Tái cấu trúc lưới điện phân phối để giảm tổn thất công suất

Luận văn thạc sĩ

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất của em
gửi đến Phó Giáo Sư - Tiến Sĩ Phan Thị Thanh Bình, người đã tận tụy hướng dẫn
em trong suốt q trình nghiên cứu để hồn thành luận văn này.
Chân thành cảm ơn q thầy cơ Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và
Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM đã giảng dạy em trong suốt hai năm học.
Và cuối cùng, xin cảm ơn đến tất cả các đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ tôi về
tinh thần, vật chất và công sức trong suốt quá trình học tập cũng như để hồn thành
luận văn này.
Xin trân trọng cảm ơn !
TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 12 năm 2012

Nguyễn Minh Quân

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang iv

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Luận văn thạc sĩ

Tóm tắt

TĨM TẮT

Hệ thống điện phân phối đóng vai trị quan trọng trong việc cung cấp điện đến
hộ tiêu thụ. Vì lý do kỹ thuật, nó ln 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.
Theo thống kê của Điện lực Việt Nam thì tổng tổn thất điện năng khoảng từ 10-15%
sản lượng điện sản xuất, trong đó lưới điện phân phối chiếm 5-7%. 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.
Đề xuất một giải thuật mới tái cấu trúc lưới giảm tổn thất công suất tác dụng
dựa theo luật tăng trưởng cây của giải thuật mô phỏng tăng trưởng cây (Plant
growth simulation algorithm – PGSA). Sử dụng giải thuật đề nghị vào bài tốn tìm
trạng thái khóa điện tối ưu của lưới điện nhằm làm giảm tổn thất công suất tác dụng.
u điểm của giải thuật là đơn giản, tìm được lời giải một cách nhanh chóng, thỏa
các điều kiện ràng buộc, kết quả có thể chấp nhận được, phù hợp với lưới điện
khơng phức tạp, ít vịng kín, có tính khả thi cao khi áp dụng cho lưới điện phân phối
của Việt Nam.
Thông qua các kết quả khảo sát trên LĐPP từ đơn giản đến phức tạp đều cho
thấy sau khi tái cấu hình lưới, tổn thất cơng suất giảm đáng kể và từ đó nâng cao độ
tin cậy cung cấp điện cho khách hàng. Điều này cho thấy tính đúng đắn, hiệu quả
của hàm mục tiêu và giải thuật.

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang v

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Luận văn thạc sĩ

Mục lục

M CăL C
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học ....................................................................................................... i
Lời cam đoan .......................................................................................................... iii
Lời cảm ơn ............................................................................................................. iv
Tóm tắt ......................................................................................................................v
Mục lục ................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt ........................................................................................x
Danh sách các bảng ................................................................................................ xi
Danh sách các hình ................................................................................................ xii
Ch

ngă1. Gi iăThi uăLu năVĕn ........................................................................01

1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................02
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn .................................................................03
1.3. Phạm vi nghiên cứu ..........................................................................................03
1.4. Phương pháp giải quyết bài toán ......................................................................03
1.5. Điểm mới của luận văn ....................................................................................04
1.6. Giá trị thực tiễn của luận văn ...........................................................................04
1.7. Bố cục của luận văn .........................................................................................05
Ch
l

ngă2: Tổngăquanăv ăcácăph

ngăphápătáiăc uătrúc đ ăgi mătổnăth tăchoă

iăđi năphơnăph i................................................................................................06

2.1. Đặc điểm của lưới điện phân phối ...................................................................07
2.1.1 nh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của hệ thống điện ....................08
2.1.2. Cấu trúc lưới điện ..........................................................................................08
2.2. Hiện trạng và đặc điểm của lưới điện phân phối ở Việt Nam ..........................10
2.3. Các bài toán tái cấu hình lưới điện ở góc độ vận hành ....................................11

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang vi

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Luận văn thạc sĩ

Mục lục

2.4. Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc để giảm tổn thất cho lưới điện phân
phối ..........................................................................................................................12
2.4.1. Giải thuật của Merlin và Back – kỹ thuật vịng kín ......................................12
2.4.2. Giải thuật của Civanlar và các cộng sự – kỹ thuật đổi nhánh .......................14
2.4.3. Giải thuật di truyền (Genetic algorithm (GA) ...............................................16
2.4.4. Giải thuật đàn kiến (Ant colony algorithm - ACS) .......................................18
2.4.5. Phương pháp hệ thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN).....20
2.4.6. Hệ chuyên gia ................................................................................................21

2.4.7. Phương pháp tìm kiếm TABU (Tabu Search Method - TS) ...................21
2.4.8. Phương pháp bầy đàn ( Particle Swarm Method - PSO) ...........................23
Ch

ngă3: Ph

ngăphápăti păc n ........................................................................25

3.1. Bài tốn tái cấu trúc mạng để giảm tổn thất cơng suất ....................................26
3.2. Giới thiệu giải thuật mô phỏng tăng trưởng cây .............................................27
3.3. Giới thiệu giải thuật giảm tổn thất công suất ...................................................32
3.4. Xây dựng giải thuật đề nghị để tìm trạng thái khóa điện tối ưu dựa trên thuyết
tăng trưởng cây của PGSA ......................................................................................32
3.4.1 Lưới điện hình tia ...........................................................................................32
3.4.2 Quá trình xây dựng cấu trúc lưới điện ..........................................................33
3.4.3. Xây dựng giải thuật chọn kết nối phù hợp ....................................................33
3.3.4. Xây dựng lưu đồ giải thuật ............................................................................33
Ch

ngă4: Víăd ăki mătraăgi iăthu t ...................................................................42

4.1. Ví dụ mạng 3 nguồn (16 nút, 16 nhánh) ..........................................................43
4.2. Ví dụ mạng 1 nguồn (33 nút, 37 nhánh) ..........................................................46
Ch

ngă5: K tălu năvƠăh

ngăphátătri năđ ătƠi .................................................50

5.1. Kết luận ............................................................................................................51

5.2. Hướng phát triển của đề tài .................................................................................... 51
TƠiăli uăthamăkh o ................................................................................................53
Ph ăl c ....................................................................................................................55

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang vii

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Luận văn thạc sĩ

Danh sách các chữ viết tắt

DANH SÁCH CỄCăCH ăVI TăT T
TCTLĐ: tái cấu trúc lưới điện.
LĐPP: lưới điện phân phối.
GA: giải thuật di truyền.
ACS: Giải thuật đàn kiến
ANN: phương pháp mạng thần kinh nhân tạo.
PSO: phương pháp bầy đàn.
TS: phương pháp bảng tìm kiếm.
SA: phương pháp mơ phỏng luyện kim.
PGSA: Giải thuật mô phỏng tăng trưởng cây.

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang viii

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Luận văn thạc sĩ

Danh sách các bảng

DANH SÁCH CÁC B NG
Trang
Bảng 2.1. Khối lượng LĐPP và tổng dung lượng trạm của EVN SPC ........... 10
Bảng 2.2. Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc lưới ...................... 12
Bảng 4.1. Dữ liệu lưới điện 3 nguồn của Civanlar .............................................. 44
Bảng 4.2. Trình tự kết nối phụ tải vào lưới điện 3 nguồn ................................... 44

Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng lưới điện 3 nguồn .............................................. 45
Bảng 4.4. Bảng dữ liệu lưới điện 1 nguồn ....................................................... 47
Bảng 4.5. Kết quả mô phỏng lưới điện 1 nguồn .............................................. 48
Bảng 4.6. Kết quả giải thuật đề nghị và các giải thuật khác trên lưới điện một
nguồn ............................................................................................................... 48

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang ix

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Luận văn thạc sĩ

Danh sách các hình

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang

Hình 2.1. Tổn thất điện năng của EVN ........................................................... 08
Hình 2.2a. Sơ đồ lưới điện hình tia ................................................................ 09
Hình 2.2b. Sơ đồ cung cấp điện kín vận hành hở ............................................ 09
Hình 2.3. Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp LĐTA khu vực miền Nam .......... 10
Hình 2.4. Giải thuật của Merlin và Back được chỉnh sửa ............................... 13
Hình 2.5. Lưu đồ giải thuật của Civanlar và các cộng sự ................................ 15
Hình 2.6. Sơ đồ chung của phương pháp bầy đàn (PSO). ............................... 23
Hình 3.1. khơng gian trạng thái tập trung Morphactin ................................... 27
Hình 3.2a. Mạch ví dụ ban đầu ........................................................................ 28
Hình 3.2b. Mạch trường hợp 1 ........................................................................ 28
Hình 3.2c. Mạch trường hợp 2......................................................................... 29
Hình 3.2d. Mạch trường hợp 3 ........................................................................ 29
Hình 3.3. Sơ đồ đơn tuyến của một phát tuyến.................................................... 30
Hình 3.4. Lưới điện 3 nguồn của Civanlar ..................................................... 32
Hình 3.5. Lưu đồ giải thuật đề nghị ................................................................. 34
Hình 3.6. Ma trận nút mô tả tập nguồn, tập tải và các nút có khả năng liên kết
với nhau ........................................................................................................... 35
Hình 3.7. Ma trận mơ tả lưới điện hình tia ...................................................... 37
Hình 3.8. Ma trận mơ tả các nút đư được cấp điện .......................................... 37
Hình 3.9. Cấu trúc lưới điện khi mở tất cả các khóa điện ............................... 38
Hình 3.10. Cấu trúc lưới điện sau bước thứ nhất ................................................. 39
Hình 3.11. Cấu trúc lưới điện sau bước thứ hai............................................... 40
Hình 3.12. Cấu trúc lưới điện sau bước thứ mười hai ..................................... 41
Hình 4.1. Cấu trúc lưới điện 3 nguồn lúc ban đầu ........................................... 43
Hình 4.2. Cấu trúc lưới điện 3 nguồn sau khi cấu trúc lại ............................... 45
Hình 4.3. Cấu trúc lưới điện 1 nguồn lúc ban đầu .......................................... 46

Hình 4.4. Cấu trúc lưới điện 1 nguồn sau khi cấu trúc lại ............................... 49

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang x

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 1: Giới thiệu luận văn

CH

NGă1:

GI IăTHI UăLU NăVĔN

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 1

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 1: Giới thiệu luận văn

1.1. ĐẶTăV NăĐ .
Hệ thống điện phân phối đóng vai trị quan trọng trong việc cung cấp điện đến
hộ tiêu thụ. Vì lý do kỹ thuật, nó ln 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.

Theo thống kê của Điện lực Việt Nam thì tổng tổn thất điện năng khoảng từ 10-15%
sản lượng điện sản xuất, trong đó lưới điện phân phối chiếm 5-7%. 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.
Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất điện năng trên lưới điện
phân phối như: nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối, tăng tiết diện dây
dẫn, hoặc giảm truyền tải công suất phản kháng trên lưới điện bằng cách lắp đặt tụ
bù. 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 thơng qua
việc chuyển tải bằng cách đóng/mở các cặp khố 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 khơng 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 cịn 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.
Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất
năng lượng trong điều kiện phải thoả mưn các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm
khoá điện trên hệ thống điện phân phối là điều vơ cùng khó khăn đối với các điều
độ viên. Do đó ln 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 mưn
các mục tiêu điều khiển của các điều độ viên.
1.2.ăM CăTIểUăVÀăNHI MăV ăC AăLU NăVĔN.
Mục tiêu nghiên cứu là tìm ra giải thuật tái cấu trúc lưới điện phân phối theo
hình tia nhằm giảm tổn thất cơng suất, nhằm giúp tăng lợi ích kinh tế cho doanh

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 2

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình

Chương 1: Giới thiệu luận văn

nghiệp bao gồm doanh nghiệp bán điện (EVN), các doanh nghiệp sản xuất, dịch vụ,
thương mại và nhân dân trên các tuyến đường dây đang cung cấp.
Từ mục tiêu nghiên cứu như trên, nên nhiệm vụ của luận văn bao gồm các vấn
đề sau:
1. Đọc các bài báo viết về tái cấu trúc lưới điện từ trước đến nay trên thế giới.
Phân loại theo các phương pháp khác nhau.
2. Đánh giá các phương pháp.
3. Đề nghị một phương pháp để tái cấu trúc lưới điện để giảm tổn thất công
suất.
4. Xây dựng hàm mục tiêu đạt mục đích đặt ra.
5. Kiểm chứng trên lưới điện mẫu nhằm đánh giá tính đúng đắn của ý tưởng đề
xuất.
6. Lập trình trên máy tính và chạy kiểm tra phương pháp đề nghị.
7. Đánh giá lại phương pháp thực hiện và khả năng áp dụng phương pháp đề
nghị vào thực tế. Đồng thời đề xuất hướng nghiên cứu phát triển đề tài.
1.3.ăPHẠMăVIăNGHIểNăC U.
Nghiên cứu xoay quanh bài toán tái cấu trúc lưới trên lưới điện phân phối có
cấu trúc mạch vịng nhưng vận hành hình tia. Bài tốn tái cấu trúc được nghiên cứu
trong luận án này là: Bài tốn tái cấu trúc lưới để giảm tổn thất cơng suất.
1.4.ăPH

NGăPHỄPăNGHIểNăC U.

đây chúng ta sử dụng các phương pháp sau:
1. Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu có liên quan đến vấn đề tái cấu trúc
lưới điện.

2. Cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài nghiên cứu.
3. Thành tựu lý thuyết đư đạt được có liên quan đến đề tài nghiên cứu.
4. Kết quả nghiên cứu của đồng nghiệp đư cơng bố trên các ấn phẩm và có liên
quan đến đề tài nghiên cứu.
5. Các số liệu thống kê liên quan đến đề tài nghiên cứu.

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 3

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 1: Giới thiệu luận văn

6. Dựa trên luật tăng trưởng của PGSA (Plant Growth Simulation Algorithm) để
tái cấu trúc lưới điện nhằm giảm tổn thất công suất.
1.5.ăĐI MăM IăC AăLU NăVĔN.
Đề xuất một giải thuật mới tái cấu trúc lưới giảm tổn thất công suất tác dụng
dựa theo luật tăng trưởng cây của giải thuật mô phỏng tăng trưởng cây (Plant
growth simulation algorithm – PGSA). Sử dụng giải thuật đề nghị vào bài tốn tìm
trạng thái khóa điện tối ưu của lưới điện nhằm làm giảm tổn thất công suất tác dụng.
u điểm của giải thuật là đơn giản, tìm được lời giải một cách nhanh chóng, thỏa
các điều kiện ràng buộc, kết quả có thể chấp nhận được, phù hợp với lưới điện
khơng phức tạp, ít vịng kín, có tính khả thi cao khi áp dụng cho lưới điện phân phối
của Việt Nam.
1.6.ăGIỄăTR ăTH CăTI N.
Khi đề xuất giải thuật dựa trên luật tăng trưởng cây của giải thuật mô phỏng
tăng trưởng cây để tái cấu trúc lại lưới điện phân phối ở Việt Nam nhằm giảm tổn
thất cơng suất thì:

1. Góp phần nâng cao chất lượng điện, khả năng truyền tải và khả nâng vận
hành lưới điện của Việt Nam ngày càng tốt hơn.
2. Giúp giảm chi phí về vận hành, sửa chữa, cũng như giúp giảm tổn hao về
năng lượng.
3. Góp phần vào các nghiên cứu liên quan đến các bài toán tái cấu trúc lưới
điện phân phối.
4. Làm tài liệu tham khảo cho công tác nghiên cứu và vận hành lưới điện phân
phối.

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 4

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 1: Giới thiệu luận văn

1.7. B

C C C A LU NăVĔN.

Luận văn được thực hiện bao gồm các chương sau:
Chương 1: Giới thiệu luận văn.
Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối
Chương 3: Phương pháp tiếp cận.
Chương 4: Ví dụ kiểm tra giải thuật.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài.
Phụ lục và tài liệu tham khảo.

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 5

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .

 CH

NGă2:

T NGăQUANăV ăCỄC
PH

NGăPHỄPăTỄIăC UăTRÚCă
L

HVTH: Nguyễn Minh Quân

IăĐI NăPHỂNăPH I

Trang 6

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .
2.1. ĐẶCăĐI M C AăL

IăĐI N PHÂN PH I

Lưới điện phân phối (LĐPP) là lưới điện chuyển tải điện năng trực tiếp từ các
trạm biến thế trung gian ( thường là các trạm: 110/22 kV, 110/35/22 kV, 35/22 kV)
đến khách hàng. Đường dây truyền tải thường được vận hành mạch vòng hay mạch
tia, còn các đường dây phân phối luôn được vận hành hở trong mọi trường hợp.
Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng loại relay quá
dòng. Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có
các mạch vòng liên kết với các đường dây kế cận được cấp điện từ một trạm biến áp
trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đường dây bị sự cố. Việc khôi phục
lưới được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các cặp khố điện nằm trên các
mạch vịng, do đó trên lưới phân phối có rất nhiều khố điện.
Một đường dây phân phối ln có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng 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
ln thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa. Vì vậy, trên các đường
dây, đồ thị phụ tải khơng bằng phẳng và ln có sự chênh lệch cơng 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, các điều độ viên sẽ thay đổi cấu
trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khố điện hiện có trên
lưới. Vì vậy, trong q trình thiết kế, các loại khoá điện (Recloser, LBS, DS…) sẽ
được lắp đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng/cắt các khố này vừa có
thể giảm chi phí vận hành và vừa giảm tổn thất năng lượng. Hay nói cách khác, hàm
mục tiêu trong quá trình vận hành lưới điện phân phối là cực tiểu chi phí vận hành
bao gồm cả chi phí chuyển tải và tổn thất năng lượng.
Bên cạnh đó, trong q 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 mưn các điều kiện:
-

Cấu trúc vận hành hở

-

Tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 7

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .

-

Các hệ thống bảo vệ relay phải thay đổi phù hợp

-

Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải
nhăh ởng đ năcácăch ătiêuăkinhăt -kỹăthu tăc aăh ăth ngăđi n.

2.1.1
-

Do là cầu nối trực tiếp giữa nguồn và khách hàng, do đó nó ảnh hưởng trực tiếp
đến chất lượng điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ.

-

Tổn thất điện năng chiếm tỉ lệ lớn trong tổng tổn thất của hệ thống bao gồm: tổn
thất lưới truyền tải, phân phối, hạ áp.

Hình 2.1: Tổn thất điện năng của EVN
-

Vốn đầu tư cho mạng phân phối cũng chiếm tỷ trọng lớn: nếu chia theo tỷ lệ
vốn đầu tư theo thống kê cho thấy nếu đầu tư cho mạng cao áp là 1, thì mạng
trung áp từ 1,5 đến 2 lần, hạ áp từ 2 đến 2,5 lần.

-

Xác suất ngừng cung cấp điện do sự cố, sửa chữa bảo dưỡng theo kế hoạch cải
tạo, lắp đặt trạm mới trên lưới điện trung áp cũng nhiều hơn so với lưới truyền
tải.

-

Là khu vực khó xác định phương án vận hành hơn so với lưới truyền tải, và là
nơi chịu tác động nhiều nhất từ các điều kiện mơi trường, thiết bị, nguồn dự
phịng,.v.v.

2.1.2.ăC uătrúcăl

iăđi n

Cấu trúc LĐPP đa dạng, phức tạp. Số lượng nút, nhánh rất nhiều do đó việc

tính tốn các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật gặp rất nhiều khó khăn, mặc dù trên thực tế đư
có khá nhiều phần mềm áp dụng để quản lý kể cả trong khâu kỹ thuật cũng như

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 8

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .
khâu kinh doanh. Lưới điện phát triển nhanh, trải rộng; các hộ phụ tải đa dạng, đan
xen.
Chế độ vận hành bình thường lưới điện phân phối là vận hành hở. Các sơ đồ
lưới điện thường gặp là: hình tia, hình tia có nguồn dự phịng (lưới điện kín vận
hành hở). Các sơ đồ trên có những ưu điểm như: vận hành đơn giản; trình tự phục
hồi lại kết cấu sau sự cố dễ dàng hơn; ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt
điện cục bộ.
Một số sơ đồ cung cấp điện thường được sử dụng trong thực tế ở Việt Nam là:

Hình 2.2a: Sơ đồ lưới điện hình tia

Hình 2.2b: Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 9

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình

Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .
2.2.ăTh cătr ng c aăl

iăphơnăph iăc aăVi tăNam.

LĐPP của Việt Nam tồn tại 3 cấp điện áp (35, 22, 15)kV, trong đó lưới 35kV
có khối lượng rất nhỏ mà chủ yếu là lưới (15, 22)kV.
Đối với miền Nam trong thời gian vừa qua lưới 22kV các tỉnh phát triển mạnh
mẽ, nếu khơng tính hai khu vực TP.Hồ Chí Minh và tỉnh Đồng Nai, lưới 22kV khu
vực Tổng công ty điện lực Miền Nam quản lý chiếm 87,9% (theo dung lượng
TBA), 81,9% (theo khối lượng đường dây). Mặt khác ở khu vực này lưới 15kV hầu
hết được thiết kế theo tiêu chuẩn 22kV, do vậy ở khu vực này việc chuyển đổi lưới
15->22kV cơ bản là rất thuận lợi. Trong một vài năm tới lưới 15kV cơ bản chuyển
thành lưới 22kV.

Hình 2.3: Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp LĐPP khu vực miền Nam
Trong những năm gần đây, Tổng Công ty điện lực Miền Nam đư đẩy mạnh phát
triển LĐPP, bình quân trong giai đoạn 5 năm từ 2007 đến 2011 phát triển trung bình
hơn 1.500 km đường dây phân phối và hơn 2.000 MVA dung lượng trạm biến áp.

Nĕm

2007

2008

2009

2010

2011

ĐZ phân phối (km)

44.620

45.852

47.255

53.190

54.694

Dung lượng trạm (MVA)

8.710

10.067

11.498

15.668

17.697

Bảng 2.1. Khối lượng LĐPP và tổng dung lượng trạm của EVN SPC

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 10

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .
2.3.ă CỄCă BÀIă TOỄNă TỄIă C Uă TRÚC L

I (TCTLĐ) ĐI Nă ă GịCă Đ ă

V NăHÀNH
Các bài toán vận hành LĐPP chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề sau:
giảm tổn thất công suất của lưới điện, cải thiện thời gian tái lập, cải thiện các hệ số
tin cậy của hệ thống, cải thiện khả năng tải của lưới điện, cải thiện tình trạng khơng
cân bằng tải, tối thiểu cơng suất tổn thất, giảm thiểu tổn thất của hệ thống lưới điện
không cân bằng, .v.v. Từ những mục tiêu cơ bản trên, chúng ta có thể tạm phân chia
bài tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối thành các bài toán nhỏ như sau:
-

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 tốn 2: Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát
để tổn thất năng lượng bé nhất.

-

Bài toán 3: Xác định cấu trúc lưới điện tại một thời điểm để tổn thất cơng suất
bé nhất.

-

Bài tốn 4: Tái cấu trúc lưới điện cân bằng tải (giữa các đường dây, máy biến
thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của lưới điện.

-

Bài tốn 5: Khơi 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 đa mục tiêu )

-

Bài toán 7: Xác định cấu trúc lưới tối ưu chi phí trong vận hành và nâng cao độ
tin cậy cung cấp điện (Bài toán xét trong luận văn).
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 mưn các điều kiện kỹ thuật
vận hành luôn là bài toán quan trọng và kinh điển trong vận hành hệ thống điện.

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 11

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .
Tên bài toán

1

2

3

4

5

6


Đ c đi m l

i đi n

Khoá điện được điều khiển từ xa







Chi phí chuyển tải thấp, khơng
mất điện khi chuyển tải








Chi phí chuyển tải cao, mất
điện khi chuyển tải





Lưới điện thường xuyên bị quá tải





Lưới điện ít bị quá tải















Lưới điện hầu như không quá tải



7








Bảng 2.2. Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc lưới
2.4. T NG QUAN V CÁC PH
T N TH T CHO L

NGăPHỄPăĐ TÁI C U TRÚC Đ GI M

IăĐI N PHÂN PH I.

2.4.1. Gi iăthu tăc aăMerlinăvƠăBackăậ kỹăthu tăvịngăkín
Giải thuật của Merlin và Back [1] khá đơn giản: “Đóng tất cả các khố điện lại
tạo thành một lưới kín, sau đó giải bài tốn phân bố công suất và tiến hành mở lần
lượt các khố có dịng chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện dạng hình tia”.
đây Merlin và Back cho rằng với mạch vịng, lưới điện phân phối ln có
mức tổn thất cơng suất bé nhất. Vì vậy để có lưới điện phân phối vận hành hình tia,
Merlin và Back lần lượt loại bỏ những nhánh có 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 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 khố điện.
Hình 2.3 mơ tả giải thuật của Merlin và Back, đư được Shirmohammadi và
Hong [2] 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.

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 12

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .

Đọc dữ liệu lưới điện và khoá điện

Đón g tất cảø khoá điện

Giải bài toán phân bố côn g suất và
thay thế tải bằn g các các nguồn dòn g

Giải bài toán phân bố côn g suất tối ưu

Mở khoá điện có dòn g bé nhất

Vi phạm
các điều kiện vận
hàn h
Khôn g
Khôn g

Có

Đón gkhoá điện vừa mở
Mở khoá điện có dòn g bé nhất tiếp theo

Lưới điện hình tia
Có
Xuất kết quả

Hình 2.4: Giải thuật của Merlin và Back được chỉnh sửa
Shirmohammadi [2] 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 vịng. Dịng cơng
suất bơm vào và rút ra là một đại lượng liên tục. Sau khi chỉnh sửa, kỹ thuật này vẫn
cịn bộc lộ nhiều nhược điểm, có thể liệt kê như sau:
-

Mặc dù đư áp dụng các luật heuristics, giải thuật này vẫn cần quá nhiều thời
gian để tìm ra được cấu trúc giảm tổn thất cơng suất.

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 13

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .

-

Tính chất khơng 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.

2.4.2. Gi iăthu tăc aăCivanlarăvƠăcácăc ngăs ăậ kỹăthu tăđổiănhánh.
Giải thuật của Civanlar [3] dựa trên heuristics để tái cấu trúc lưới điện phân
phối, lưu đồ mô tả giải thuật được trình bày tại hình 2.5. 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 mở : 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 q trình tái cấu trúc.
*
P(t)  Re2   I i E M  E N     R loop  I i
 

iD

 iD

Trong đó

D

(1*)

: Tập các nút tải được dự kiến chuyển tải

Ii

2

: 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 vịng kín khi đóng khố điện đang mở.
Biểu thức (1*) được rút ra từ phân tích mơ 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.

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 14

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .

Giảm số lần thao tác khoá điện
bằn g cách xem xét các luật heuristic

Tính toán tổn thất côn g suất cho
các thao tác đón g cắt được đề nghị

Các thao tác
đón g cắt làm giảm tổn
thất côn g suất

Khôn g

Có

Thực hiện thao tác đón g/cắt có
mức độ giảm tổn thất côn g suất nhất

Phân bố côn g suất cho lưới điện mới

Khôn g

Kiểm tra
quá tải và độ sụt áp
cho phép

Hệ thốn g được
xem là tối ưu

Có
Chọn thao tác đón g/cắt kế tiếp
Hình 2.5 : Lưu đồ giải thuật của Civanlar và các cộng sự [3].
Kỹ thuật đổi nhánh thể hiện ở quá trình thay thế 01 khóa mở bằng và 01
khố đóng trong cùng một vịng để giảm tổn thất cơng suất. Vịng được chọn để
đổi nhánh là vịng có cặp khố đóng/mở có mức giảm tổn thất cơng suất lớn nhất.
Q trình được lặp lại cho đến khi không thể giảm được tổn thất nữa.

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 15

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .

Giải thuật Civanlar có những ưu điểm sau :
-

Nhanh chóng xác định phương án tái cấu trúc có mức tổn thất nhỏ hơn bằng
cách giảm số liên kết đóng cắt nhờ qui tắc heuristics và sử dụng công thức thực
nghiệm để xác định mức độ giảm tổn thất tương đối.

-

Việc xác định dòng 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 khóa điện trong 01 vịng.

-

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

-

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

2.4.3. Gi iăthu tădiătruy nă(Genetic algorithm (GA).
Giải thuật di truyền - GA do D.E. Goldberg đề xuất năm 1968, sau này được
phát triển bởi L.Davis và Z.Michalevicz. Đây là thuật tốn hình thành từ việc nhận
xét thế giới tự nhiên: Q trình tiến hố tự nhiên là q trình tối ưu nhất, hoàn hảo
nhất.

Đây được xem như một tiên đề đúng, không chứng minh được, nhưng phù hợp
với thực tế khách quan. Tư tưởng chính của giải thuật di truyền là ban đầu phát sinh
ra 1 lúc nhiều lời giải khác nhau song song. Sau đó những lời giải được tạo ra, chọn
những lời giải tốt nhất để làm cơ sở phát sinh ra những lời giải sau với nguyên tắc
‘càng về sau’ càng tốt hơn. Q trình đó cứ tiếp diễn cho đến khi tìm được lời giải
tối ưu trong thời gian cho phép. Mục tiêu chính của giải thuật di truyền khơng nhằm
đưa ra lời giải chính xác mà đưa ra lời giải tương đối chính xác trong thời gian cho
phép. Giải thuật di truyền tuy dựa trên tính ngẫu nhiên nhưng ngẫu nhiên có sự điều
khiển.Tính tối ưu của q trình tiến hố thể hiện ở chỗ thế hệ sau bao giờ cũng tốt
hơn (phát triển hơn, hồn thiện hơn và phù hợp với mơi trường hơn) thế hệ trước.
Giải thuật này thích hợp cho việc tìm kiếm các bài tốn có khơng gian nghiệm
lớn như: bài tốn tìm kiếm mật mã khóa có 30 chữ số… Bên cạnh đó, bài tốn tái
cấu trúc mạng phân phối điện với số lượng khóa vơ cùng lớn nên khơng gian
nghiệm của bài toán này rất lớn, bài toán này địi hỏi phải tìm ra được cấu trúc tối

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 16

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .
ưu trong thời gian nhanh nhất. Như vậy thuật tốn di truyền đều mơ phỏng bốn q
trình tiến hố cơ bản: lai ghép, đột biến, sinh sản, chọn lọc tự nhiên. Từ ý tưởng và
đặc điểm của giải thuật di truyền, ta nhận xét giải thuật này rất thích hợp để giải bài
tốn tái cấu trúc.
Các bước quan trọng trong việc áp dụng giải thuật di truyền vào bài toán tái
cấu trúc:
- Bước 1: chọn ra 1 số cấu trúc ngẫu nhiên có thể tìm được trong mạng phân phối

điện.
- Bước 2: kí hiệu các khóa đóng (sectionalize switches) trong mạng phân phối là
0; các khóa thường mở (tie switches) là 1.
- Bước 3: tìm hệ số thích nghi và hàm mục tiêu cho từng cấu trúc đư được tạo ra
ban đầu.
- Bước 4: chọn ra được cấu trúc tốt nhất dựa vào hàm mục tiêu (trình bày ở II),
tiếp theo đem cấu trúc này thay đổi 1 số vị trí hay cịn gọi là đột biến để tạo ra cấu
trúc mới.
Các công thức để tính tốn đột biến Bnp'(gen) = Bnp(gen) + S *k *delta
Trong đó:
 Bnp: chuỗi nhị phân tạo ra ngẫu nhiên.
 Bnp’: chuỗi nhị phân tạo ra do đột biến.
 S (-1, 1) với cùng xác suất GGAP đột biến.
 K: giá trị ngẫu nhiên (1, PRECI).


Với aj : là từng vị trí khóa đóng mở đư được mã hóa thành chuỗi nhị phân (0 or 1)
- Bước 5: tính các hệ số thích nghi và hàm mục tiêu cho các cấu trúc vừa mới tạo ra,
và loại bỏ các cấu trúc có hàm mục tiêu nhỏ hơn.
- Bước 6: nếu chưa hết thời gian cho phép thì lập lại bước 4 để tìm cấu trúc mới.

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 17

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình


Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối .
- Bước 7: nếu thời gian cho phép chấm dứt thì dừng chương trình tìm kiếm và báo

cáo kết quả tính được.
u điểm của phương pháp gen:
- Lời giải không phụ thuộc vào trạng thái khóa điện ban đầu của mạng.
- Do xét khơng gian tìm kiếm rộng và bao quát, nhờ quá trình chọn lọc, lai hóa và
đột biến nên kết quả đạt được thường là tối ưu toàn cục.
- Đây là một phương pháp giải đầy tiềm năng. Trong tương lai nếu cải tiến được
thuật tốn mạnh hơn và tốc độ tính tốn của máy tính nhanh hơn thì hồn tồn có
thể áp dụng vào thực tế vận hành.
Khuyết điểm:
Cũng do không gian tìm kiếm lời giải lớn nên hiện tại phương pháp này có
tốc độ giải cịn khá chậm
2.4.4. Gi i thu t đƠnăki n (Ant colony algorithm - ACS).
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 1 con
kiến sẽ chọn ngẫu nhiên một con đường đi đến nơi có thức ăn. Quan sát lồi kiến,
người ta nhận thấy chúng tìm kiếm nhau dựa vào dấu chân mà chúng để lại trên
đường đi (hay còn gọi là dấu chân kiến để lại). Sau 1 thời gian lượng dấu chân
(pheromone) của mỗi chặng đường sẽ khác nhau. Do sự tích lũy dấu chân của mỗi
chặng 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 cịn lại
do khơng thu hút được lượng kiến di chuyển sẽ có xu hướng bay hơi dấu chân sau 1
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 (xem hình 4). Từ khi Giải thuật kiến trở thành 1 lý thuyết
vững chắc trong việc giải các bài tốn tìm kiếm tối ưu tồn cục đư có nhiều ứng

HVTH: Nguyễn Minh Quân

Trang 18

GVHD: PGS.TS.Phan Thị Thanh Bình