TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT LƯỚI HIỆU QUẢ LƯỚI ĐIỆN CÁP NGẦM 22KV KHU DU LỊCH BÃI DÀICAM RANH

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

301
TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT LƯỚI HIỆU QUẢ
LƯỚI ĐIỆN CÁP NGẦM 22KV KHU DU LỊCH BÃI DÀI-CAM RANH
CALCULATION AND CHOICE OF AN EFFECTIVE GRID CONNECTION PLAN
FOR THE 22KV UNDERGROUND CABLE GRID IN BAIDAI-CAMRANH RESORT

Đinh Thành Việt
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Nguyễn Hồng
Công ty TNHH Tư vấn Điện ETNT

TÓM TẮT
Vấn đề tối ưu trong hệ thống điện nói chung và cấu trúc tối ưu của lưới điện nói riêng là
một bài toán khó do tính phức tạp của hệ thống. Đặc biệt bài toán tối ưu hóa cấu trúc lưới điện
phân phối cáp ngầm thường rất phức tạp do số lượng phương án kết lưới có thể có của lưới
điện là rất lớn và vấ
n đề đi dây ngầm trong lòng đất. Bài báo trình bày một phương pháp tiếp
cận để giải quyết bài toán tìm cấu trúc tối ưu của lưới điện phân phối cáp ngầm bằng phương
pháp kết hợp giữa phân tích với kinh nghiệm thực tế của các chuyên gia về quy hoạch lưới
điện trên thế giới đồng thời xây dựng chương trình tính toán tìm cấu trúc tối ưu trên máy tính và
ứng dụng để tính chọn phương án k
ết lưới hiệu quả cho lưới điện 22kV cáp ngầm ở khu du lịch
Bãi Dài, huyện Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa.
ABSTRACT
Optimization in the power system in general and optimal configuration of power network
in particular is a hard problem due to system complications. Especially, the optimal configuration
of the underground power distribution network is complicated due to great number of possible
cases and underground installation. This paper presents an approach to the study on an optimal
configuration of power distribution network by the combination of an analysis method and

practical experiences from experts on the power system planning. A relevant computer program
has been implemented in order to find the effective configuration for the 22kV underground
power distribution network in the Resort of Baidai in Camranh District, Khanhhoa Province.

1. Đặt vấn đề
Sau khi xác định được điện áp vận hành của hệ thống điện cho một khu vực, ta
cần phải giải quyết bài toán tìm cấu trúc tối ưu của lưới điện. Cấu trúc lưới điện liên
quan trực tiếp đến vấn đề vận hành và khả năng phát triển của lưới. Khi thay đổi cấu
trúc của lưới dẫn đến thay
đổi về chức năng và do đó sẽ tạo ra ảnh hưởng tốt hoặc xấu
đối với các mục tiêu đã đề ra.
Tối ưu hóa cấu trúc lưới điện là bài toán phức tạp do bị ràng buộc nhiều yếu tố,
phải có đầy đủ dữ liệu đầu vào và có giải thuật phù hợp để tính toán vì khối lượng tính
toán rất lớn. Riêng với bài toán tối ưu hóa cấu trúc lưới điện phân phối thì còn phải chịu
nhiều ràng buộc như lịch sử, địa hình, quy mô lưới điện, chi phí đầu tư, số lượng
phương án tính toán lớn, khó chương trình hóa từ các giải thuật thông thường…
Bằng cách tiếp cận theo phương pháp lôgic: kết hợp phân tích bản đồ phân bố
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

302
phụ tải thực tế với việc xây dựng giải thuật để tính toán, bài toán cấu trúc tối ưu lưới
điện có thể được giải quyết với một số mục tiêu đề ra. Sử dụng phương pháp này cho
phép giảm đáng kể khối lượng tính toán mà vẫn cho kết quả phù hợp với thực tế.
2. Giải quyết vấn đề
2.1. Chia cụm phụ tải theo nguyên tắc đường đi ngắn nhất
Nguyên tắc đường đi ngắn nhất: Từ nguồn sẽ nối đến phụ tải gần nó nhất.
Từ các yêu cầu ban đầu về cấp điện, yêu cầu khả năng kết nối lưới điện với các
khu vực lân cận, cân nhắc kỹ điều kiện đặc thù thực tế của địa hình phân bố phụ tải,
phân chia phụ tải thành các cụm phụ tải theo nguyên tắc đường đi ngắn nhất như hình 1.
Từ đó xác định các cụm phụ tải cần cấp điện, xác định sơ bộ các xuất tuyến cấp điện

cho các cụm phụ tải. Kết quả là đã xác định được cấu trúc lưới điện cơ bản giữa nguồn
điện và các cụm phụ tải cần cấp điện. Các yêu cầu về cấp điện, kết nối với khu vực
xung quanh đã thỏa mãn, đáp ứng tiêu chí đường đi ngắn nhất.

Hình 1. Xác định tuyến cấp điện cho các cụm trạm biến áp phụ tải
2.2. Xây dựng hàm mục tiêu của lưới điện
Biểu thức hàm chi phí tính toán hàng năm Z của phương án nối dây của lưới
điện n nút phụ tải phụ thuộc vào các giá trị dòng điện I
ij
theo công thức sau [4]:
00
()
0
ij
ij
ij ij ij ij
khi I
ZI
AL L I khiI
β
=
⎧⎫
⎪⎪
=
⎨⎬
+〉
⎪⎪
⎩⎭
∑∑
(1)

với
.AaA= và
.
3. . . .
aB
cJ
J
βρτ
=+
a = (a
vh
+ a
tc
); a
vh
, a
tc
: là các hệ số vận hành và hệ số tiêu chuẩn của vốn đầu tư;
A: 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;
B: hệ số của thành phần vốn đầu tư phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn, đ/km.mm
2
;
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

303
L
ij
: chiều dài đường dây ij, km;
I

ij
: dòng điện trên đoạn đường dây ij, A;

ρ: điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn, Ω.mm
2
/km;
τ: thời gian tổn thất công suất lớn nhất;
c: là giá tiền 1kWh tổn thất điện năng;
J: mật độ dòng điện, A/mm
2
; có thể xác định theo quy phạm ngành điện.
Khi đó bài toán xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện trở thành bài toán xác định
tập I
ij
sao cho hàm chi phí tính toán Z(I
ij
) đạt giá trị cực tiểu. Mô tả dưới dạng toán học:
Xác định tập {I
ij
} sao cho:
,1 ,1
00
()
min0
ij
nn
ij
ij ij ij ij
ij ij
khi I

ZI
AL L I khiI
β
==
=
⎧⎫
⎪⎪
=
⎨⎬
+
→〉
⎪⎪
⎩⎭
∑∑
(2)
Z(I
ij
) = Z
1
+ Z
2
;
trong đó: Z
1
= ∑ A.L
ij
và Z
2
= ∑β.L
ij

.I
ij
;
Suy ra điều kiện của bài toán: Xác định tập {I
ij
} sao cho minZ(I
ij
) = min(Z
1
+Z
2
).
Đặt min Z
1
= W
1
;
min Z
2
= W
2
;
min Z = min (Z
1
+Z
2
) = W.
Suy ra ta luôn có điều kiện: min Z
≥ min Z
1

+min Z
2
;
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 chi phí nhỏ nhất.
Để tìm phương án kết nối tối ưu giữa các trạm biến áp (TBA) phụ tải trong một
cụm phụ tải ta sử d
ụng phương pháp cực tiểu hàm chi phí tính toán Z, xây dựng thuật
toán và viết chương trình để tính toán cấu trúc tối ưu của lưới điện. Ở đây, trước hết đề
cập đến phương án kết nối tối ưu giữa các TBA phụ tải trong mỗi khu vực theo tiêu chí
cực tiểu hàm chi phí tính toán Z
1
. Đối với trường hợp các phụ tải nằm lân cận giữa 2
khu vực kề nhau mà có khả năng có phương án kết nối khác, sẽ tính toán tiếp hàm chi
phí tính toán Z
2
cho các trường hợp đấu nối vào mỗi khu vực để xác định hàm Z=Z
1
+Z
2
,
từ đó chọn phương án đấu nối có Z min.
Từ công thức (2), ta cần phải xác định L
ij
và I
ij
của các nhánh của lưới điện để
tính toán các hàm Z
1

và Z
2
.
Từ hình 2, nếu gọi X
i
và Y
i
là các tọa độ của TBA thứ i, ta có khoảng cách L
ij

giữa hai TBA thứ i và j tính theo công thức sau (theo lý thuyết độ đo Lebesgue [5]):

ij ij ij j i j i
LX YXXYY=∆ +∆ = − + − (3)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

304
Để xác định I
ij
trên các nhánh, ta thành lập ma trận cấu trúc lưới điện để tính S
ij
.
[A
ij
]
nn
là ma trận cấu trúc, có các tính chất: [3]
- Số hàng của ma trận bằng số nhánh của mạng.
- Số cột của ma trận bằng số nút của mạng.

Hình 2. Xác định khoảng cách thực tế đường dây đi từ trạm phụ tải i đến j
Các phần tử A
ij
được xác định: Các nút nối với nhánh tương ứng của nó thì A
ij

nhận giá trị 1, ngược lại thì A
ij
nhận giá trị 0.
Công suất trên nhánh i là tích vô hướng của [A
hi
] và [S]:

[][]
1
,
n
nhi hi hij j
j
SAS AS
=
==
∑

Với [A
hi
] là ma trận hàng thứ i của ma trận cấu trúc.
[S] = [S
1
, S

2
, …, S
i
, … S
n
] là ma trận công suất phụ tải tính toán tại các nút.
Bằng cách thành lập ma trận cấu trúc, ta tính được công suất trên các nhánh S
ij

và từ đó tính được dòng điện I
ij
đi trên các nhánh:

3.
ij
ij
S
I
U
=
trong đó S
ij
là công suất trên nhánh ij (kVA)
3. Kết quả tính toán
3.1. Tìm cấu trúc lưới điện theo cực tiểu của Z
1
:
Để giải bài toán tối ưu hóa cấu trúc lưới điện theo tiêu chí min Z
1
ta áp dụng

thuật toán Prim với sơ đồ thuật toán như ở hình 3 [4].
3.2. Tìm đấu nối tối ưu cho các vị trí trạm lân cận giữa 2 khu vực
Theo nguyên tắc phân chia cụm phụ tải đã đề cập ở phần 2.1, ta phân chia vực
Bãi Dài ra làm 4 cụm phụ tải, 4 cụm phụ tải phân bố 2 bên của 2 trục đường chính chạy
suốt chiều dài khu Bãi Dài. Khu vực I và II nằm kề nhau và cùng về 1 phía đối với TBA
cấp nguồn 110/22kV. Theo khảo sát, TBA T3 nằm trong khu vực I nhưng rất gần với
T4 của II. Tính toán so sánh trạm này đấu nối vào lưới điện khu vực I hay II là tốt nhất.
TP CH KHOA HC V CễNG NGH, I HC NNG - S 4(39).2010

305
gii quyt, ta xõy dng chng trỡnh tớnh toỏn Z
2
ca li in khu vc I v
II l Z
2-I
v Z
2-II
ca 2 khu vc ny l:
Z
2
= Z
2-I
+ Z
2-II

sau ú cho TBA T3 ni vo li in khu vc I ti v trớ T4 v tớnh li cỏc hm chi phớ
tớnh toỏn Z
2
= Z
2-I

+ Z
2-II
. So sỏnh Z
2
v Z
2
. Nu Z
2
> Z
2
thỡ chn phng ỏn ó tớnh
trờn, ngc li thỡ chn T3 u ni vo li in khu vc I ti v trớ trm T4.
Gii thut tớnh S tỡm Z
2
ca cỏc khu vc th hin trờn hỡnh 4.
A ={0}; C={0};
Tìm cạnh ngắn nhất của graph.
Bổ sung 2 đỉnh của cạnh đó vào A ;
Bổ sung cạnh đó vào tập C;
Sc:=1;
k
Tìm một cạnh có 1 đỉnh thuộc A , 1 đỉnh không thuộc A .
Bổ sung đỉnh không thuộc A vào A .
Bổ sung cạnh mới vào C.
Sc:= sc + 1;
Sc = n-1
- C chứa các cạnh của cây bao trùm nhỏ nhất của graph
- In kết quả.
éung
Sai

k
k
k
k
k
Nhập số liệu về graph đầy đủ của mạng điện

Hỡnh 3. Thut toỏn tỡm phng ỏn cú Z
1
min Hỡnh 4. Thut toỏn tỡm S cỏc nhỏnh tớnh Z
2

Chng trỡnh tớnh toỏn tỡm cõy bao trựm nh nht ca cỏc cm ph ti ca mt
khu vc v tớnh toỏn cỏc thụng s S(kVA), L(m), I(A) v tớch L.I(m.A) vit bng phn
mm MATLAB, cú giao din nh hỡnh 5.

Hỡnh 5. Kt qu tỡm Z
1
min v Z
2
ca li in khu vc I
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010

306
Kết quả chương trình tính toán cho ra cây bao trùm nhỏ nhất của một khu vực,
vẽ sơ đồ lưới điện theo kết quả tính và in các kết quả chi tiết tính toán các thông số L, S,
I và tích L.I là ma trận mô tả lưới điện.
Chương trình tính toán còn cho phép tính toán với các số liệu lưới điện bất kỳ
bằng cách nhập số liệu từ file mẫu số liệu lưới điện là ma trận 5 cột: Thứ
tự, tên trạm,

công suất, tọa độ X và tọa độ Y của trạm biến áp phụ tải (tọa độ GPS).

4. Kết luận
Để giải quyết trọn vẹn bài toán tối ưu một cách tổng quát là vấn đề phức tạp, do
bị ràng buộc nhiều yếu tố, phải có đủ dữ liệu đầu vào và có giải thuật phù hợp để tính
toán vì khối lượng tính toán rất lớn.
Bằng cách kết hợp các lý thuyết với việc xây dựng thuật toán tối ưu, đã giải
quyết được một phần các vấn đề
kỹ thuật nói trên, đưa ra phương pháp tính toán kết
lưới hiệu quả nói chung và cụ thể cho 2 cụm phụ tải khu Bãi Dài.
Hàm mục tiêu mà đề tài đạt được là cực tiểu tổng vốn đầu tư Z
1
của các tuyến và
phí tổn vận hành Z
2
cực tiểu đối với các trường hợp các phụ tải chưa thể khẳng định.
Để tìm min Z
1
và Z
2
cho các tuyến, đề tài đã xây dựng thuật toán và viết chương
trình bằng phần mềm MATLAB. Chương trình còn cung cấp thông số của lưới điện để
làm cơ sở cho việc lựa chọn thiết bị chính.
Các kết quả nghiên cứu có thể tham khảo để xây dựng mới hệ thống lưới điện
ngầm cho các khu đô thị mới cũng như các đô thị cần cải t
ạo hạ ngầm lưới điện.
Chương trình tính toán bằng phần mềm MATLAB tác giả viết có thể được
nghiên cứu cải tiến và mở rộng hơn nữa cho việc giải bài toán tìm kết lưới tối ưu của hệ
thống điện khi biết trước một số nguồn và phụ tải.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1]
Lê Kỷ, Một số vấn đề về quy hoạch, thiết kế và vận hành các hệ thống cung cấp
điện cho đô thị,
Tài liệu giảng dạy cho học viên cao học.
[2]
Hoàng Chí Thành (2007), Đồ thị và các thuật toán, NXB Giáo dục.
[3]
Trần Vinh Tịnh (2001), Áp dụng các phương pháp tối ưu hóa nhằm nâng cao hiệu
quả kinh tế vận hành hệ thống cung cấp điện, Tài liệu giảng dạy cho học viên
cao học.
[4]
Nguyễn Lân Tráng (2005), Quy hoạch phát triển hệ thống điện, NXB Khoa học kỹ
thuật.
[5]
H. Lee Willis (2004), Power Distribution Planning Reference Book (Second
Edition, Revised and Expanded), ABB, Inc. Raleigh, North Carolina, U.S.A,
Marcel Dekker.