tái cấu trúc lưới phân phối có xét đến độ tin cậy cung cấp điện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.27 MB, 99 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯƠNG NGỌC THẢO
TÁI CẤU TRÚC LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN
ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN -60520202
S K C0 0 4 4 1 3
Tp. Hồ Chí Minh, năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯƠNG NGỌC THẢO
TÁI CẤU TRÚC LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN
ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Tp. Hồ Chí Minh, năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯƠNG NGỌC THẢO
TÁI CẤU TRÚC LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN
ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học: TS. TRƯƠNG VIỆT ANH
Tp. Hồ Chí Minh, năm 2014
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC
Họ và Tên: TRƢƠNG NGỌC THẢO
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 02/10/ 1987
Nơi sinh: Bình Định
Quê quán: Bình Định
Dân tộc: Kinh
Địa chỉ liên lạc: Đội 2, An Giang Đông, Mỹ Đức, Phù Mỹ, Bình Định.
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng:
Fax:
Email:
eksngoc-
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
1. Cao Đẳng chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Chính Quy
Thời gian: 8/2005 đến 8/2008
Nơi học: Trƣờng cao đẳng kinh tế kỹ thuật công nghiệp II
Ngành học: Điện Công Nghiệp.
2. Đại Học
Hệ đào tạo: Chính Quy
Thời gian: 10/2010 đến 03/2012
Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Điện Công Nghiệp.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
3/ 2012 – 08/2012
8/2013 – 8/ 2014
Nơi công tác
Công ty trách nhiệm thƣơng mại –
xây dựng Vân Khánh
Trƣờng Cao Đẳng Công Thƣơng
Thành Phố Hồ Chí Minh
Trang i
Công việc đảm nhiệm
Kỹ sƣ Điện
Giảng Viên
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 10 năm 2014
(Ký & ghi rõ họ tên)
Trƣơng Ngọc Thảo
Trang ii
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy TS. Trƣơng Việt Anh,
ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn
này.
Xin cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa Điện – Điện Tử của Trƣờng Đại Học
Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, những ngƣời thầy đầy nhiệt huyết, thiện cảm đã
truyền đạt những kiến thức chuyên môn, những kinh nghiệm quý báu giúp tôi tự tin
từng bƣớc đi vào thực hiện nghiên cứu khoa học.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và ngƣời thân đã luôn ở bên tôi,
động viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng10 năm 2014
Trang iii
TÓM TẮT
Luận văn này trình bày một giải thuật tối ƣu trọng trƣờng áp dụng để giải
một bài toán tái cấu trúc lƣới điện phân phối nhằm giảm chi phí vận hành và chi phí
thiệt hại do việc ngừng cung cấp điện, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho hệ
thống. Nội dung chính là xây dựng mô hình hóa để tìm ra cấu trúc có chi phí vận
hành và chi phí ngừng cung cấp điện là bé nhất. Thông qua các kết quả khảo sát trên
lƣới điện phân phối từ đơn giản đến phức tạp đều cho thấy sau khi tái cấu trúc lƣới
thì chi phí vận hành và chi phí ngừng cung cấp điện là nhỏ nhất và đảm bảo đƣợc sự
cung cấp điện cho khách hàng. Điều này cho thấy tính đúng đắn, hiệu quả của mục
tiêu và giải thuật đề ra.
Trang iv
ABSTRACT
This thesis presents an gravitational optimization algorithm applied for solving distribution network reconfiguration problems in order to minimize the cost operational and the cost of damage caused by outages to, also enhance power supply
reliability. The major content of this paper is carry out the modelling to find the
most reliable construction and the least … . As the analysis results from simple to
complex electric distributed network construction, the reconfigured power grid improved the power supply reliability to customers. This shows the effectiveness and
correctness of the proposed objectives and algorithm.
Trang v
MỤC LỤC
Trang
Lý lịch khoa học .......................................................................................................... i
Lời cam đoan .............................................................................................................. ii
Lời cảm ơn................................................................................................................. iii
Tóm tắt........................................................................................................................ iv
Abstract ....................................................................................................................... v
Mục lục ....................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt ........................................................................................vii
Danh dách các bảng................................................................................................ viii
Danh sách các hình .................................................................................................... ix
Chƣơng 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN.........................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 1
1.1.1. Về phía công ty Điện Lực. ......................................................................... 1
1.1.2. Về phía khách hàng sử dụng điện. ............................................................. 2
1.1.3. Về mặt kinh tế điện. ................................................................................... 2
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn. ................................................................... 3
1.3. Phạm vi nghiên cứu của Luận văn. .................................................................... 3
1.4. Hƣớng giải quyết bài toán. ................................................................................. 3
1.5. Điểm mới của Luận Văn .................................................................................... 4
1.6. Giá trị thực tiển của luận văn ............................................................................. 4
1.7. Bố cục của Luận văn. ......................................................................................... 4
Chƣơng 2 TỔNG QUAN VỀ LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ..........................................5
2.1. Hệ thống điện. .................................................................................................... 5
2.2. Đặc điểm của lƣới điện phân phối. ..................................................................... 6
2.3. Các lý do phải vận hành hở lƣới điện phân phối. ............................................... 8
1.8. Các bài toán tái cấu trúc lƣới điện phân phối ở góc độ vận hành. ..................... 9
2.4. Các nghiên cứu khoa học về bài toán tối ƣu cấu trúc lƣới điện phân phối. ..... 11
Trang vi
2.4.1. Giới thiệu. ................................................................................................ 11
2.4.2. Giải thuật của Merlin và Back – kỹ thuật vòng kín. ................................ 13
2.4.3. Giải thuật của Civanlar và các cộng sự – kỹ thuật đổi nhánh ................. 15
2.4.4. Thuật toán di truyền – Genetic Algorithm (GA) ..................................... 16
2.4.5. Giải thuật đàn kiến ( Ant colony search – ACS) ..................................... 19
2.4.6. Mạng thần kinh nhân tạo (Aritificial Neutral Network – ANN) ............. 21
2.4.7. Thuật toán bầy đàn (Practicle Swarm Optimization – PSO) ................... 21
2.4.8. Thuật toán tìm kiếm Tabu (Tabu Search – TS) ....................................... 22
2.4.9. Thuật toán mô phỏng luyện kim (Simulated Annealing – SA) ............... 24
2.5. Đánh giá độ tin cậy cung cấp điện của lƣới điện phân phối. ........................... 25
2.5.1. Các nghiên cứu khoa học ......................................................................... 27
2.5.1.1.Phƣơng pháp cây sự cố - Graph Tree
27
2.5.1.2.Mô hình hóa dựa trên tỷ lệ sự cố và thời gian sửa chữa
29
2.5.1.3.Mô hình hóa cải tiến của Karin Alvehag và Lennart Söder
31
2.5.2. Các chỉ tiêu tính toán độ tin cậy trong mạng phân phối hình .................. 33
Chƣơng 3 THUẬT TOÁN ĐỀ NGHỊ .......................................................................36
3.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 37
3.2. Xây dựng hàm mục tiêu. .................................................................................. 37
3.2.1. Bài toán tái cấu trúc lƣới cực tiểu chi phí vận hành. ............................... 37
3.2.2. Bài toán tái cấu trúc lƣới điện giảm chi phí ngừng điện. ........................ 40
3.2.2.1.Xét lƣới điện đơn giản có một nguồn
40
3.2.2.2.Xét mạng điện kín vận hành hở
40
3.2.2.3.Tính toán chi phí ngừng cung cấp điện.
41
3.2.3. Hàm mục tiêu của bài toán cực tiểu chi phí vận hành và chi phí ngừng
cung cấp điện. .......................................................................................... 42
3.2.3.1.Xây dựng thuật toán tính chi phí vận hành trong một ngày
43
3.2.3.2.Xây dựng thuật toán tính cực tiểu chi phí ngừng cung cấp điện.
43
3.3. Giải thuật tối ƣu trong trƣờng gravitational search algorithm - GSA .............. 45
3.3.1. Khái niệm về thuật toán trọng trƣờng GSA............................................. 45
Trang vi
3.3.2. Lƣu đồ thuật toán GSA ............................................................................ 48
3.4. Tái cấu trúc lƣới điện phân phối cực tiểu chi phí vận hành và chi phí ngừng
điện sử dụng thuật toán GSA. .......................................................................... 52
3.5. Ví dụ kiểm tra giải thuật. .................................................................................. 53
3.5.1. Mạng điện hai nguồn. .............................................................................. 54
3.5.2. Mạng điện 3 nguồn. ................................................................................. 58
3.5.3. Mạng điện một nguồn 33 nút ................................................................... 63
Chƣơng 4 KIỂM TRA TRÊN LƢỚI ĐIỆN THỰC TẾ ............................................67
4.1. Mục đích ........................................................................................................... 67
4.2. Thông tin về lƣới điện Sông Hinh – Điệc Lực Phú Yên. ................................. 68
4.3. Quá trình hình thành và phát triển của Điện lực Sông Hinh – Công ty Điện lực
Phú Yên. ........................................................................................................... 68
4.4. Lƣới điện hiện tại. ............................................................................................ 69
4.5. Đặc điểm cƣờng độ sự cố của lƣới điện. .......................................................... 71
4.5.1. Thời gian mất điện và đồ thị phụ tải của một mùa khô. .......................... 72
4.5.2. Thời gian mất điện và đồ thị phụ tải của một mùa mƣa. ......................... 73
4.6. Phƣơng án vận hành lƣới điện trong hai mùa trong năm. ................................ 75
4.6.1. Điều khiển lƣới điện vào mùa khô. ......................................................... 75
4.6.2. Điều khiển lƣới điện vào mùa mƣa. ........................................................ 75
4.7. Các biện pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện ............................................ 77
4.7.1. Các biện pháp làm giảm sự cố: ................................................................ 77
4.7.2. Các biện pháp làm giảm thời gian mất điện: ........................................... 78
Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỂ XUẤT .....................................................................78
5.1. Kết luận ............................................................................................................ 78
5.2. Những hạn chế và đề xuất phát triển của đề tài................................................ 79
5.2.1. Những hạn chế ......................................................................................... 79
5.2.2. Đề xuất hƣớng phát triển của đề tài ......................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................80
Trang vi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
FCO
: Fuse cut out
LBFCO
: Load break fuse cut out
LBS
: Load break switch
LTD
: Line Tension Disconnecting Switch
IEEE
: Institute of Electrical and Electronic Enginneers.
EEI
: Edison Electric Institute
EPRI
: Electric power reasearch Institute
CEA
: Canadian Electric Association
GA
: Genetic Algorithm
ACS
: Ant colony search
ANN
: Aritificial Neutral Network
PSO
: Practicle Swarm Optimization
TS
: Tabu Search
SA
: Simulated Annealing
SAIFI
: System Average Interuption Frequency Index
SAIDI
: System Average Interuption Duration Index
CAIFI
: Customer Average Interuption Frequency Index
CAIDI
: Customer Average Interuption Duration Index
CTAIDI
:Customer Total Average Interruption Duration Index
ASAI
: Customer Service Availability Index
ENS
: Energy Not Supplieed
AENS
: Average Energy Not Supplieed
ACCI
: Averaga Customer Cutarilment Index
ASIFI
: Average System Interruption Frequency Index
ASIDI
:Average System Interruption Duration Index
MAIFI
: Momentary Average Interruption Frequency Index
CEMIn
: Customers Experiencing Multiple Interruptions
Trang vii
DANH DÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc lƣới ................................10
Bảng 3.1: Hệ số phụ tải tại các nút phụ tải trong một ngày. .....................................55
Bảng 3.2: Thời gian ngừng điện trên các tuyến dây trong trƣờng hợp 3 ..................57
Bảng 3.3: So sánh kết quả trƣớc và sau khi tái cấu trúc lƣới điện ............................58
Bảng 3.4: Hệ số phụ tải tại các nút phụ tải trong một ngày. .....................................59
Bảng 3.5: Thời gian ngừng điện trên các tuyến dây trong trƣờng hợp 3 ..................61
Bảng 3.6: So sánh kết quả trƣớc và sau khi tái cấu trúc lƣới điện ............................62
Bảng 3.7: So sánh kết quả trƣớc và sau khi tái cấu trúc lƣới điện ............................66
Bảng 4.1: Thông số lƣới điện Sông Hinh – Điện Lực Phú Yên. ..............................70
Bảng 4.2: Thời gian ngừng cung cấp điện trên các tuyến dây vào mùa khô. ...........72
Bảng 4.3: Hệ số phụ tải của một ngày mùa khô. ......................................................73
Bảng 4.4: Cƣờng độ sự cố trên các tuyến dây. .........................................................73
Bảng 4.5: Hệ số phụ tải công suất của một ngày mùa mƣa. .....................................74
Bảng 4.6: So sánh các trƣờng hợp vận hành khác nhau: ..........................................76
Trang viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1: Vị trí và vai trò của lƣới điện phân phối .....................................................6
Hình 2.2: Sơ đồ lƣới điện mạch vòng có mạng 3 nguồn vận hành hở. .......................8
Hình 2.3: Giải thuật của MerLin và Back đã đƣợc Shirmohammadi chỉnh sửa. ......14
Hình 2.4: Lƣu đồ giải thuật của Civanlar và các cộng sự .........................................16
Hình 2.5: Sơ đồ chung của phƣơng pháp bầy đàn PSO ............................................22
Hình 2.6: Cấu trúc điển hình của việc phân tích độ tin cậy của lƣới điện. ...............26
Hình 2.7: Mô hình phân chia lƣới phân phối L .........................................................27
Hình 2.8: Mô hình hai trạng thái của thiết bị. ...........................................................29
Hình 2.9: Mô hình theo gió và sét. ............................................................................31
Hình 2.10: Mô hình quản lý khách hàng theo phần tử cấp điện. ..............................36
Hình 3.1: Sơ đồ đơn tuyến một phát tuyến. ..............................................................38
Hình 3.2: Đồ thị phụ tải lƣới điện của một ngày trong mùa. ....................................39
Hình 3.3: Sơ đồ mạng một nguồn hai phụ tải ...........................................................40
Hình 3.4: Sơ đồ mạng điện hai nguồn.......................................................................41
Hình 3.5: Lƣu đồ tính chi phí vận hành trong một mùa...........................................43
Hình 3.6: Lƣu đồ thuật toán tính chi phí ngừng điện cho mỗi cấu trúc lƣới ............45
Hình 3.7: Các vật thể tƣơng tác với nhau..................................................................46
Hình 3.8: Lƣu đồ thuật toán GSA .............................................................................48
Hình 3.9: Độ hội tụ của bài toán cực tiểu hàm số bậc 4 sử dụng GSA.....................51
Hình 3.10: Tái cấu trúc lƣới điện giảm chi phí vận hành và chi phí ngừng điện. ....52
Hình 3.11: Sơ đồ lƣới điện 2 nguồn có 14 phụ tải ....................................................54
Hình 3.12: Cấu hình lƣới sau khi tái cấu trúc lƣới điện theo trƣờng hợp 1 và 2 ......56
Hình 3.13: Độ hội tụ của hàm mục tiêu trong trƣờng hợp 2 .....................................56
Hình 3.14: Cấu hình lƣới điện sau khi tái cấu trúc theo trƣờng hợp 3......................58
Hình 3.15: Mạng điện 3 nguồn có 16 nút. ................................................................59
Hình 3.16: Cấu hình lƣới điện sau khi tái cấu trúc theo trƣờng hợp 1......................60
Trang ix
Hình 3.17: Độ hội tụ của hàm mục tiêu trong trƣờng hợp 2 .....................................60
Hình 3.18: Cấu hình lƣới điện sau khi tái cấu trúc theo trƣờng hợp 2......................61
Hình 3.19: Độ hội tụ của hàm mục tiêu trong trƣờng hợp 3 .....................................62
Hình 3.20: Cấu hình lƣới điện sau khi tái cấu trúc theo trƣờng hợp 3......................62
Hình 3.21: Mạng điện 1 nguồn 33 nút ......................................................................63
Hình 3.22: Độ hội tụ của hàm chi phí vận hành theo ∆A là bé nhất.........................64
Hình 3.23: Cấu hình lƣới điện sau khi tái cấu trúc theo trƣờng hợp 1......................64
Hình 3.24: Độ hội tụ của hàm mục tiêu bài toán trong trƣờng hợp 2 .......................65
Hình 3.25: Độ hội tụ của hàm mục tiêu bài toán trong trƣờng hợp 3. ......................66
Hình 3.26: Cấu hình lƣới điện sau khi tái cấu trúc theo trƣờng hợp 3......................66
Hình 4.1 Sơ đồ khối của lƣới điện Sông Hinh Phú Yên ...........................................69
Hình 4.2 Mô hình hóa lƣới điện Sông Hinh – Điện lực Phú Yên .............................70
Hình 4.3: Sơ đồ lƣới điện trong trƣờng hợp khóa DS 100-7 mở ..............................76
Hình 4.4: Sơ đồ lƣới điện trong trƣờng hợp khóa LBS 103 mở ...............................76
Trang ix
Chƣơng 1
GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1.
Đặt vấn đề
Điện năng là một dạng hàng hóa đặt biệt và giữ vai trò quan trọng trong việc
đảm bảo sự ổn định và phát triển của Kinh tế xã hội, an ninh chính trị của mỗi quốc
gia. Nếu xét về mặt kinh tế, điện năng đƣợc cung cấp từ các công ty điện lực đến
khách hàng sử dụng điện phải có giá thành rẻ nhất, chất lƣợng điện phải đảm bảo tốt
nhất. Điều này có ý nghĩa quan trọng và quyết định đến sự tồn tại và phát triển của
các công ty điện lực Việt Nam khi tiến hành thị trƣờng hóa ngành điện. Để thực
hiện đƣợc mục tiêu này thì các nhà khoa học đã không ngừng tìm kiếm và nghiên
cứu để đƣa ra các giải pháp mới nhƣ tìm kiếm nguồn năng lƣợng mới nhƣ nguồn
năng lƣợng mới, thiết kế và xây dựng để vận hành lƣới điện thông minh,….
Với đặt thù của lƣới điện phân phối của Việt Nam, bài toán tái cấu trúc lƣới
điện đƣợc đề xuất cho công tác vận hành nhằm đi tìm một cấu trúc tối ƣu cho lƣới
điện ứng với từng mục tiêu riêng lẻ hay cùng nhiều mục tiêu khác nhau. Trong mục
đích đi tìm cấu trúc tối ƣu của lƣới điện phân phối nhằm giảm chi phí vận hành và
chi phí ngừng cung cấp điện và đƣợc trình bày trong luận văn này.
Luận văn này tiếp cận việc xây dựng thuật toán tính chi phí ngừng cung cấp
điện cho mỗi cấu trúc lƣới điện, từ đó áp dụng vào bài toán tái cấu trúc lƣới điện
phân phối để cực tiểu chi phí vận hành và chi phí ngừng cung cấp điện là bé nhất sử
dụng giải thuật tối ƣu trọng trƣờng Gravitational Search Algorithm – GSA. Kết quả
đƣợc khảo sát trên nhiều lƣới điện từ đơn giản đến phức tạp đƣợc vận hành trong
các trƣờng hợp khác nhau.
Việc giảm chi phí vận hành và chi phí ngừng cung cấp điện trong lƣới điện
phân phối sẽ mang lại nhiều lợi ích sau:
1.1.1. Về phía công ty Điện Lực.
- Giảm giá thành điện năng do giảm đƣợc chi phí bồi thƣờng thiệt hại cho
khác hàng khi ngừng cung cấp điện.
Trang 1
-
Tăng lợi nhuận cho công ty do tăng lƣợng điện cung cấp cho khách hàng.
-
Tạo ra khả năng cạnh tranh cao cho các công ty điện lực trong thị trƣờng
điện đang ngày đƣợc thƣơng mại hóa.
-
Ngoài ra, tái cấu trúc lƣới điện phân phối có xét đến độ tin cậy cung cấp điện
sẽ giảm đƣợc tổn hao công suất trên đƣờng dây và giảm đƣợc chi phí vận hành.
1.1.2. Về phía khách hàng sử dụng điện.
- Giảm đƣợc chi phí sản xuất, thiệt hai do việc ngừng cung cấp điện.
-
Đảm bảo đƣợc kế hoạch sản xuất, sinh hoạt và giải trí trong đời sống con
ngƣời. Đặt biệt là có thể tránh đƣợc những ảnh hƣởng của việc ngừng cung cấp điện
đến con ngƣời nhƣ sức khỏe và đời sống con ngƣời.
1.1.3. Về mặt kinh tế điện.
- Tạo ra một trị trƣờng điện cạnh tranh lành mạnh.
-
Thúc đẩy sự phát triển nền kinh tế.
Tuy nhiên việc cực tiểuchi phí ngừng cung cấp điện hay đánh giá độ tin cậy
và cấu trúc lại lƣới điện phân phối là một việc làm khó khăn, phức tạp và có độ
chính xác không cao vì những lý do sau:
-
Độ tin cậy của từng phần tử trong lƣới điện là một hàm rời rạc và phân bố
theo thời gian.
-
Độ tin cậy của các phần tử trong lƣới điện phụ thuộc vào các điều kiện tự
nhiên, vị trí địa lý, khí hậu của khu vực mà lƣới điện phân phối đi qua.
-
Các số liệu phục vụ cho việc đánh giá độ tin cậy cung cấp điện của lƣới điện
phân phối là rất nhiều và đƣợc thu nhập lại bằng phƣơng pháp thống kê.
Đối với lƣới điện Việt Nam hiện nay thì việc đánh giá độ tin cậy của lƣới
điện gặp nhiều khó khăn sau:
-
Thiết bị điện còn cũ kỷ, lạc hậu và không đồng bộ.
-
Việc thu thập các số liệu trong quá trình vận hành chƣa đƣợc chú trọng và
lƣu dữ cẩn thận.
-
Các hệ thống điều khiển theo thời gian thực nhƣ SCADA còn chƣa phát triển
và các thiết bị đóng cắt có tải chƣa đƣợc trang bị nhiều nên việc có một cấu trúc
lƣới điện vận hành ổn định và đáng tin cậy là một điều vô cùng cần thiết.
Trang 2
1.2.
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn.
Mục tiêu của Luận Văn là tìm ra một giải thuật phù hợp, cho kết quả đáng tin
cậy trong việc tái cấu trúc điện phân phối có xét đến độ tin cậy cung cấp điện. Luận
văn này giúp chúng ta giải quyết các vấn đề sau:
-
Tìm hiểu các bài toán tái cấu trúc lƣới phân phối và các giải thuật đã đƣợc áp
dụng.
-
Nghiên cứu về độ tin cậy cung cấp điện, các phƣơng pháp đánh giá và những
yếu tố ảnh hƣởng đến độ tin cậy cung cấp điện của lƣới điện phân phối.
-
Xây dựng hàm mục tiêu và áp dụng giải thuậtGravitational Search Algorithm
– GSAđể tìm ra cấu trúc tối ƣu cho hệ thống lƣới điện phân phối nhằmgiảm chi phí
vận hành và chi phí ngừng cung cấp điện cho mỗi hệ thống.
-
Kiểm chứng trên một số lƣới điện mẫu nhằm đánh giá tính đúng đắn của ý
tƣởng đề xuất đồng thời so sánh với kết quả thực tế vận hành nếu đó là một lƣới
điện thực tế.
1.3.
Phạm vi nghiên cứu của Luận văn.
Phạm vi nghiên cứu của Luận văn tập trung giải quyết bài toán tái cấu trúc
lƣới điện phân phối với mục đích cực tiểu chi phí vận hành và chi phí ngừng cung
cấp điện cho hệ thống.
Với cơ sở lý thuyết là xây dựng thuật toán tính chi phí vận hành và chi phí
ngừng cung cấp điện cho mỗi cấu trúc lƣới và áp dụng thuật toán Gravitational
Search Algorithm vào trong hệ thống lƣới điện hai nguồn, ba nguồn và một nguồn.
1.4.
-
Hƣớng giải quyết bài toán.
Phân tích tổng hợp tài liệu liên quan đến bài toán tái cấu trúc lƣới điện.
-
Cơ sở liên quan đến đề tài nghiên cứu.
-
Sử dụng các phƣơng pháp tính toán học để xây dựng hàm mục tiêu giảm chi
phí vận hành và chi phí ngừng cung cấp điện cho hệ thống.
-
Sử dụng giải thuật Gravitational Search Algorithm – GSA để tìm cấu trúc tối
ƣu cực tiểu chi phí vận hành và chi phí ngừng cung cấp điện cho lƣới điện phân
phối.
-
Sử dụng phần mềm Matlab để tính toán, kiểm tra lƣới điện.
Trang 3
1.5.
-
Điểm mới của Luận Văn
Xây dựng đƣợc hàm mục tiêu cho bài toán tái cấu trúc lƣới phân phối có xét
đến độ tin cậy cung cấp điện. Tính đƣợc chi phí vận hành và chi phí ngừng cung cấp
điện theo đồ thị phụ tải trong ngày theo mùa trong năm.
-
Đề xuất và ứng dụng giải thuật Gravitational Search Algorithm – GSA để
tìm ra cấu trúc lƣới điện phân phối tối ƣu theo hàm mục tiêu đã xây dựng.
-
Đƣa ra phƣơng án vận hành tối ƣu có thể có cho những trƣờng hợp khác
nhau của lƣới điện.
1.6.
-
Giá trị thực tiển của luận văn
Xây dựng giải thuật tái cấu trúc lƣới điện phân phối giảm chi phí vận hành
và chi phí ngừng cung cấp điện đƣợc chứng minh bằng lý thuyết lẫn kết quả mô
hình tính toán cho thấy một lƣới điện có cấu trúc lƣới điện đúng sẽ đƣa ra cấu hình
lƣới điện là tối ƣu nhất có cực tiểu chi phí vận hành và chi phí ngừng cung cấp điện.
-
Luận văn góp phần vào các nghiên cứu liên quan đến các bài toán tái cấu trúc
lƣới điện phân phối.
-
Làm tài liệu tham khảo cho công tác nghiên cứu và vận hành lƣới điện phân
phối.
1.7.
Bố cục của Luận văn.
Luận văn đƣợc thực hiện bao gồm các chƣơng sau:
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN.
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
CHƢƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐỀ NGHỊ
CHƢƠNG 4: KIỂM TRA TRÊN LƢỚI ĐIỆN THỰC TẾ
CHƢƠNG5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
Trang 4
Chƣơng 2
TỔNG QUAN VỀ LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
2.1.
Hệ thống điện.
Hệ thống điện phân phốilà hệ thống điện bao gồm lƣới điện phân phối và các
nhà máy điện đấu nối vào lƣới điện phân phối làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và
phân bố điện năng.
Hệ thống điện không ngừng phát triển theo thời gian và không gian để đáp
ứng nhu cầu ngày càng gia tăng của phụ tải. Tùy theo lĩnh vực nghiên cứu mà Hệ
thống điện đƣợc chia hai hƣớng độc lập nhau:
a. Về mặt quản lý và vận hành, hệ thống điện đƣợc phân bố thành
-
Các nhà máy điện: gồm các nhà máy thủy điện, nhiệt điện than, nhiệt điện
dầu, tua bin khí, nhà máy điện nguyên tử,… Các nhà máy điện này do các nhà máy
điện vận hành và quản lý.
-
Lƣới điện truyền tảilà phần lƣới điện bao gồm các đƣờng dây và trạm biến áp
có cấp điện áp từ 220kV trở lên, các đƣờng dây và trạm biến áp có điện áp 110kV
có chức năng truyền tải để tiếp nhận công suất từ các nhà máy điện vào hệ thống
điện quốc gia. Lƣới điện truyền tải do các đơn vị truyền tải điện quản lý và vận
hành.
-
Lƣới điện phân phốilà phần lƣới điện bao gồm các đƣờng dây và trạm biến
áp có cấp điện áp từ 35kV trở xuống, các đƣờng dây và trạm biến áp có điện áp
110kV có chức năng phân phối điện. Lƣới điện phân phối do các đơn vị phân phối
quản lý.
b. Về mặt nghiên cứu, tính toán thì hệ thống điện đƣợc phân thành
-
Lƣới hệ thống (500kV)
-
Lƣới truyền tải (110, 220, 330 kV).
-
Lƣới khu vực (110, 220kV).
-
Lƣới phân phối trung áp (6, 10, 15, 22, 35 kV).
-
Lƣới phân phối hạ áp (0.4 kV và 0.22 kV).
Trang 5
Sơ đồ hệ thống một lƣới điện đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Hình 2.1: Vị trí và vai trò của lƣới điện phân phối
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điện mô tả vị trí và nhiệm vụ của lƣới điện phân
phối trong hệ thống điện từ khâu phát điện, trạm biến áp tăng áp, truyền tải, trạm
biến áp trung gian, lƣới điện phân phối và cuối cùng là lƣới cung cấp điện.
2.2.
Đặc điểm của lƣới điện phân phối.
Hệ thống điện phân phối là lƣới cung cấp điện trực tiếp cho khách hàng từ hệ
thống điện truyền tải thông qua các trạm biến áp trung gian. Cũng giống nhƣ đƣờng
Trang 6
dây truyền tải, đƣờng dây phân phối cũng có cấu trúc mạch vòng hoặc mạch hình
tia nhƣng luôn vận hành ở trạng thái hở trong mọi trƣờng hợp. Nhờ cấu trúc vận
hành hở hoặc lƣới điện hình tia nên hệ thống relay bảo vệ chỉ cần bảo vệ relay quá
dòng, sơ đồ lƣới đơn giản và đặt biệt khi sự cố xãy ra thì trên một nhánh thì ít có
khả năng ảnh hƣởng đến các nhánh khác trên hệ thống nên nâng cao đƣợc độ tin cậy
cung cấp điện. Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau khi bị sự cố, hầu hết các
tuyến dây đều có mạch vòng liên kết với các đƣờng dây kế cận đƣợc cung cấp từ
một máy biến áp trung gian khác hay chính trạm biến áp có đƣờng dây bị sự cố.
Việc khôi phục lƣới điện thông qua việc thao tác đóng/cắt các cặp khóa điện nằm
trên các mạch vòng, do đó trên lƣới điện có rất nhiều khóa điện.
Đƣờng dây phân phối phân bố trên diện rộng và cung cấp cho nhiều loại phụ
tải khác nhau, có công suất tiêu thụ cũng khác nhau (Công nghiệp nặng, công
nghiệp nhẹ, chiếu sáng, sinh hoạt,…) nên chịu tác động trực tiếp của môi trƣờng
nhƣ (sét, mƣa, bảo, oxi hóa kim loại,…) hay chịu sự tác động của con ngƣời. Các
phụ tải có đồ thị phụ tải khác nhau, không cân bằng và luôn có sự thay đổi theo thời
gian trong ngày. Điều này làm giảm độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống, gây ra
quá tải cho đƣờng dây và tăng tổn thất công suất trên hệ thống.
Để khắc phục sự cố quá tải trên đƣờng dây, giảm tổn thất công suất và nâng
cao độ tin cậy cung cấp điện thì các điều động viên sẽ thay đổi cấu trúc lƣới điện
vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khóa điện trên lƣới. Vì vậy, trong quá
trình thiết kế, các khóa điện nhƣ Recloser, LBS, DS sẽ đƣợc lắp đặt ở các vị trí
thuận lợi cho việc giám sát và điều khiển. Và có thể áp dụng hệ thống SCADA vào
việc giám sát và điểu khiển các khóa đóng/cắt các khóa điện để giảm tổn thất công
suất và chi phí vận hành cho lƣới điện. Hay nói cách khác là hàm mục tiêu trong
quá trình vận hành lƣới điện phân phối là giảm chi phí vận hành và chi phí ngừng
cung cấp điện là bé nhất.
Trong quá trình vận hành, các phụ tải thay đổi liên tục vì vậy xuất hiện nhiều
mục tiêu vận hành lƣới điện phân phối để phù hợp với từng trƣờng hợp cụ thể cho
Trang 7
hệ thống điện. Tuy nhiên, các điều kiện vận hành lƣới phân phối luôn phải thỏa mãn
các điều kiện sau:
-
Cấu trúc vận hành hình tia trong mọi trƣờng hợp.
-
Tất cả các phụ tải đều đƣợc cung cấp điện, các chỉ tiêu kỹ thuật nhƣ dòng
điện, điện áp, tần số của hệ thống phải trong phạm vi cho phép.
-
Các hệ thống bảo vệ relay phải thay đổi phù hợp và có độ tin cậy cao.
-
Đƣờng dây, máy biến áp và các thiết bị khác không có tải.
1
Sw
2
Sw
Sw
3
Hình 2.2: Sơ đồ lƣới điện mạch vòng có mạng 3 nguồn vận hành hở.
Khi vận hành hệ thống điện phân phối nhƣ hình 2.2 để giảm tổn thất công
suất hay nâng cao độ tin cây cung cấp điện bằng cách chuyển đổi tải cung cấp từ
các nguồn khác nhau, đảm bảo rằng các phụ tải đều đƣợc cung cấp điện và là lƣới
điện phân phối là hình tia. Việc phân tích lựa chọn các cách chuyển tải là nội dung
của bài luận văn này.
2.3.
Các lý do phải vận hành hở lƣới điện phân phối.
Khi lƣới điện vận hành hở, tổn thất năng lƣợng luôn lớn hơn và chất lƣợng
điện năng luôn kém hơn một lƣới điện vận hành kín. Khi có sự cố, thời gian tái lập
việc cung cấp điện của lƣới điện vận hành hở sẽ chậm hơn do có thời gian chuyển
tải qua các tuyến dây khác.
Tuy nhiên, do tính chất khác nhau cơ bản giữa lƣới điện phân phối và truyền
tải nhƣ sau:
-
Số lƣợng phần tử nhƣ lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù, phụ tải của lƣới phân phối
nhiều hơn lƣới truyền tải từ 5 – 7 lần nhƣng mức đầu tƣ chỉ hơn từ 2 – 2,5 lần
Trang 8
-
Có rất nhiều khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ và nằm trên
diện rộng, nên khi có sự cố, mức độ thiệt hại do gián đoạn cung cấp điện ở lƣới điện
phân phối gây ra cũng ít hơn so với sự cố của lƣới điện truyền tải.
Do những đặc trƣng trên, lƣới điện phân phối cần vận hành hở dù có cấu trúc
mạch vòng vì các lý do nhƣ sau:
-
Tổng trở đƣờng dây của lƣới điện phân phối vận hành hở lớn hơn nhiều so
với vận hành vòng kín nên dòng ngắn mạch bé khi có sự cố. Vì vậy chỉ cần chọn
các thiết bị đóng cắt có dòng ngắn mạch chịu đựng và dòng cắt ngắn mạch bé, nên
mức đầu tƣ giảm đáng kể.
-
Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các loại relay đơn
giản rẻ tiền nhƣ relay quá dòng, thấp áp … mà không nhất thiết phải trang bị các
loại relay phức tạp nhƣ định hƣớng, khoảng cách, so lệch … nên việc phối hợp bảo
vệ relay trở nên dễ dàng hơn, nên mức đầu tƣ cũng giảm xuống.
-
Chỉ cần dùng cầu chì tự rơi (FCO: Fuse Cut Out) hay cầu chì tự rơi kết hợp
cắt có tải (LBFCO: Load Break Fuse Cut Out) để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên
cùng một đoạn trục và phối hợp với Recloser để tránh sự cố thoáng qua.
-
Khi sự cố, do vận hành hở, nên sự cố không lan tràn qua các phụ tải khác.
-
Do đƣợc vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây dễ
dàng hơn và giảm đƣợc phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố.
-
Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lƣới phân phối, thì phƣơng án kinh tế là
các lƣới hình tia.
1.8.
Các bài toán tái cấu trúc lƣới điện phân phối ở góc độ vận hành.
Các bài toán vận hành lƣới điện phân phối mô tả các hàm mục tiêu tái cấu
trúc lƣới điện nhƣ sau:
-
Bài toán 1: Xác định cấu trúc lƣới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 thời đoạn
để chi phí vận hành bé nhất.
-
Bài toán 2: Xác định cấu trúc lƣới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo
sát để tổn thất năng lƣợng bé nhất.
Trang 9
-
Bài toán 3: Xác định cấu trúc lƣới điện tại 1 thời điểm để tổn thất công suất
bé nhất.
-
Bài toán 4: Tái cấu trúc lƣới điện cân bằng tải (giữa các đƣờng dây, máy biến
thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của lƣới điện.
-
Bài toán 5: Khôi phục lƣới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa.
-
Bài toán 6: Xác định cấu trúc lƣới theo nhiều mục tiêu nhƣ: tổn thất công
suất bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối lƣới
bé nhất cùng đồng thời xảy ra (Hàm đa mục tiêu).
-
Bài toán 7: Xác định cấu trúc lƣới điện vận hành tối ƣu và có độ tin cậy cung
cấp điện lớn nhất. Bài toán này đƣợc xét đến trong luận văn này.
Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của một lƣới điện phân phối cực tiểu
tổn thất năng lƣợng, cực tiểu chi phí vận hành thoả mãn các điều kiện kỹ thuật vận
hành hay bài toán tính toán độ tin cậy cung cấp điện cho lƣới điện phân phối 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 lƣới điện phân phối.
Bảng 2.1: Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc lƣới
Tên bài toán
Đặc điểm lƣới điện
Khoá điện đƣợc điều khiển từ xa
Chi phí chuyển tải thấp, không mất
điện khi chuyển tải
Chi phí chuyển tải cao, mất điện
khi chuyển tải
1
2
4
5
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Lƣới điện thƣờng xuyên bị quá tải
x
Lƣới điện ít bị quá tải
Lƣới điện hầu nhƣ không quá tải
3
x
x
6
7
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Trong luận văn này, bài toán 7 đƣợc đƣa ra hƣớng giải quyết bài toán trong
các điều kiện vận hành của lƣới điện phân phối:
Trong điều kiện vận hành bình thƣờng:
-
Vận hành lƣới điện sao cho độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống là lớn
nhất.
Trang 10
