NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN NHANH CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN THEO MỤC TIÊU GIẢM CHI PHÍ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN NHANH CẤU TRÚC LƯỚI
ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA
NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN THEO MỤC TIÊU GIẢM CHI
PHÍ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

Người thực hiện đề tài
Người hướng dẫn khoa học

: NGUYỄN THỊ MAI DUYÊN
: TS TRỊNH TRỌNG CHƯỞNG

Hà Nội, tháng 11 năm 2015


CẤU TRÚC ĐỀ CƯƠNG

1

MỞ ĐẦU

2

NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

3


I. MỞ ĐẦU

1

Lí do chọn đề tài:

 Đặc điểm của lưới điện phân phối:
- Số lượng đường dây và trạm biến áp nhiều nhất trong HTĐ
- Thiết kế hình kín nhưng vận hành hình hở
 Tổn thất cơng suất trên lưới điện phân phối:


I. MỞ ĐẦU
1

Lí do chọn đề tài:

Tổng tổn thất điện năng trên toàn lưới điện Việt Nam
từ năm 2011 đến năm 2014


I. MỞ ĐẦU
1

Lí do chọn đề tài:


I. MỞ ĐẦU
1

Lí do chọn đề tài:

Thay thế các thiết
bị cũ bằng các
thiết bị mới

Bù công suất
phản kháng
Các phương pháp giảm
tổn thất điện năng

Nâng cao điện áp
vận hành lưới
điện

Tăng tiết diện
dây dẫn

Tái cấu trúc lưới điện


I. MỞ ĐẦU
2

Mục đích nghiên cứu

 Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến trào lưu công
suất trên lưới điện phân phối và đến bài toán lựa chọn cấu trúc tối ưu
của lưới điện theo mục tiêu giảm chi phí tổn thất điện năng.
3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Lưới điện trung áp huyện Bát Xát, tỉnh Lào Cai.
 Phần mềm PSS/ADEPT để tính tốn lựa chọn cấu trúc hợp
lý. Tính tốn lựa chọn cấu trúc lưới điện trong các phương án
vận hành của phụ tải và của nguồn điện phân tán.


I. MỞ ĐẦU
4

Phương pháp nghiên cứu

Phân tích, đối chiếu và tổng hợp
Sử dụng phương pháp giải tích tốn học.
Ứng dụng phép tìm kiếm heuristic.
Sử dụng các phương pháp mơ phỏng để kiểm chứng độ
chính xác của thuật tốn thơng qua các lưới điện chuẩn của
IEEE và lưới điện trung áp thực tế ở nước ta.


NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN
Đặc điểm của lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối trung áp là lưới điện dùng để truyền tải trực tiếp điện
năng từ các trạm biến áp trung gian đến các trạm biến áp hạ áp cung cấp cho
các hộ phụ tải. Lưới phân phối trung áp thường có cấp điện áp 6, 10, 15, 22,
35 kV.
Cấu trúc của lưới điện phân phối rất phức tạp bao gồm nhiều nhánh, nhiều nút
và có khối lượng rất lớn.
Sự ảnh hưởng này nặng nề nhất là với các cấu trúc lưới điện phân phối hình
tia có một nguồn cung cấp, các lưới phân phối hình tia thường xuyên bị quá tải

vào các thời gian phụ tải cực đại trong ngày và trong mùa, tổn thất công suất
trên các đoạn đầu nguồn là rất lớn, hay xảy ra sự cố.
Các lý do vận hành hình tia lưới điện phân phối
Nếu vận hành kín địi hỏi vốn đầu tư lớn, yêu cầu hệ thống rơle bảo vệ phức
tạp hơn với số lượng lớn, thông thường phải dùng rơle bảo vệ có hướng, việc
vận hành và chỉnh định khó khăn. Lưới điện kín có tổng trở nhỏ hơn tổng trở
lưới điện hình tia.
Vận hành hở sẽ giảm chi phí đầu tư cho các thiết bị và độ tin cậy vẫn đảm bảo
yêu cầu về khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch trong mạch vịng lớn hơn so
với các mạch hình tia.


Thực trạng lưới điện phân phối tại Việt Nam
Theo thống kê, lưới điện trung áp toàn quốc hiện vận hành ở 5 cấp điện áp: 35
kV, 22 kV, 15 kV, 10 kV, 6 kV; tỷ trọng các cấp điện áp được thể hiện ở hình 1.3
[6]. Lưới điện 22 kV hiện có mặt hầu khắp tồn quốc, tuy nhiên tỷ lệ lưới 22 kV
(theo dung lượng trạm biến áp) ở mỗi địa phương khác nhau, ví dụ Tổng Cơng ty
Điện lực miền Nam là 84,3%, Tổng Công ty Điện lực miền Trung là 63,9%, Tổng
Công ty Điện lực miền Bắc là 12,8%, Tổng Công ty Điện lực Hà Nội 42,5%, Tổng
Cơng ty Điện lực Hồ Chí Minh là 0,1%.
Lưới 35kV tồn tại khắp tồn quốc trừ khu vực Tp.Hồ Chí Minh, tuy nhiên khối
lượng lưới 35kV ở miền Bắc chiếm tỷ lệ áp đảo (87,9%), miền Trung (9,3%),
miền Nam (2,8%). Còn lưới điện 15kV chủ yếu tập trung ở khu vực miền Nam
(82,4%) và miền Trung (15,6%). Lưới điện l0kV tập trung chủ yếu ở miền Bắc
(82,4%), miền Trung 17,6%. Lưới điện 6kV chủ yếu tập trung khu vực miền Bắc
(74,8%), miền Trung chiếm 25,2%.
.

www.themegallery.com

Company Logo


Nhìn chung, lưới trung áp Việt Nam trước đây và hiện nay
vẫn cịn mang tính đặc trưng phân miền khá rõ nét.
Tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối tương đối lớn:
-Tổn thất kỹ thuật:
Đường dây phân phối quá dài, bán kính cấp điện lớn
Tiết diện dây dẫn quá nhỏ, đường dây bị xuống cấp, không
được cải tạo nâng cấp..

Biểu đồ tỷ trọng các cấp
điện áp lưới điện trung áp
toàn quốc

Máy biến áp phân phối thường xuyên mang tải nặng hoặc quá tải
Máy biến áp là loại có tỷ lệ tổn thất cao hoặc vật liệu lõi từ không tốt dẫn đến sau một thời gian
tổn thất tăng lên.
Vận hành không đối xứng liên tục dẫn đến tăng tổn thất trên máy biến áp.
Nhiều thành phần sóng hài của các phụ tải công nghiệp tác động vào các cuộn dây máy biến
áp làm tăng tổn thất.
Vận hành với hệ số cosφ thấp do thiếu công suất phản kháng
Tổn thất thương mại: là tổn thất trong khâu kinh doanh điện năng, bao gồm:
Trộm điện (câu, móc trộm).
Khơng thanh tốn hoặc chậm thanh tốn hóa đơn tiền điện.
Sai sót tính tốn tổn thất kỹ thuật.
Sai sót khi thống kê phân loại và tính hóa đơn khách hàng
Company Logo

 Các giải pháp tổn thất điện năng cho lưới điện trung áp
Nâng cao điện áp vận hành: Ví dụ nâng điện áp từ 6 kV, 10 kV lên 22 kV.
Tăng tiết diện dây dẫn hiện có nhằm giảm điện trở đường dây, hoặc có thể thay
thế chất liệu dây dẫn hiện có bằng chất liệu có điện trở thấp hơn, tổn thất nhỏ
(vật liệu siêu dẫn, cách điện chất lượng cao). Song phương pháp này yêu cầu
vốn đầu tư lớn, không khả thi.
Tiến hành bù công suất phản kháng trên lưới, nâng cao hệ số công suất cosϕ
của lưới điện. Trong lưới phân phối, khi tiến hành lắp đặt bù.
Ngồi các phương pháp làm giảm tốn thất trên, cịn một phương pháp khác làm
giảm tổn thất đảm bảo lưới điện phân phối vận hành kinh tế là cấu trúc lại lưới
điện phân phối bằng việc đóng mở các cặp khóa điện có sẵn trên lưới phân
phối. Điều này làm giảm đáng kể tổn thất khi đạt được sự cân bằng công suất
giữa các tuyến dây mà không cần chi phí để cải tạo lưới. Tái cấu trúc lưới điện
có nhiều mục đích như: giảm tổn thất cơng suất, tái cấu trúc để có sự cân bằng
tải, tái cấu trúc để cho hệ thống không vượt qua các giới hạn cho phép của
đường dây, MBA và các thiết bị bảo vệ, tái cấu trúc để tăng độ tin cậy của hệ
thống…


BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ CÁC
HƯỚNG NGHIÊN CỨU CHÍNH
Khi thay đổi cấu trúc một lươi điện bằng cách đóng/mở các thiết bị đóng cắt thì
sẽ dẫn đến sự phân bố dòng, áp trên lưới cũng thay đổi, và như vậy, các tổn
thất trên lưới cũng thay đổi theo. Tái cấu trúc lưới điện phân phối góp phần
giảm tổn thất và cân bằng cơng suất giữa các tuyến đường dây, giảm sụt áp
cuối đường dây, giảm bớt khả năng quá tải các thiết bị trên lưới.
- Giới thiệu bài toán tái cấu trúc lưới điện
Bài toán 1: Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 khoảng thời
gian để chi phí vận hành bé nhất.
Bài toán 2: Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 khoảng thời

gian để tổn thất năng lượng bé nhất.
Bài toán 3: 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 các lưới điện.
Bài toán 4: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sữa chữa.
Bài toán 5: 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 6: Xác định cấu trúc lưới điện tại 1 thời điểm để tổn thất công suất bé
nhất.


Các tiêu chí ảnh hưởng đến hàm mục tiêu của bài tốn tái cấu trúc
Tổn thất cơng suất tác dụng ∆ P
Tổn thất điện áp
Có rất nhiều tiêu chuẩn khác nhau quy định về tổn thất điện áp, thông thường lưới
phân phối người ta lấy∆U = ±6% và ∆U = ±15%
Ảnh hưởng của dòng ngắn mạch IN
Sơ đồ bảo vệ của một số lưới phân phối trung áp
cp
lv

cp
sc

Cao ¸p
Trung ¸p
Trung áp

I

TBPĐ

I0

Cầu chì tự rơi
I

I

I0

I0

Cầu chì tự rơi

Cao áp
I

I0

TBPĐ

Thường mở

Hạ áp
Hạ ¸p

Hình 2.1. Sơ đồ bảo vệ lưới điện phân
phối trung áp mạch vịng vận hành hở

Hình 2.2. Sơ đồ bảo vệ lưới
điện phân phối trung áp hình tia
Company Logo


Các bài tốn tái cấu trúc lưới điện điển hình
Bài toán 1: Lựa chọn điểm phân đoạn để cực tiểu chi phí vận hành
Độ giảm chi phí vận hành khi chuyển đổi trạng thái của một điểm phân đoạn
trong khoảng thời gian T có thể được tính như sau :
T

∆C = − ∫ c ( t ) ∆P ( t ) dt − ( CS 0 = CSc )
0

Độ thay đổi tổn thất cơng suất do đóng cắt một khóa điện có thể được ước
lượng theo cơng thức của Civanlar [21]:

 
* 
∆Ploss ( t ) = Re 2  ∑ I i ( ∆U m − ∆U n ) ÷ + Rloop

  i∈D

∑I
i∈D

2
i

Độ thay đổi tổn thất công suất ở khoảng thời gian j sẽ được tính như sau:

  
* 
∆Pj =  Re 2  ∑ I i ( ∆U m − ∆U n ) ÷ + Rloop

   i∈D


I i  * ∆T
∑
i∈D

2


Bài toán 2: Lựa chọn điểm phân đoạn trong lưới điện để giảm tổn thất điện năng
Trong thực tế, LĐPPTA không phải lúc nào cũng được trang bị các thiết bị đóng cắt
tự động. Việc thay đổi cấu trúc nhiều lần trong khoảng thời gian khảo sát dẫn đến chi
phí chuyển tải quá lớn so với mức giảm tổn thất điện năng và ảnh hưởng đến việc
phối hợp bảo vệ rơle. Để giảm chi phí vận hành và tránh gây mất điện khi chuyển tải,
các điều độ viên chỉ cho phép thay đổi cấu trúc lưới sau sự cố. Vì vậy, cần xác định
cấu trúc lưới không thay đổi trong suốt thời gian khảo sát có tổn thất điện năng ∆A bé
nhất. Thời gian khảo sát có thể là trong ngày, trong tuần, trong tháng, trong mùa.
Theo [3]: “Đã có nhiều nghiên cứu giải quyết bài toán này nhưng nghiên cứu của
Taleski được xem là đầy đủ hơn cả”. Tuy nhiên, giải thuật của Taleski còn phức tạp
trong việc cộng dồn đồ thị để tính giảm ∆A cho mỗi vịng lặp do sử dụng giải thuật
giảm ∆P của Civanlar. Về thơng số phụ tải, giải thuật này địi hỏi các giá trị moment
bậc 1 và bậc 2 của đồ thị phụ tải. Để có được các thơng số này cần phải tiến hành
xác định đồ thị phụ tải của LĐPP. Đây là cơng việc địi hỏi nhiều thời gian khảo sát,
phải lắp đặt các thiết bị đo đạc, không phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh hiện tại
của LĐPP tại Việt Nam”.

Tác giả đưa ra kết luận: “ Có thể lựa chọn điểm phân đoạn trong LĐPP để giảm tổn
thất điện năng ∆A bằng giải thuật tái cấu trúc LĐPP để giảm tổn thất công suất ∆P
với công suất tại các nút tải đầu vào là công suất trung bình trong một khoảng thời
gian tính tốn”.
Chứng minh trên đây là tiền đề hết sức quan trọng để áp dụng vào thực tế, phù hợp
với hầu hết LĐPPTA ở Việt Nam.
www.themegallery.com

Company Logo


Bài tốn 3: Cân bằng cơng suất giữa các đường dây và trạm biến áp
Theo [3], khi đưa ra các hàm mục tiêu cân bằng tải cho toàn bộ các phần tử trên
lưới có dạng như sau:
2
N
N
N
N
MinCb:
 Si 
Pi 2 + Qi2
1
1
2
2
Cb = ∑  max ÷ = ∑
=
=
P

+
Q
(
)
∑
∑
i
i
max
S
max
2
max
2
i =1  Si
i
=
1
i
=
1
i
=
1
i

Hàm cân bằng tải vị trí (2.6) chính là hàm tổn thất công suất nếu cho thay chỉ số
Ai bằng điện trở nhánh Ri tương ứng.
Bài toán 4: Lựa chọn điểm phân đoạn để khôi phục lưới điện phân phối sau
sự cố và cân bằng tải

Đây là mục tiêu được đông đảo các nhà khoa học đề cập trong các nghiên cứu
của mình. Tuy có nhiều hướng nghiên cứu riêng biệt nhưng chủ yếu các giải
thuật vẫn theo các trình tự như sau:
Loại bỏ phần tử sự cố trên lưới.
Tìm điểm phân đoạn trong lưới điện để cấp điện với số khách hàng tối đa mà
không gây quá tải.
Các giải thuật nghiêng về cách sử dụng hàm mục tiêu cân bằng tải và giảm số lần
thao tác khóa để khôi phục lưới.

www.themegallery.com

Company Logo


Bài toán 5: Lựa chọn điểm phân đoạn trong lưới điện theo hàm đa mục tiêu
Như đã trình bày, trong vận hành LĐPPTA có rất nhiều mục tiêu vận hành mà người điều độ viên phải
lựa chọn sao cho phù hợp với các đặc tính của lưới điện tại khu vực mà mình đang trực tiếp vận hành.
Tuy nhiên, việc chọn duy nhất một mục tiêu điều khiển theo từng thời điểm tỏ ra khơng có tính thuyết
phục đối với người vận hành hơn khi cùng lúc thỏa mãn nhiều mục tiêu. Đã có nhiều nghiên cứu trong
việc giải quyết bài toán đa mục tiêu như của Baran [15] khi xem xét cả 2 mục tổn thất công suất và cân
bằng tải.
Hàm đa mục tiêu tương đối đầy đủ bao gồm: cực tiểu tổn thất công suất, cân bằng tải giữa các máy
biến thế, cực tiểu tổn thất điện áp, cực tiểu số lần đóng cắt và cân bằng số tải quan trọng trên các máy
biến thế trung gian.Được trình bày tại biểu thức:
F = CLPL + CBB + CDD + CWW + CEE
Với PL: Hàm tổn thất công suất tác dụng.
B: Hàm cân bằng tải giữa các máy biến thế của trạm trung gian.
D: Hàm số thể hiện độ sụt áp cuối lưới.
W: Hàm số thể hiện mức độ sự cố của lưới điện.
E: Hàm số thể hiện mức độ cân bằng của các phụ tải quan trọng.

CL, CB, CD, CW, CE là các hệ số trọng lượng liên kết các hàm mục tiêu đơn lẻ trong hàm đa mục tiêu F.
Bài toán 6: Lựa chọn điểm phân đoạn trong lưới điện để giảm tổn thất công suất tác dụng
Lựa chọn điểm phân đoạn trong LĐPPTA để giảm ∆P địi hỏi tìm được một chuỗi các thao tác vận hành
chuyển trạng thái điểm phân đoạn để giảm tổn thất tác dụng trên đường dây. Có nhiều phương pháp
tìm điểm phân đoạn giảm ∆P nhưng nhìn chung chủ yếu đều dựa trên cơ sở 2 thuật toán:
Thuật toán của A.Merlin & Back (thuật tốn cắt vịng kín) đại diện cho phương pháp heuristic kết hợp
với các kỹ thuật tối ưu [8].
Thuật toán của Civanlar (thuật toán đổi nhánh) đại diện cho phương pháp thuần heuristic [18].
Trong 6 bài toán vừa nêu thì bài tốn 6 là cơ bản nhất, được nhiều tác giả nghiên cứu. Trong nội dung
của luận văn này sẽ đề cập đến bài toán trên.
www.themegallery.com

Company Logo


2.4. Một số hướng nghiên cứu chính cho bài tốn tái cấu trúc lưới điện
2.4.1. Thuật tốn cắt vịng kín [8]
Thuật toán của Merlin & Back cho rằng: với một lưới điện có các phần tử đã xác định thì lưới điện kín
ln có ∆P bé nhất. Vì vậy để có lưới điện hình tia, tác giả đã lần lượt loại bỏ những nhánh có dịng
cơng suất chạy qua bé nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi lưới điện đạt được trạng thái vận hành hở.
Trong quá trình thực hiện, thuật tốn khơng tính mức giảm ∆P khi phân bố lại phụ tải cho từng bước mà
chỉ xét đến dòng chạy qua khoá điện và xem xét khoá điện nào mở ra làm lưới điện bị q tải. Thuật
tốn khơng tính tổn thất ∆P để so sánh lựa chọn cấu hình tối ưu vì đã xuất phát từ điều kiện mở nhánh
có dịng bé nhất để mức tổn thất ∆P là bé nhất.

Hình 2.3. Thuật tốn Merlin Back
đã được chỉnh sửa


2.4.2. Thuật toán đổi nhánh

www.themegallery.com

Company Logo


2.4.3.
2.4.4.
2.4.5.
2.4.6.
2.4.7.

Giải thuật mô phỏng luyện kim (Simulated Annealing Algorithm - SA)
Giải thuật đàn kiến (Ant Colony Algorithm - ACS)
Phương pháp mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Network -ANN)
Phương pháp tìm kiếm TABU (Tabu Search -TS)
Phương pháp logic mờ (Fuzzy Logic)

Mô hình của một hệ thống mờ
2.4.8. Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm -GA)
2.4.9. Phương pháp bầy đàn (Particle Swarm Method –
PSO)

www.themegallery.com

Tập mờ và tập rõ

Company Logo

Các bước đánh giá lưới điện phân phối có nguồn thủy
điện nhỏ trong bài toán tái cấu trúc
www.themegallery.com

Company Logo


Lưu đồ giải thuật tái cấu trúc lưới điện có TĐN giảm tổn thất ∆P


Các bước chọn chế độ vận hành của lưới điện để tìm điểm mở theo mùa

www.themegallery.com

Company Logo


LỰA CHỌN CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN HỢP LÝ GIẢM CHI PHÍ TỔN THẤT
ĐIỆN NĂNG CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ
3.1. Đặc điểm của lưới điện nghiên cứu
Xuất tuyến này cũng mang những đặc điểm chung của lưới 35 kV ở nước ta:
-Lưới điện vận hành hình tia, vừa có chức năng là đường dây truyền tải vừa mang chức năng của đường
dây phân phối;
-Hệ thống bảo vệ gồm máy cắt đầu đường dây, Recloser, LBS, FCO và không được điều khiển từ xa, số
lượng thiết bị đóng cắt có tải khơng nhiều nên phạm vi mất điện lớn, thời gian mất điện kéo dài khi
chuyển tải;
-Quá trình chuyển tải chỉ thực sự diễn ra khi lưới điện bị sự cố hay cô lập đường dây để sửa chữa, tuy
nhiên hiện nay khi các TĐN thay đổi cơng suất phát theo mùa nước thì các điểm mở trên lưới điện hầu
như vẫn cố định, khi xuất hiện thêm nguồn Cốc San và Ngịi Phát thì các điểm mở trên lưới điện vẫn ở
các vị trí cũ.

-Xuất tuyến này cũng mang những đặc điểm chung của lưới 35 kV ở nước ta:
-Lưới điện vận hành hình tia, vừa có chức năng là đường dây truyền tải vừa mang chức năng của đường
dây phân phối;
-Hệ thống bảo vệ gồm máy cắt đầu đường dây, Recloser, LBS, FCO và không được điều khiển từ xa, số
lượng thiết bị đóng cắt có tải khơng nhiều nên phạm vi mất điện lớn, thời gian mất điện kéo dài khi
chuyển tải;
-Quá trình chuyển tải chỉ thực sự diễn ra khi lưới điện bị sự cố hay cô lập đường dây để sửa chữa, tuy
nhiên hiện nay khi các TĐN thay đổi công suất phát theo mùa nước thì các điểm mở trên lưới điện hầu
như vẫn cố định, khi xuất hiện thêm nguồn Cốc San và Ngịi Phát thì các điểm mở trên lưới điện vẫn ở
các vị trí cũ.