấp hơn so với mạch hình tia Ngoài ra, do chất lượng phục vụ của mạng hình tia đã liên tục được cải thiện, đặc biệt là những thập niên gần đây với sự xuất hiện các thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện do xây dựng thêm nhiều trạm phân phối trung gian, tăng tiết diện dây dẫn và bù công suất phản kháng nên chất lượng điện mạng hình tia đã được cải thiện nhiều

Những nét đặt trưng của LĐPP vận hành ở trạng thái mạch vòng hở:

- Tổng trở của lưới điện phân phối vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận hành vòng kín nên dòng ngắn mạch khi có sự cố bé Vì vậy chỉ cần chọn các thiết bị đóng cắt có dòng ngắn mạch chịu đựng và dòng ngắn mạch bé, nên mức đầu tư giảm đáng kể

- Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các lọai relay đơn giản, rẻ tiền như relay quá dòng, thấp áp…mà không nhất thiết phải trang bị các loại relay phức tạp như relay định hướng, bảo vệ khoảng cách, so lệch… nên việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn và kinh tế hơn

- Chỉ cần dùng các cầu chì tự rơi (FCO) hay cầu chì tự rơi kết hợp cắt có tải (LBFCO) để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên cùng một trục và phối hợp với Recloser

để tránh sự cố thoáng qua

- Do vận hành hở, nên khi có sự cố không bị lan tràn qua các vùng phụ tải khác

- Do được vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây dể dàng hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố

- Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới điện phân phối, thì phương án kinh tế là lưới điện hình tia

Kết quả của các nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành đã đưa đến kết luận:

Lý do chính để lưới điện vận hành hình tia: đơn giản trong vận hành, trình tự phục hồi lại kết cấu lưới sau sự cố dễ dàng hơn, vùng mất điện bé và không lan tràn khi có sự cố,

ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt điện cục bộ, có dòng ngắn mạch bé nên đơn giản hóa các thiết bị đóng cắt và bảo vệ trên các xuất tuyến Thông thường, việc tái cấu trúc lưới điện cần thiết để phục hồi việc cung cấp điện cho các khách hàng sau sự cố, hoặc trong quá trình cắt điện để sửa chữa, giảm tổn thất của hệ thống và cân bằng tải để tránh quá tải trên lưới Việc khôi phục lưới điện được thực hiện thông qua các thao tác đóng cắt các cặp khóa điện nằm trên các mạch vòng, hoặc sử dụng các nguồn phân tán hiện có trong khu vực do đó trên lưới phân phối có rất nhiều khóa điện Nhưng lưới điện hình tia cũng có một số nhược điểm cần khắc phục là: Tổn thất công suất trên hệ thống lớn, sụt áp trên đường dây cao, và độ tin cậy cung cấp điện kém Để khắc phục cần thay đổi cấu hình của lưới điện

Hình 0.3 Các chế độ vận hành của lưới điện phân phối

2.1.4 Ứng dụng các đặc điểm của lưới điện phân phối để tái cấu trúc lưới điện

Một đường dây phân phối luôn có nhiều loại phụ tải khác nhau (sinh hoạt, thương mại dịch vụ, công nghiệp…) và các phụ tải này được phân bố không đồng đều giữa các đường dây Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa Vì vậy, trên các đường dây, đồ thị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ Điều này gây ra quá tải đường dây và làm tăng tổn thất trên lưới điện phân phối Để chống quá tải đường dây và giảm tổn thất, ngoài việc thay đổi cấu trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khoá

điện hiện có trên lưới thì việc sử dụng các nguồn phân tán là một trong những giải pháp cần xem xét Vì vậy, trong quá trình thiết kế các loại khoá sẽ được lắp đặt tại các vị trí

có lợi nhất để khi thao tác đóng/cắt các khoá này vừa có thể giảm chi phí vận hành và vừa giảm tổn thất năng lượng đồng thời kết hợp để kết nối với các nguồn phân tán khi cần thiết Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, vì vậy xuất hiện nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụ thể Tuy nhiên, các điều kiện vận hành lưới phân phối luôn phải thoả mãn điều kiện: Cấu trúc vận hành hở; Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép; Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy; Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác vận hành ở giới hạn cho phép; Điện áp rơi ở mức cho phép [15][16][17][2][1][3]

Hình 0.4 Đồ thị phụ tải thay đổi theo thời gian

Để giải quyết bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối, trước tiên phải xây dựng hàm mục tiêu Ví dụ mục tiêu là cực tiểu hóa tổn thất trên toàn hệ thống hay cực tiểu chi phí khi xác định cấu hình lưới thay đổi Vấn đề tái cấu trúc hệ thống cũng tương tự như việc tính toán phân bố công suất tối ưu Tuy nhiên, tái cấu trúc yêu cầu một khối lượng tính toán lớn do có nhiều biến số tác động đến các trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành của lưới điện phân phối

2.2 Bài toán cực tiểu hàm tổn thất năng lượng

Giả thiết để đơn giản bài toán tái cấu trúc lưới để tổn thất năng lượng là bé nhất [4][11] hay nói các khác là chi phí bé nhất thông qua cực tiểu tổn thất năng lượng nhờ

cấu hình lại lưới điện bao gồm cả việc tính chi phí khi cấu hình lại lưới điện Trong thực

tế, ngay cả ở những nước công nghiệp tiên tiến, chi phí chuyển tải ảnh hưởng rất lớn đến quyết định thay đổi cấu trúc lưới Vì đôi khi chi phí này lớn hơn nhiều lợi ích thu được,

do đó cần xác định rõ các cấu hình thay đổi nào có thể vận dụng được trong trường hợp

có chi phí thấp nhất Vì thế trong vận hành, cấu trúc lưới chỉ thay đổi khi:

- Phải cô lập sự cố và tái cấu trúc lưới chống quá tải lưới, máy biến thế nguồn

- Mức giảm tổn thất năng lượng ít nhất đủ bù đắp các chi phí chuyển tải

Hình 0.5 Lưu đồ giải thuật của Rubin Taleski và Dragoslav [18]

Vì vậy xuất hiện bài toán xác định cấu trúc lưới điện thay đổi trong thời gian khảo sát để tổn thất năng lượng bé nhất Tiếp cận bài toán này, Rubin Taleski [18] đề nghị một giải thuật cũng dựa vào giải thuật giảm tổn thất công suất thuần heuristic của Civanlar [13] nhưng thay hàm tổn thất công suất bằng hàm tổn thất năng lượng được xây dựng bằng cách cộng đồ thị phụ tải và điện áp trung bình tính trong 24 giờ theo lưu đồ

Hình 0.5 Ưu điểm nổi bật của giải thuật là số vòng lặp của bài toán giảm ∆A bằng với

số vòng lặp tìm cấu trúc lưới có ∆P sau khi qui đổi đồ thị phụ tải, điện áp thành một lượng công suất đẳng trị để có thể sử dụng công thức giảm tổn thất công suất của Civanlar [13]

Bài toán cực tiểu tổn thất năng lượng là một bài toán quan trọng đối với những lưới điện có hệ thống SCADA chưa phát triển và không được trang bị nhiều các thiết bị đóng cắt có tải nên chi phí chuyển tải cao Do đó phù hợp với điều kiện vận hành lưới điện phân phối của Việt Nam; Các giải thuật của Rubin Taleski [18] yêu cầu đến đồ thị phụ tải của từng tải tiêu thụ trong hệ thống Đây là thông số khó đáp ứng nhất vì phải trang

bị rất nhiều bộ ghi dữ liệu rất đắt tiền Vì vậy, xây dựng giải thuật tái cấu hình lưới cực tiểu chi phí với các cấu trúc lưới thay đổi để có lợi nhuận khi tổn thất bé nhất lớn hơn chi phí vận hành khi thay đổi cấu hình lưới

2.3 Tái cấu hình lưới điện phân phối

2.3.1 Phương pháp Heuristic

Phương pháp trao đổi nhánh đơn giản: Ý tưởng cơ bản của phương pháp đổi nhánh Heuristic là tính toán sự thay đổi của tổn thất công suất bằng cách vận hành một cặp các khóa điện Mục đích là để giảm tổn thất công suất Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản và dễ hiểu Những nhược điểm: Các cấu hình cuối cùng phụ thuộc vào cấu hình mạng ban đầu; Giải pháp là một tối ưu cục bộ, chứ không phải là tối ưu toàn cục; Mất nhiều thời gian cho việc lựa chọn và vận hành từng cặp các khóa điện cũng như tính toán phân bố công suất trong mạng hình tia tương ứng

Mô hình dòng chảy tối ưu: Nếu trở kháng của tất cả các nhánh trong mạng được thay thế bởi các điện trở của nhánh tương ứng, phân bố dòng công suất đáp ứng các định luật KCL và KVL được gọi là một mô hình dòng chảy tối ưu Khi phân bố công suất trong một vòng kín là dòng chảy tối ưu, tổn thất công suất trong mạng tương ứng sẽ là nhỏ nhất Do đó, ý tưởng cơ bản của mô hình dòng chảy tối ưu là mở khóa điện của

nhánh có dòng điện thấp nhất trong vòng kín, các bước của thuật toán Heuristic dựa trên một mô hình dòng chảy tối ưu là:

- Tính toán phân bố công suất của mạng hình tia ban đầu;

- Đóng tất cả các khóa điện thường mở để tạo thành các mạng vòng;

- Tính toán dòng điện tương đương bơm vào tất cả các nút trong một vòng thông qua phương pháp bơm dòng điện;

- Thay thế trở kháng của nhánh tương ứng bằng điện trở của nhánh trong các vòng kín và sau đó tính toán dòng chảy tối ưu;

- Mở khóa điện của nhánh có dòng điện thấp nhất trong vòng kín Tính toán lại phân bố công suất phần còn lại của mạng;

- Mở khóa điện trên nhánh tiếp theo và lặp lại bước (v) cho đến khi mạng trở thành một mạng hình tia

Những ưu điểm của phương pháp này là: cấu hình mạng cuối cùng sẽ không phụ thuộc vào cấu trúc mạng ban đầu; tốc độ tính toán nhanh hơn nhiều so với các phương pháp đổi nhánh đơn giản; bài toán vận hành khóa điện tổ hợp phức tạp trở thành một bài toán Heuristic bằng cách mở một khóa điện mỗi lần Tuy nhiên, có một số nhược điểm

do bởi tất cả các khóa điện thường mở được đóng trong cấu hình mạng ban đầu, như là: Nếu có nhiều khóa điện thường mở trong một mạng, nó có nghĩa là tính toán của dòng chảy tối ưu bao gồm rất nhiều vòng Giải pháp cuối cùng có thể không được tối ưu do những tác động lẫn nhau giữa các vòng; Khi phân bố công suất được giải quyết bằng các phương pháp bơm dòng điện vào, nó cần phải tính ma trận tổng trở Thevenin tương đương của mạng với nhiều nút Điều này sẽ làm tăng gánh nặng tính toán; Cần phải tính toán phân bố công suất mạng điện kín hai lần cho mỗi lần chuyển đổi một khóa

2.3.2 Phương pháp tối ưu kiến – Ant Colony Optimization Method

Giải thuật kiến được đề xuất lần đầu bởi Dorigo vào đầu những năm 1990, sau đó Carpento và Chicco trình bày một ứng dụng mới của giải thuật tìm kiếm của đàn kiến cho bài toán tối ưu tái cấu hình lưới điện phân phối với mục tiêu cực tiểu tổn thất trên hệ

thống phân phối với các ràng buộc trong quá trình vận hành Phương pháp này dựa trên hoạt động tìm kiếm thức ăn của một đàn kiến Ban đầu, số con kiến bắt đầu từ tổ kiến để

đi tìm đường đến nơi có thức ăn Từ tổ kiến sẽ có rất nhiều con đường khác nhau để đi đến nơi có thức ăn, nên một con kiến sẽ chọn ngẫu nhiên một con đường đi đến nơi có thức ăn Quan sát loài kiến, người ta nhận thấy chúng tìm kiếm nhau dựa vào dấu chân

mà chúng để lại trên đường đi Sau một thời gian, lượng dấu chân của mỗi chặng đường

sẽ khác nhau Do sự tích lũy dấu chân của mỗi chặn đường cũng khác nhau Đồng thời với sự bay hơi của dấu chân ở đoạn đường kiến ít đi Sự khác nhau này sẽ ảnh hưởng đến sự di chuyển của những con kiến sau đi trên mỗi đoạn đường Nếu dấu chân để lại trên đường đi nhiều thì sẽ có khả năng thu hút các con kiến khác di chuyển trên đường

đi đó, những chặng đường còn lại do không thu hút được lượng kiến di chuyển sẽ có xu hướng bay hơi dấu chân sau một thời gian qui định Điều đặc biệt trong cách hành xử loài kiến là lượng dấu chân trên đường đi có sự tích lũy càng lớn thì cũng đồng nghĩa với việc đoạn đường đó là ngắn nhất từ tổ kiến đến nơi có thức ăn Từ khi giải thuật kiến trở thành một lý thuyết vững chắc trong việc giải các bài toán tìm kiếm tối ưu toàn cục

đã có nhiều ứng dụng thực tế cho giải thuật này như: tìm kiếm các trang web cần tìm trên mạng, kế hoạch sắp xếp thời khóa biểu cho các y tá trong bệnh viện, cách hình thành các màu khác nhau dựa vào các màu tiêu chuẩn có sẵn, tìm kiếm đường đi tối ưu cho những người lái xe hơi… Nói tóm lại, phương pháp này đưa ra để giải quyết các bài toán

có không gian nghiệm lớn để tìm ra lời giải có nghiệm là tối ưu nhất trong không gian nghiệm đó với thời gian cho phép hay không tìm ra cấu hình tối ưu hơn thì dừng Phương pháp này cũng rất thích hợp để giải bài toán cấu hình để có thể tìm ra trong các cấu hình

có thể của mạng phân phối có một cấu hình có công suất tổn thất là nhỏ nhất

2.3.3 Các phương pháp tối ưu khác

Ngoài các phương pháp tối ưu dùng giải thuật heuristic thông thường thì còn các phương pháp sử dụng các mạng nơron, lý thuyết mờ [5][16] Đối với các phương pháp tiếp cận heuristic, là thước đo bằng trực giác, để hạn chế không gian tìm kiếm, chủ yếu

dựa vào kiến thức và kinh nghiệm của các chuyên gia vận hành trên lưới điện phân phối thực tế được biên dịch thành các chương trình máy tính Tuy nhiên, điều này cho thấy

có những khó khăn lớn trong việc ứng dụng vào các lưới điện phân phối khác vì tính chuyên gia của chương trình và kích thước của phần mềm lớn cũng như thuật toán phức tạp Đối với các chương trình sử dụng hệ chuyên gia, về cơ bản bao gồm hai thành phần chính là cơ sở tri thức và phương pháp suy diễn Cho đến nay, phương pháp tiếp cận hệ chuyên gia có thể được coi là phương pháp tiếp cận thành công để giải quyết vấn đề này trên lưới điện phân phối, nhưng không chắc rằng phương pháp này luôn luôn có thể tìm thấy một cấu hình tối ưu về số lần chuyển khóa

Các hệ thống phân phối thường có tổn thất hệ thống cao và điều chỉnh điện áp kém

do mức điện áp cao và thấp trong hệ thống phân phối [28, 29] Ngoài ra, do sự mở rộng nhanh chóng của mạng lưới phân phối, sự ổn định điện áp của các hệ thống phân phối

đã trở thành một vấn đề quan trọng Vì vậy, nhiều biện pháp đã được thực hiện để giảm tổn thất và cải thiện sự ổn định điện áp trong hệ thống phân phối Tái cấu hình mạng phân phối (Distribution network Reconfiguration - DNR) là quá trình thay đổi mạng lưới phân phối bằng cách thay đổi trạng thái đóng/mở các khóa điện trong khi vẫn thỏa các ràng buộc hệ thống Vấn đề DNR đã được trình bày bởi Merlin và Back [32] đã giải quyết vấn đề DNR thông qua kỹ thuật heuristic loại nhánh và ràng buộc rời rạc Civanlar

và các cộng sự [5] đề xuất phương pháp trao đổi nhánh để ước tính tổn thất giảm dựa trên lựa chọn chuyển đổi cụ thể Khi phương pháp dựa trên kỹ thuật heuristic khó để có một cách có hệ thống để đánh giá một giải pháp tối ưu Trong những năm gần đây, các phương pháp mới metaheuristic đã được đề xuất để giải quyết các vấn đề tối ưu hoá để

có được một giải pháp tối ưu tối ưu toàn cục với kết quả tốt Trong [35], một phương pháp dựa trên một thuật toán di truyền được cải tiến đã được phát triển cho vấn đề DNR

để giảm thiểu tổn thất điện năng và tối đa hóa độ tin cậy của hệ thống Souza và các công

sự sử dụng hai phương pháp mới để giải quyết vấn đề DNR bằng Opt-aiNet (mạng lưới miễn dịch nhân tạo để tối ưu hóa) và Copt-aiNet (mạng lưới miễn dịch giả tạo để tối ưu

hoá tổ hợp) để giảm thiểu tổn thất điện năng Trong [36], việc tái cấu hình lưới điện phân phối được sử dụng đồng thời để nâng cao hiệu quả của hệ thống trong một vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu mờ bằng cách sử dụng một thuật toán tìm kiếm trọng lực nhị phân (BGSA)

2.4 Các bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ở góc độ vận hành

Các bài toán vận hành lưới điện phân phối mô tả các hàm mục tiêu tái cấu trúc lưới điện:

- Bài toán 1: Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 thời đoạn để chi phí vận hành bé nhất

- Bài toán 2: Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát

- Bài toán 5: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa

- Bài toán 6: Xác định cấu trúc lưới theo nhiều mục tiêu như: tổn thất công suất bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối lưới bé nhất cùng đồng thời xảy ra (hàm mục tiêu)

Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của một lưới điện phân phối cực tiểu tổn thất năng lượng hay cực tiểu chi phí vận hành thoả mãn các điều kiện kỹ thuật vận hành luôn là bài toán quan trọng và kinh điển trong vận hành hệ thống điện Bảng 2.1 trình bày phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc theo đặc điểm lưới điện phân phối

Bảng 0.1 Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc lưới

Lưới điện hầu như không quá tải

Việc chuyển tải chỉ xảy ra khi:

- Chống quá tải đường dây, trạm biến áp trung gian ở những nơi phụ tải phát triển nhanh, vào giờ cao điểm hay khi có công tác sửa chữa các mạch vòng truyền tải

- Tái cấu trúc lưới khôi phục cung cấp điện sau khi cô lập sự cố hay sửa chữa, cải tạo đường dây và trạm biến áp theo định kỳ

Xác định cấu trúc lưới theo nhiều mục tiêu như: tổn thất công suất bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối lưới bé nhất cùng đồng thời xảy ra

Bài toán 6: hàm đa mục tiêu Trong đó Bài toán 3 – Xác định cấu trúc lưới giảm

∆P là bài toán quan trọng nhất Bài toán xác định cấu trúc lưới để giảm tổn thất công

suất tác dụng – bài toán 3 là một bài toán quan trọng, được xem như một modul để giải

quyết các bài toán khác trong hệ thống các bài toán tái cấu trúc lưới Điều này được chứng minh qua các giải thuật của các nghiên cứu từ trước đến nay Bài toán 3 được kết hợp với Bài toán 1 - Cực tiểu hàm chi phí vận hành nhằm:

- Hàm mục tiêu này rất phù hợp với lưới điện phân phối có chi phí chuyển tải thấp, linh hoạt trong vận hành, cấu trúc lưới có thể thay đổi nhiều lần trong ngày

- Đi đầu trong nghiên cứu bài toán này có lẽ là C.S.Chen và M.Y.Cho [8] khi có xem xét sự khác biệt giữa thời gian khảo sát ngắn (24 giờ) và dài (tuần, mùa) Từ nghiên cứu của mình, năm 1993, C.S.Chen và M.Y.Cho [10] tiếp tục hoàn thiện phương pháp của mình Lưu đồ giải thuật xác định cấu trúc lưới điện để có chi phí vận hành thấp của Chen và Cho được trình bày tại Hình 0.6 Trong lưu đồ này, modul quan trọng nhất là modul chỉ ra cấu trúc vận hành tối ưu trong thời khoảng Ti, và được đánh giá là bài toán

3 Việc thay đổi cấu trúc lưới như sau: Xuất phát từ một cấu trúc lưới điện tối ưu tại một thời điểm nào đó - bài toán 3, sau đó so sánh tổn thất công suất giữa cấu trúc cũ và cấu trúc mới để xác định cấu trúc vận hành cho thời điểm tiếp theo, quá trình được xem xét cho đến hết 24 giờ

- Ưu điểm nổi bật là giải thật đơn giản Tuy nhiên thời gian giải lâu do phải lặp lại bài toán 3 theo từng thời đoạn trong thời gian khảo sát, tác giả cũng không lý giải chặt chẽ giá trị công suất đẳng trị của phụ tải để xác định cấu trúc tối ưu trong thời đoạn Ti Quan trọng hơn, cấu trúc vận hành hoàn toàn phụ thuộc vào thời đoạn xét ban đầu

- Với cùng ý tưởng này Broad Water và các cộng sự [6] cũng có nghiên cứu trong cùng năm Tuy nhiên phải đến 1997 khi Shirmohammadi [11] trình bày một giải thuật

xác định cấu trúc lưới điện dựa trên hàm chi phí vận hành lưới điện bao gồm phần tổn thất cơng suất được qui ra tiền và chi phí chuyển đổi trạng thái cấu trúc lưới điện Shirmohammadi sử dụng giải thuật tái cấu trúc giảm tổn thất cơng suất của Civanlar [13] nhưng áp dụng chúng trong một thời đoạn Ti, đồng thời cũng phát biểu bài tốn 1 chỉ thực sự phù hợp cho lưới điện cĩ hệ thống SCADA hồn chỉnh và các khố điện được điều khiển từ xa khi áp dụng cho lưới điện thực tế của cơng ty Pacific Gas and Electricity–San Francisco, California–Mỹ

Hình 0.6 Lưu đồ giải thuật của Chen và Cho

2.5 Các phương pháp áp dụng

Kết hợp heuristics và tối ưu hĩa: Việc kết hợp giữa giải thuật heuristics và tối ưu hố tái cấu trúc lưới điện phân phối cực tiểu DP tiêu tốn nhiều thời gian tính tốn nhưng lại cĩ khả năng xác định được cấu trúc lưới điện đạt cực tiểu tồn cục và khơng phụ

T=T+1 Dữ liệ u và o: Lướ i điệ n, khoá , tả i

Tính toá n hà m chi phí, chỉ

ra cấ u trú c vậ n hà nh tố i ưu

Lựa chọn thao tá c khoá có mứ c giả m tổ n thấ t lớ n nhấ t

N

N Y

Y

Độ giả m tổ n thấ t< 

Vi phạm cá c điề u kiệ n

Begin

Stop

Ướ c tính mứ c giả m tổ n thấ t

Cậ p nhậ t cấ u trú c lướ i điệ n

T > 24 N

Y

thuộc vào cấu trúc lưới ban đầu khi khảo sát hết số tổ hợp khố điện cĩ thể thay đổi trạng thái

2.5.1 Giải thuật của Merlin và Back – kỹ thuật vịng kín

Giải thuật của Merlin và Back khá đơn giản: “Đĩng tất cả các khố điện lại, tạo thành một lưới kín, sau đĩ giải bài tốn phân bố cơng suất và tiến hành mở lần lượt các khố cĩ dịng chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện dạng hình tia” Ở đây Merlin và Back cho rằng với mạch vịng, lưới điện phân phối luơn cĩ mức tổn thất cơng suất bé nhất

Hình 0.7 Giải thuật của Merlin và Back được Shirmohammadi [11] cải tiến

Vì vậy để cĩ lưới điện phân phối vận hành hình tia, Merlin và Back lần lượt loại

bỏ những nhánh cĩ tổn thất cơng suất nhỏ nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi lưới điện đạt được trạng thái vận hành hở Các giải thuật tìm kiếm nhánh và biên ứng dụng luật

Đọc dữ liệ u lướ i điệ n và khoá điệ n

Đó ng tấ t cả ø khoá điệ n

Giả i bà i toá n phâ n bố cô ng suấ t và thay thế tả i bằ ng cá c cá c nguồ n dò ng

Giả i bà i toá n phâ n bố cô ng suấ t tố i ưu

Mở khoá điệ n có dò ng bé nhấ t

Đó ngkhoá điệ n vừ a mở Mở khoá điệ n có dò ng bé nhấ t tiế p theo

Vi phạm cá c điề u kiệ n vậ n hà nh

Lướ i điệ n hình tia

Xuấ t kế t quả

Có

Khô ng Khô ng

Có

heuristic này mất rất nhiều thời gian do có khả năng xảy ra đến 2n cấu trúc nếu có n đường dây được trang bị khoá điện Hình 2.7 thể hiện giải thuật của Merlin và Back, đã được Shirmohammadi [11] bổ sung Giải thuật này chỉ khác so với giải thuật nguyên thủy của Merlin và Back ở chỗ có xét đến điện thế ở các trạm trung gian và yếu tố liên quan đến dòng điện Shirmohammadi [11] là tác giả đầu tiên sử dụng kỹ thuật bơm vào

và rút ra một lượng công suất không đổi để mô phỏng thao tác chuyển tải của lưới điện phân phối hoạt động hở về mặt vật lý nhưng về mặt toán học là một mạch vòng Dòng công suất bơm vào và rút ra là một đại lượng liên tục Sau khi chỉnh sửa, kỹ thuật này vẫn còn bộc lộ nhiều nhược điểm, có thể liệt kê như sau:

- Mặc dù đã áp dụng các luật heuristics, giải thuật này vẫn cần quá nhiều thời gian

để tìm ra được cấu trúc giảm tổn thất công suất

- Tính chất không cân bằng và nhiều pha chưa được mô phỏng đầy đủ

- Tổn thất của thiết bị trên đường dây chưa được xét đến trong giải thuật

2.5.2 Các giải thuật thuần túy dựa trên heuristics

Bản chất phi tuyến rời rạc của bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối đã tạo tiền

đề cho các nỗ lực nghiên cứu theo hướng sử dụng kỹ thuật chỉ thuần túy dựa trên giải thuật heuristics Các giải thuật này có cùng đặc điểm là sử dụng các công thức thực nghiệm để đánh giá mức độ giảm tổn thất liên quan đến thao tác đóng cắt và giới thiệu một số qui luật nhằm giảm số lượng xem xét các khóa điện Các qui tắc heuristics dựa trên giả định rằng việc giảm tải trên thiết bị và nguồn phát đồng nghĩa với giảm tổn thất Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu theo hướng này nhưng chưa tìm được giải thuật tỏ ra thực sự khả thi

2.5.3 Giải thuật của Civanlar và các cộng sự – kỹ thuật đổi nhánh

Giải thuật của Civanlar dựa trên heuristics để tái cấu trúc lưới điện phân phối, lưu

đồ mô tả giải thuật được trình bày tại hình 3.2 Giải thuật của Civanlar được đánh giá cao nhờ xác định được hai qui luật để giảm số lượng khóa điện cần xem xét

- Nguyên tắc chọn khóa đóng: việc giảm tổn thất chỉ có thể đạt được nếu như có sự chênh lệch đáng kể về điện áp tại khoá đang mở

- Nguyên tắc chọn khóa việc giảm tổn thất chỉ đạt được khi thực hiện chuyển tải ở phía có độ sụt áp lớn sang phía có sụt áp bé hơn

- Xây dựng được hàm số mô tả mức giảm tổn thất công suất tác dụng khi có sự thay đổi trạng thái của một cặp khóa điện trong quá trình tái cấu trúc

Ii : Dòng điện tiêu thụ của nút thứ i

EM : Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút M

EN : Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút N

Rloop : Tổng các điện trở trên vòng kín khi đóng khoá điện đang mở

Biểu thức (2.1) được rút ra từ phân tích mô hình tải phân bố tập trung Biểu thức này tỏ ra chính xác khi ứng dụng cho các lưới mẫu nhỏ nhưng chưa được kiểm chứng ở lưới điện lớn

Hình 0.8 Lưu đồ giải thuật của Civanlar và các cộng sự

Kỹ thuật đổi nhánh thể hiện ở quá trình thay thế 01 khĩa mở bằng 01 khố đĩng trong cùng một vịng để giảm tổn thất cơng suất Vịng được chọn để đổi nhánh là vịng

cĩ cặp khố đĩng/mở cĩ mức giảm tổn thất cơng suất lớn nhất Quá trình được lặp lại cho đến khi khơng thể giảm được tổn thất nữa

Giải thuật Civanlar cĩ những ưu điểm sau:

- Nhanh chĩng xác định phương án tái cấu trúc cĩ mức tổn thất nhỏ hơn bằng cách giảm số liên kết đĩng cắt nhờ qui tắc heuristics và sử dụng cơng thức thực nghiệm để xác định mức độ giảm tổn thất tương đối

- Việc xác định dịng tải tương đối chính xác

Tuy nhiên, giải thuật cũng cịn nhiều nhược điểm cần khắc phục:

- Mỗi bước tính tốn chỉ xem xét 01 cặp khĩa điện trong 01 vịng

Giả m số lầ n thao tá c khoá điệ n bằ ng cá ch xem xé t cá c luậ t heuristic

Tính toá n tổ n thấ t cô ng suấ t cho cá c thao tá c đó ng cắ t được đề nghị

Cá c thao tá c đó ng cắ t là m giả m tổ n thấ t cô ng suấ t

Thực hiệ n thao tá c đó ng/cắ t có mứ c độ giả m tổ n thấ t cô ng suấ t nhấ t

Phâ n bố cô ng suấ t cho lướ i điệ n mớ i

Kiể m tra quá tả i và độ sụt á p cho phé p

Chọn thao tá c đó ng/cắ t kế tiế p

Hệ thố ng được xem là tố i ưu

Khô ng

Có

Khô ng

Có

- Chỉ đáp ứng được nhu cầu giảm tổn thất, chứ chưa giải quyết được bài toán cực tiểu hóa hàm mục tiêu

- Việc tái cấu trúc hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc xuất phát ban đầu

2.6 Hướng nghiên cứu trong luận văn

Trong vấn đề tối ưu đa hóa giảm tổn thất công suất trên lưới điện phân phối có một

số vấn đề chính cần phải xem xét đó là:

- Sự phức tạp trong xây dựng hệ thống điện phân phối Hệ thống phân phối có đặc trưng là các lưới điện nhỏ, phân bố rộng, thay đổi liên tục nhu cầu phụ tải với rất nhiều phụ tải đi kèm Do đó, để có thông số cụ thể về lưới điện hiện tại nhằm nâng cao hiệu quả tái cấu trúc là một việc làm mất nhiều thời gian và công sức Để giải quyết vấn đề này thì yêu cầu phải sử dụng cơ sở và chương trình có sẵn tại cơ quan quản lý nó chính

là điện lực địa phương

- Việc lập trình tính toán trong giảm tổn thất công suất cũng gặp nhiều khó khăn

do sự thay đổi liên tục của hệ thống điện phân phối và công việc này đòi hỏi cần người

có chuyên môn cao Đây là trở ngại quan trọng trong việc phổ biến các kết quả thu được trong nghiên cứu vào thực tế Để giải quyết vấn đề này thì việc lập trình phải được thực hiện trong một chương trình đã được phổ biến rộng rãi nhằm đơn giản công việc cho người thực thi

- Hiện nay, với sự phát triển nhanh về các nguồn năng lượng mới như gió và mặt trời trong các khu dân cư, các nhà máy năng lượng mới được xây dụng với công suất nhỏ và hòa vào lưới điện phân phối đã gây ra nhiều khó khăn trong quá trình điều khiển vận hành hệ thống điện Việc đánh giá tác động của các nguồn năng lượng này với hệ thống cần phải được đánh giá toàn diện và đưa vào trong chương trình tính toán

Vì các lý do trên, luận văn đề xuất sử dụng chương trình PSS/DEPT để thực hiện việc giảm tổn thất công suất trên lưới có xét đến các nguồn năng lượng mới Việc sử dụng PSS/DEPT có các ưu điểm sau:

- Tận dụng được cơ sở dữ liệu có sẳn và cập nhật thường xuyên của các điện lực địa phương Hiện nay, các công ty điện lực địa phương đều sử dụng PSS/DEPT trong vận hành và quản lý hệ thống điện phân phối nên đảm bảo hệ thống luôn được cập nhật thường xuyên và chính xác Điều này là thuận lợi lớn để nâng cao hiệu quả giải thuật trong thực tế vận hành

- Việc phần mềm PSS/DEPT tích hợp phần mềm TOPO đã đơn giản hóa trong vận hành hệ thống của vận hành viên Đây là phần mềm chuyên dụng chính được sử dụng trong công việc nên việc thực hiện thêm một số thao tác trong chạy TOPO không gây khó khăn cho người vận hành Đây là ưu điểm lớn trong mục tiêu ứng dụng rộng rãi kết quả giảm tổn thất

- Phần mềm cho phép khai báo các nguồn năng lượng mới, các máy phát phân tán vào hệ thống điện phân phối Do đó, việc phát triển về máy phát phân tán cũng được cập nhật thường xuyên và đơn giản trong quá trình cập nhật hệ thống điện