Nghiên cứu thuật toán tái cấu hình lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.39 MB, 78 trang )
TRẦN TRỌNG NGHĨA
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
TRẦN TRỌNG NGHĨA
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN
KỸ THUẬT ĐIỆN
PHÂN PHỐI NHẰM GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN
2012B
Hà Nội – Năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
TRẦN TRỌNG NGHĨA
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
NHẰM GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG
CHUYÊN NGÀNH:
HỆ THỐNG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƯƠNG NGỌC MINH
Hà Nội – Năm 2014
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự nổ lực học tập và nghiên cứu của bản thân,
tác giả nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ từ bên ngoài.
Tác giả vô cùng biết ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn khoa
học TS. Trương Ngọc Minh trong suốt quá trình học tập và làm luận văn và toàn thể
các thầy cô trong Bộ môn Hệ thống điện, Trường đại học Bách khoa Hà Nội.
Cuối cùng tác giả vô cùng biết ơn sự quan tâm, động viên của gia đình và bạn bè
trong suốt thời gian qua. Nhờ đó, tác giả có thêm thời gian và nghị lực để hoàn
thành luận văn.
Tuy nhiên do hạn chế về kiến thức, tác giả rất mong nhận được sự quan tâm góp ý
và phê bình của các thầy cô, các đồng nghiệp và các bạn đọc.
Xin chân thành cảm ơn!
-i-
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Các kết quả tính toán trong luận văn
này là do tôi tự thực hiện một cách trung thực và chưa từng được nêu ra trong bất kỳ
bản luận văn nào khác.
Hà Nội, tháng 09 năm 2014
Tác giả luận văn
Trần Trọng Nghĩa
- ii -
LỜI MỞ ĐẦU
I. Đặt vấn đề
Lưới điện phân phối điện là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực
tiếp đến người tiêu dùng. Lưới điện phân phối bao gồm lưới điện trung áp và lưới
điện hạ áp.
Cùng với tốc độ tăng trưởng kinh tế xã hội, tốc độ phát triển cả về quy mô và chất
lượng hệ thống điện nói chung và lưới điện phân phối nói riêng đang diễn ra rất
mạnh mẽ. Dẫn đến công tác quản lý đầu tư xây dựng và quản lý vận hành đối với
các đơn vị quản lý và vận hành điện ngày càng cao.
Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện có thể thực hiện bằng các biện pháp cụ thể:
thay thế các thiết bị cũ bằng các thiết bị tin cậy hơn, có đường dây dự phòng, có
nguồn thay thế như máy phát… Các biện pháp này tuy đảm bảo độ tin cậy cung cấp
điện cao nhưng yêu cầu vốn đầu tư lớn, chỉ thích hợp áp dụng cho các phụ tải quan
trọng không được phép mất điện. Trong thực tế để nâng cao độ tin cậy cung cấp
điện, lưới phân phối thường sử dụng cấu hình mạch vòng nhưng vận hành hở. Điểm
mở của mạch vòng được tính toán và lựa chọn sao cho tổn thất công suất hoặc tổn
thất điện áp trên lưới là nhỏ nhất. Do đó không những nâng cao được độ tin cậy
cung cấp điện mà chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng cũng được đảm
bảo là tốt nhất.
Việc nâng cao chất lượng điện năng cũng có thể thực hiện bằng nhiều biện pháp
hiệu quả nhưng yêu cầu vốn đầu tư lớn: nâng cao điện áp vận hành của lưới điện,
tăng tiết diện dây dẫn, bù kinh tế trên lưới điện, cải thiện cấu trúc và vật liệu để sản
xuất các thiết bị điện có tổn thất nhỏ, …
Trong mạng phân phối điên, công suất tải trên mạng phân phối điện ngày càng tăng
nhưng sự gia tăng công suất tải phải nằm trong giới hạn cho phép, trong khí đó cấu
hình của mạng lại không thay đổi. Từ đó sẽ làm cho tổn thất của mạng phân phối
điện tăng nếu cấu hình mạng vẫn giữ nguyên. Muốn giảm tổn thất người ta sẽ dùng
các phương pháp như: đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lưới điện, …
Nhưng nếu làm như thế sẽ đòi hỏi đầu tư rất nhiều mà hiệu quả giảm tổn thất điện
năng lại không đáng kể.
Một trong những biện pháp hiệu quả là ta có thể dùng phương pháp tái cấu hình để
giảm tổn thất trên đường dây. Có rất nhiều phương pháp để tái cấu hình trên lưới
phân phối để tổn thất là nhỏ nhất đã được quan tâm nghiên cứu, áp dụng như được
giới thiệu sơ bộ trong luận văn này thông qua các bài báo, tài liệu đã được công bố.
- iii -
II. Mục tiêu và nhiệm vụ luận văn
Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu, xây dựng nội dung cho
các vấn đề sau:
-
Nghiên cứu tổng quan về bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối;
-
Áp dụng kỹ thuật đổi nhánh – Branch Exchange trong bài toán tái cấu hình
lưới điện;
-
Áp dụng thuật toán trên một lưới điện mẫu của IEEE và lưới điện phân phối
Thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh.
III. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu vấn đề lựa chọn điểm mở tối ưu, tìm phương thức vận hành lưới điện
phân phối theo hàm mục tiêu tổng tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện phân
phối là nhỏ nhất và đảm bảo chất lượng điện năng (tái cấu hình lưới điện). Trình
bày bài toán tái cấu hình và giới thiệu một số phương pháp cơ bản cho bài toán tái
cấu hình lưới điện.
Áp dụng cho bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối nhằm mục đích giảm tổn thất
công suất.
IV. Bố cục luận văn
Luận văn được trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Tổng quan bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối
Chương 2: Tính toán trào lưu công suất
Chương 3: Áp dụng kỹ thuật đổi nhánh cho bài toán tái cấu hình lưới điện phân
phối; Ví dụ minh họa và áp dụng
Chương 4: Kết luận và định hướng nghiên cứu
- iv -
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................... iii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................. vii
CÁC BẢNG BIỂU ...................................................................................... viii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN BÀI TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI PHÂN
PHỐI .............................................................................................................. 1
I.1
Giới thiệu chung về lưới điện phân phối .......................................... 1
I.1.1 Khái niệm về lưới điện phân phối................................................. 1
I.1.2 Các đặc điểm và yêu cầu của lưới điện phân phối ........................ 1
I.1.3 Các thiết bị phân đoạn trên lưới phân phối trung áp ..................... 3
I.1.4 Tổn thất trên lưới điện phân phối ................................................. 6
I.1.5 Các biện pháp giảm tổn thất công suất và bài toán tái cấu hình .... 7
I.2
Bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối ......................................... 8
I.2.1 Mô hình toán học bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối ......... 8
I.2.2 Các giả thiết trong bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối ...... 10
I.2.3 Các mục tiêu khi xét đến bài toán tái cấu hình lưới điện............. 10
I.2.4 Tóm tắt một số phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối ... 11
I.2.5 Kết luận và nhận xét ................................................................... 24
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT.............................. 26
II.1
Xây dựng các hệ phương trình ....................................................... 26
II.1.1
Hệ phương trình cân bằng dòng nút ........................................ 26
II.1.2
Hệ phương trình cân bằng công suất nút ................................. 28
II.2
Phương pháp Newton-Raphson...................................................... 30
-v-
II.2.1
Cơ sở toán học ........................................................................ 30
II.2.2
Ứng dụng trong giải tích lưới điện [9 ] ................................... 33
CHƯƠNG III: KỸ THUẬT ĐỔI NHÁNH TÁI CẤU HÌNH LƯỚI PHÂN
PHỐI, VÍ DỤ MINH HỌA VÀ ÁP DỤNG .................................................. 37
III.1
Kỹ thuật đổi nhánh trong tái cấu hình lưới điện phân phối [8] ...... 37
III.2
Cấu hình chương trình ................................................................... 51
III.3
Ví dụ minh họa .............................................................................. 54
III.4
Tính toán áp dụng .......................................................................... 60
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................. 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 1
- vi -
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ABC
:
Artificial Bee Colony
ACS
:
Giải thuật Ant Colony system
ACO
:
Giải thuật Ant Colony Optimization
BCO
:
Thuật toán tối ưu đàn ong
BE
:
Kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange
CDPT
:
Cầu dao phụ tải
DCL
:
Dao cách ly
DAS
:
Distribution Automatic System
DCLTĐ
:
Dao cách ly tự động
GA
:
Giải thuật di truyền
HTĐ
:
Hệ thống điện
IEEE
:
Institute of Electrical and Electronics Engineers
PSO
:
Giải thuật Particle Swarm Optimization
MBA
:
Máy biến áp
Nút PQ
:
Nút phụ tải
Nút PV
:
Nút giữ điện áp
Nút SL
:
Nút cân bằng công suất
TA
:
Mạng trung áp
TKV
:
Trạm khu vực
- vii -
CÁC BẢNG BIỂU
Bảng III.1.2. Ma trận nút – nhánh T ............................................................. 41
Bảng III.1.3. Dòng công suất trong ma trận .................................................. 42
Bảng III.1.4. Ma trận khi đóng một nhánh .................................................... 44
Bảng III.1.5. Ma trận mở một nhánh ............................................................ 45
Bảng III.1.6. Ma trận xác định được chiều dòng công suất ........................... 46
Bảng III.1.7. Ma trận mở nhánh C2 .............................................................. 48
Bảng III.3.2. Thông số của lưới mẫu IEEE 33 nút ........................................ 56
Bảng III.4.2. Thông số của lưới điện phân phối thành phố Hạ Long............. 62
- viii -
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN BÀI TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI PHÂN PHỐI
I.1
Giới thiệu chung về lưới điện phân phối
I.1.1
Khái niệm về lưới điện phân phối
Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây
truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản
xuất, truyền tải và phân phối điện năng.
Một vài khái niệm về lưới điện phân phối:
-
-
Lưới phân phối là phần lưới điện làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các
trạm trung gian (hoặc TKV hoặc thanh cái nhà máy điện) cho các phụ tải.
[14]
Lưới điện phân phối là phần lưới điện bao gồm toàn bộ các đường dây và
trạm biến áp có cấp điện áp từ 35kV trở xuống, các đường dây và trạm biến
áp có điện áp 110kV để thực hiện chức năng phân phối điện đến khách hàng
sử dụng điện. [16]
I.1.2
Các đặc điểm và yêu cầu của lưới điện phân phối
Đặc điểm của lưới phân phối
(1)
Lưới phân phối trung áp ở Việt Nam có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối điện
cho các trạm phân phối trung hạ áp, lưới hạ áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải
hạ áp.
Một số đặc điểm chính của lưới điện phân phối:
-
Mạng điện phân phối cung cấp trực tiếp đến các hộ tiêu thụ điện, dó đó so
với mạng điện truyền tải thì mạng điện phân phối được trải rộng trên toàn bộ
phạm vi phụ tải. Số lượng các thiết bị, đường dây cũng nhiều hơn so với lưới
truyền tải rất nhiều;
-
Phương án vận hành của lưới điện phân phối thường được thay đổi thường
xuyên khi có yêu cầu để đảm bảo cho phụ tải luôn được cấp điện. Do đó trên
lưới điện phân phối thường có nhiều các thiết bị đóng cắt hơn so với lưới
truyền tải;
-1-
-
Đặc điểm quan trọng của mạng điện phân phối đó là có cấu trúc hình tia,
mạch vòng kín nhưng thường vận hành hở;
Lưới điện phân phối mạch vòng kín vận hành hở
(2)
Việc lưới điện phân phối phải vận hành hở lưới phân phối xuất phát từ những đặc
trưng của lưới phân phối:
-
Số lượng phần tử như: lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù, phụ tải của lưới phân phối
nhiều hơn lưới truyền tải từ 5-7 lần nhưng mức đầu tư chỉ hơn từ 2-2,5 lần;
-
Tổng trở của lưới 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 tư giảm đáng kể;
-
-
-
-
Trên lưới phân phối, các khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ và
có phạm vi nhất định, nên khi có sự cố, mức độ thiệt hại do gián đoạn cung
cấp điện ở lưới điện phân phối gây ra cũng ít hơn so với sự cố của lưới điện
truyền tải;
Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các loại relay đơn
giản, giá thành thấp như relay quá dòng, thấp áp… mà không nhất thiết phải
trang bị các loại relay phức tạp như có hướng, khoảng cách, so lệch… nên
việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn, nên mức đầu tư cũng giảm
xuống;
Chỉ cần dùng cầu trì tự rơi (FCO: Fuse Cut Out) hay cầu trì 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 được vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây dễ
dàng hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố;
Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới phân phối, thì phương án kinh tế là
lưới hình tia.
Từ các đặc trưng của lưới điện và yêu cầu kỹ thuật trong lưới phân phối, do đó lưới
điện phân phối được thiết kế kín nhưng vận hành hở.
-2-
Các yêu cầu đối với lưới điện phân phối
(3)
Một số yêu cầu kỹ thuật cơ bản đối với lưới điện phân phối như sau:
-
Đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật vận hành: Độ biến thiên điện áp, độ biến thiên
tần số, sóng hài, độ tin cậy cung cấp điên, v.v… ;
Đảm bảo điều kiện quá tải cho các thiết bị;
-
Khi thiết kế lưới điện phân phối vận hành dễ dàng linh hoạt và phù hợp với
-
việc phát triển lưới điện trong tương lai;
I.1.3
Việc duy tu bảo dưỡng cho lưới phân phối phải đảm bảo chi phí nhỏ nhất.
Các thiết bị phân đoạn trên lưới phân phối trung áp
Để phân đoạn lưới phân phối nâng cao độ tin cậy, giảm thời gian gián đoạn cung
cấp điện, ngoài các thiết bị cổ điển như dao cách ly, cầu dao phụ tải, người ta còn sử
dụng một số thiết bị tự động để làm thiết bị phân đoạn như: máy cắt, dao cách ly tự
động, máy cắt tự động đóng lại (Recloser) v.v..
Việc quyết định sử dụng các thiết bị tự động cần phải xem xét từ nhiều khía cạnh
của hệ thống cung cấp điện, phải phối hợp tốt nhiều mặt như chọn sơ đồ nối dây,
chọn thiết bị, hình thức bảo vệ, trình độ vận hành và khai thác thiết bị tự động v.v..
với chi phí đầu tư tương ứng.
(1)
DAS (Distribution Automatic System)
DAS là hệ thống phân phối điện tự động điều hành bằng máy tính. Trên lưới điện
trung áp được phân đoạn bằng DAS có các ưu điểm nổi trội hơn so với các hệ thống
lưới điện phân phối trung áp sử dụng các thiết bị phân đoạn nêu trên nhờ khả năng
tự động hóa, giám sát và điều khiển từ xa.
DAS cung cấp chức năng điều khiển và giám sát từ xa các dao cách ly phân đoạn tự
động, phối hợp giữa các điểm phân đoạn trên lưới điện phân phối trung áp, nhờ đó
nhanh chóng cô lập được phân đoạn sự cố, khôi phục việc cung cấp điện năng cho
các phần còn lại của hệ thống không bị sự cố.
Lưới phân phối trung áp sử dụng hệ thống DAS có thời gian cách ly sự cố và khôi
phục cung cấp điện cho các phân đoạn không bị sự cố rất nhỏ do đó độ tin cậy của
lưới điện phân phối trung áp phân đoạn bằng DAS rất cao.
-3-
Thực tế, do chi phí đầu tư khá cao cùng với hiện trạng của lưới điện phân phối trung
áp ở Việt Nam thường có tình trạng chắp vá, thiếu đồng bộ nên việc triển khai hệ
thống DAS vẫn trong giai đoạn nghiên cứu khả thi. Tuy nhiên, với sự phát triển của
công nghệ và yêu cầu về độ tin cậy của cung cấp điện, chất lượng điện năng của các
phụ tải ngày càng cao thì xu hướng lắp đặt hệ thống DAS là tất yếu.
(2)
Recloser (Máy cắt tự động đóng lại)
Trên lưới điện phân phối phân đoạn bằng Recloser, khi xảy ra sự cố trên phân đoạn
nào thì Recloser ở phân đoạn đó sẽ tác động cắt phân đoạn đó ra. Sau một thời gian
xác định Recloser tự động đóng trở lại. Nếy là sự cố thoáng qua phân đoạn sự cố
được khôi phục cấp điện trở lại. Nếu là sự cố vĩnh cửu Recloser lại cắt và tách phân
đoạn sự cố ra khỏi lưới điện. Việc cung cấp điện được tiếp tục từ đầu nguồn đến
phân đoạn nằm trước phân đoạn sự cố.
Đối với đường dây trên không tỷ lệ sự cố thoáng qua rất cao như: phóng điện chuỗi
sứ khi quá điện áp, dây dẫn chạm nhau khi đung đưa do gió to, đường dây và thanh
góp bị ngắn mạch bởi những vật khác nhau v.v… Vì vậy sử dụng Recloser có xác
suất thành công cao, sử dụng hiệu quả với lưới trung áp trên không.
Việc sử dụng Recloser, các sự cố thoáng qua sẽ được khôi phục cung cấp điện trong
thời gian rất ngắn, do đó thiệt hại kinh tế do ngừng cung cấp điện được giảm đáng
kể. Ngoài ra việc lắp đặt, thao tác và vận hành Recloser tương đối dễ dàng, do đó
tuy giá thành cao nhưng hiện nay Recloser đã được sử dụng rộng rãi trên lưới điện
phân phối của nước ta.
(3)
Dao cách ly tự động (DCLTĐ)
Dao cách ly tự động (DCLTĐ) khác với dao cách ly ở chỗ DCLTĐ có gắn thiết bị
điều khiển thời gian trễ (FDR – Fault Detecion relay hay còn gọi là rơ le phát hiện
sự cố). Trên đường dây phân phối có DCLTĐ được lắp đặt, khi có sự cố máy cắt
đầu nguồn sẽ cắt và quá trình cung cấp điện bị ngừng, sau đó tất cả các DCLTĐ trên
tuyến đương dây phân phối sẽ cắt (đây được gọi là cắt không điện áp của DCLTĐ).
Sau khi máy cắt đóng lại, các phân đoạn thuộc đường dây sẽ được cung cấp bằng
cách đóng thử nghiệm lần lượt các cầu dao từ phía đầu nguồn. Khi điện được cấp
tới phân đoạn sự cố, do dòng sự cố, máy cắt lại tiếp tục cắt lần nữa. Qua đó xác định
được phân đoạn sự cố chính là phân đoạn vừa được đóng thử nghiệm. Tiếp đó,
-4-
DCLTĐ tại phân đoạn này sẽ tự động khóa lại, phân đoạn sự cố được cô lập, quá
trình cung cấp điện cho các phân đoạn còn lại được tự động thực hiện sau đó. Như
vậy, ưu điểm của DCLTĐ làm giảm thời gian tìm kiếm xác định sự cố và thời gian
gián đoạn cung cấp điện.
Tuy nhiên, do DCLTĐ vẫn phải đóng cắt không tải nên khi chuyển tải, tái cấu hình
lưới điện để cải thiện các thông số vận hành phải cắt nguồn cấp, gây ra tình trạng
mất điện không cần thiết, làm giảm độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện. Trong
lưới điện phân phối trung áp của Việt Nam DCLTĐ chưa được sử dụng rộng rãi.
(4)
Dao cách ly (DCL)
Dao cách ly là loại cầu dao không có bộ phận dập hồ quang nên khi đóng hoặc cắt
phải đảm bảo cầu dao không có điện hoặc không có dòng điện phụ tải. Trên đường
dây phân phối lắp đặt DCL, khi xảy ra sự cố máy cắt đầu nguồn sẽ cắt, quá trình
cung cấp điện cho phụ tải bị ngừng. Việc xác định điểm sự cố được thực hiện từ
cuối đường dây ngược trở về đầu đường dây. Trong khoảng thời gian không điện
DCL ở phân đoạn cuối cùng của đường dây sẽ được cắt ra, việc thao tác này được
thực hiện tại chỗ bằng tay. Sau đó máy cắt đầu đường dây được đóng trở lại, nếu có
sự cố nằm ở phân đoạn cuối đường dây thì máy cắt sẽ không cắt ra nữa vì sự cố đã
được loại trừ và các phân đoạn còn lại được khôi phục cung cấp điện. Nếu sự cố
không nằm ở phân đoạn này thì ta lại tiếp tục chu trình loại trừ sự cố bằng việc tiếp
tục tách phân đoạn (n-1) ra khỏi đường dây, quá trình này được thực hiện cho tới
khi tìm được phân đoạn sự cố k. Máy cắt đầu đường dây đóng lại để cung cấp điện
cho các phân đoạn còn lại.
Do nhược điểm là đóng cắt không tải, không điều khiển từ xa được nên khi thao tác
phải cắt điện đầu nguồn và phải thao tác DCL tại chỗ. Do đó, thời gian thao tác lâu,
đặc biệt khi xảy ra sự cố trên đường dây, nếu không phát hiện được bằng mắt
thường phải đóng cắt thử từng DCL để phân đoạn cách ly điểm sự cố sẽ mất rất
nhiều thời gian. Đồng thời do phải đóng, cắt máy cắt nhiều lần sẽ làm giảm tuổi thọ
của máy cắt và giảm độ ổn định cung cấp điện. Tuy nhiên, vì các lý do kinh tế, tính
chất, yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện của các hộ phụ tait thì DCL vẫn được sử
dụng trên lưới, đặc biệt là các vùng ngoại thành, nông thôn.
-5-
(5)
Cầu dao phụ tải (CDPT)
Cầu dao phụ tải (CDPT) là thiết bị đóng và cắt được dòng điện phụ tải của lưới điện
phân phối phù hợp với dòng định mức của nhà chế tạo. Do khả năng đóng, cắt có tải
nên khi thao tác không cần phải cắt điện, tránh hiện tượng mất điện không cần thiết
của các phụ tải khi đổi nguồn, san tải v.v..
Điểm hạn chế của CDPT là không kết hợp được với các thiết bị điều khiển từ xa,
các thiết bị bảo vệ nên thời gian thao tác cô lập sự cố lâu do phải thao tác tại chỗ.
Tuy nhiên với ưu điểm đóng, cắt có tải, giá thành thấp, trong các trường hợp ngừng
điện kế hoạch, CDPT có ưu điểm hơn hẳn so với DCL nên được sử dụng phổ biến
trên lưới điện phân phối nước ta.
I.1.4
Tổn thất trên lưới điện phân phối
Theo thống kê của các công ty điện lực trên cả nước, tổn thất điện năng trên lươi
điện phân phối thông thường gấp từ 1,5-2 lần tổn thất trên đường dây truyền tải,
lượng điện năng tổn thất tập trung trên hai loại tổn thất đó là tổn thất kỹ thuật và tổn
thất thương mại.
Tổn thất kỹ thuật: Tổn thất kỹ thuật trên lưới điện phân phối chủ yếu trên dây dẫn
và các máy biến áp phân phối. Tổn thất kỹ thuật bao gồm tổn thất công suất tác
dụng và tổn thất công suất phản kháng. Tổn thất công suất phản kháng do từ thông
rò và gây từ trong các máy biến áp và cảm kháng trên đường dây. Tổn thất công
suất phản kháng chỉ làm lệch góc và ít ảnh hưởng đến tổn thất điện năng. Tổn thất
công suất tác dụng có ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất điện năng. Thành phần tổn
thất điện năng do tổn thất công suất tác dụng được tính như sau:
A P(t ).dt
(1)
Trong đó, P(t) là tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp tại
thời điểm t. Việc tính toán tổn thất điện năng theo công thức (1) thông thường được
thực hiện theo phương pháp dòng điện đẳng trị phụ thuộc vào đồ thị phụ tải hoặc
theo thời gian sử dụng công suất lớn nhất. Tổn thất công suất tác dụng bao gồm tổn
thất sắt do dòng điện Foucault trong lõi thép và tổn thất đồng do hiệu ứng Joule
trong máy biến áp. Các loại tổn thất này có các nguyên nhân chủ yếu như sau:
-
Đường dây phân phối quá dài, bán kính cấp điện lớn;
-6-
-
Tiết diện dây dẫn quá nhỏ, đường dây bị xuống cấp, không được cải tạo nâng
cấp;
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 cos 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);
Không thanh toán hoặc chậm thanh toán hóa đơn tiền điện;
Sai sót tính toán tổn thất kỹ thuật;
Sai sót thống kê phân loại và tính hóa đơn khách hàng.
Tổn thất phi kỹ thuật phụ thuộc vào cơ chế quản lý, quy trình quản lý hành chính,
hệ thống công tơ đo đếm và ý thức của người sử dụng. Tổn thất phi kỹ thuật cũng
một phần chịu ảnh hưởng của năng lực và công cụ quản lý bản thân các Điện lực,
trong đó có phương tiện máy móc, máy tính, phần mềm quản lý.
I.1.5
Các biện pháp giảm tổn thất công suất và bài toán tái cấu hình
Như đã đề cập ở trên, tổn thất trên lưới phân phối bao gồm tổn thất kỹ thuật và tổn
thất thương mại. Để giảm tổn thất thương mại cần thực hiện song song với các nỗ
lực giảm tổn thất kỹ thuật.
Các biện pháp chính để giảm tổn thất kỹ thuật trong lưới điện phân phối có thể được
liệt kê như sau:
1. Nâng cao điện áp vận hành của lưới điện;
2. Bù kinh tế trong lưới phân phối trung áp bằng tụ điện;
3. Tăng tiết diện dây dẫn, giảm bán kính cấp điện;
4. Chọn đúng dây dẫn để giảm tổn thất vầng quang;
5. Cải tiến cấu trúc và vật liệu để sản xuất các thiết bị điện có tổn thất nhỏ (vật
liệu siêu dẫn cách điện có chất lượng cao…);
-7-
6. Một số các biện pháp kỹ thuật cần được thực hiện trong các giai đoạn thiết
kế-quy hoạch hoặc cải tạo, đầu tư xây dựng công trình;
7. Áp dụng lưới điện linh hoạt cho lưới hệ thống và hệ thống phân phối điện có
điều khiển tự động cho lưới phân phối trung áp;
8. Hạn chế vận hành không đối xứng;
9. Tái cấu hình lưới điện.
Trong các biện pháp giảm tổn thất công suất và điện năng ở trên đều đòi hỏi phải có
vốn đầu tư hoặc việc xác định và phân tích các phương án vận hành tìm ra phương
án tối ưu rất khó khăn. Biện pháp tái cấu hình lưới điện thông qua việc chuyển tải
bằng cách đóng/mở các cặp thiết bị chuyển mạch không những không đòi hỏi vốn
đầu tư mà còn giúp giảm tổn thất điện năng đáng kể khi cân bằng tải giữa các tuyến
được thiết lập. Vì vậy bài toán tái cấu hình lưới phân phối nhằm giảm tổn thất công
suất đã và đang được quan tâm nghiên cứu, áp dụng mạnh mẽ.
I.2
Bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối
I.2.1
Mô hình toán học bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối
Để giải quyết bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối, trước tiên phải xây dựng
hàm mục tiêu. Khi thay đổi tái cấu hình lưới điện có rất nhiều hàm mục tiêu khác
nhau, như mục tiêu cực tiểu hóa tổn thất công suất trên toàn hệ thống, mục tiêu đảm
bảo chất lượng điện áp, v.v…
Vấn đề tái cấu hình hệ thống cũng tương tự như nhiều bài toán tối ưu khác, như bài
toán tính toán phân bố tối ưu công suất, tính toán tìm vị trí, dung lượng bù tối ưu,
v.v… Tuy nhiên yêu cầu một khối lượng tính toán của bài toán tái cấu hình là lớn
do có nhiều biến số tác động đến trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành như:
Lưới điện phân phối phải vận hành hở, không quá tải máy biến áp, đường dây, thiết
bị đóng cắt, v.v…và sụt áp tại các hộ tiêu thụ điện nằm trong giới hạn cho phép.
Mạng phân phối đặc trưng là mạng vòng nhưng vận hành hở có nghĩa là mạng vận
hành phải là mạng hình tia. Vấn đề tiếp theo là phải đóng mở các khóa trong mỗi
vòng sao cho tổn thất công suất trên mạng phân phối đặc trưng là nhỏ nhất. Để làm
được điều này ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm kiếm cấu hình cho tổn thất
công suất là nhỏ nhất.
-8-
Về mặt toán học, tái cấu hình lưới điện là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc theo
dòng công suất chạy trên các nhánh vấn đề này được trình bày như sau:
Hàm cực tiểu:
n
j 1
Plosse R j 1, j ( Pj2 Q 2j ) / V j2
(2.1)
j 1 j ni
Thõa mãn các điều kiện ràng buộc:
n
Sij S j
i 1
Sij Sijmax
Vij Vijmax
n
S S
ft
ft ft
ft 1
ft
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
(2.6)
Trong đó:
-
n
Sij
: Số nút tải có trên lưới
: Dòng công suất trên nhánh ij
-
Sj
: Nhu cầu công suất điện tại nút j
-
Vij
Sft
ft
: Sụt áp trên nhánh ij
: Dòng công suất trên đường dây ft
: Các đường dây được cung cấp điện từ máy biến áp t
-
ft
: Có giá trị là 1 nếu đường dây ft làm việc, là 0 nếu đường dây ft
không làm việc
Hàm mục tiêu (2.1) thể hiện tổng tổn thất công suất trên toàn lưới phân phối, có thể
đơn giản hóa hàm mục tiêu bằng cách xét dòng công suất nhánh chỉ có thành phần
công suất tải và điện áp các nút tải là hằng số. Biểu thức (2.2) đảm bảo cung cấp đủ
công suất theo nhu cầu các phụ tải. Biểu thức (2.3) và (2.4) là điều kiện chống quá
tải tại trạm trung gian và sụt áp tại nơi tiêu thụ. Biểu thức (2.5) đảm bảo rằng các
trạm biến thế hoạt động trong giới hạn công suất cho phép. Biểu thức (2.6) đảm bảo
mạng điện được vận hành với cấu hình tia. Với mô tả trên, tái cấu hình lưới điện
-9-
phân phối là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc. Hàm mục tiêu bị gián đoạn, rất
khó để giải bài toán tái cấu hình bằng phương pháp giải tích toán học truyền thống
và điều này còn gặp khó khăn hơn khi lưới điện không cân bằng.
I.2.2
Các giả thiết trong bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối
a. Không xét đến các thiết bị phản kháng
Để giảm tính phức tạp của bài toán, khi giải bài toán tái cấu hình không xét đến ảnh
hưởng của các thiết bị bù trên lưới. Sau khi tính cấu hình xong, bài toán lại quay lại
tính toán bù và vị trí bù mới tương ứng với cấu hình mới là một trong những đề xuất
được nhiều tác giả đề cập trong các bài báo đã được công bố.
b. Các thao tác đóng/cắt để trên lưới không gây mất ổn định của hệ thống điện.
c. Điện áp tại các nút tải không thay đổi và có giá trị xem bằng Uđm.
d. Độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối được xem là không đổi khi cấu
hình lưới thay đổi.
I.2.3
Các mục tiêu khi xét đến bài toán tái cấu hình lưới điện
Khi xét đến bài toán tái cấu hình lưới điện, có rất nhiều mục tiêu tái cấu hình khác
nhau, cụ thể như tái cấu hình để giảm tổn thất, tái cấu hình để đảm bảo chất lượng
điện áp, tái cấu hình để giảm dòng ngắn mạch, … Các hàm mục tiêu này đều hướng
đến các phương thức vận hành tốt nhất cho lưới phân phối.
Lưới phân phối trung áp có đặc điểm là số lượng phụ tải nhiều, công suất sử dụng
khá lớn đặc biệt là tại các khu vực đông dân cư, khu vực nội thành, do đó dòng công
suất truyền tải trên đường dây lớn, điện sử dụng lại không cao nên dòng điện trên
các dây dẫn có giá trị lớn gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt cao, nhiệt độ của dây dẫn trong
những lúc cao điểm có thể tăng cao làm tăng tổng trở của dây dẫn, làm tăng tổn thất
và giảm khả năng tải của đường dây.
Tổn thất công suất do quá tải cục bộ, trào lưu công suất trên đường dây không hợp
lý, có đường dây lại quá tải. Lượng tổn thất công suất do phân phối trào lưu công
suất không hợp lý hàng năm gây ra một lượng tổn thất điện năng đáng kể, làm giảm
khả năng tải và chất lượng điện năng của lưới điện phân phối trung áp. Vì thế bài
toán lựa chọn điểm phân đoạn hợp lý trong thiết kế và vận hành để giảm tổn thất
công suất luôn là bài toán quan trọng được quan tâm.
- 10 -
Hiện nay, vấn đề giảm tổn thất trên lưới phân phối đang là vấn đề được quan tâm
nghiên cứu, nhiều biện pháp để giảm tổn thất được đưa ra để nghiên cứu. Tuy
nhiên, trong các biên pháp giảm tổn thất thì biện pháp lựa chọn điểm phân đoạn hợp
lý tái cấu hình lưới phân phối theo các hàm mục tiêu khác nhau được đánh giá cao
và tốn kém ít kinh phí.
Trong phạm vi luận văn này chỉ xét đến mục tiêu tiêu giảm công suất tác dụng cho
bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối sử dụng kỹ thuật đổi nhánh – Branch
exchange method.
I.2.4
(1)
Tóm tắt một số phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối
Thuật toán cắt vòng kín [1]
Giải thuật của Merlin và Back: “Đóng tất cả các khóa điện lại tạo thành 1 vòng kín,
sau đó giải bài toán phân bố công suất và tiến hành mở lần lượt các khóa có dòng
chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện trở thành hình tia”. Ở đây Merlin và Back
cho rằng với mạch vòng, lưới điện phân phối luôn có mức tổn thất công 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 công suất nhỏ nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi lưới
điện đạt trạng thái vận hành hở. Các giải thuật tìm kiếm nhánh và biên ứng dụng kỹ
thuật heuristic này mất nhiều thời gian do có khả năng sẽ xẩy ra đến 2n cấu hình
nếu có n đường dây được trang bị khóa điện. Hình I.1 thể hiện giải thuật của Merlin
và Back, đã được Shirmohammadi bổ sung.
- 11 -
Hình I.1. Giải thuật của Merlin và Back
Giải thuật này chỉ khác so với các giải thuật gốc của Merlin và Back ở chỗ có xét
đến điện thế của trạm trung gian và yếu tố liên quan đến dòng điện.
Giải thuật của Merlin và Back được Shirmhammad chỉnh sửa 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 thay đổi cấu hình của lưới điện phân phối hoạt động hở về mặt vật lý nhưng về
mặt toán học là mạch vòng. Dòng công suất bơm vào và rút ra là một đại lượng liên
tục. Sau khi chỉnh sửa kỹ thuật này vẫn còn bộc lộ nhiều nhược điểm như:
- 12 -
-
Mặc dù đã áp dụng các kỹ thuật tìm kiếm kinh nghiệm, giải thuật này vẫn
cần nhiều thời gian để tìm cấu hình giảm tổn thất công suất;
Tính chất không cân bằng và nhiều nhiều pha chưa được mô phỏng đầy đủ;
Tổn thất công suất của máy biến áp chưa được xét đến trong giải thuật.
Thuật toán đổi nhánh [2]
(2)
Phương pháp kỹ thuật đổi nhánh-Branch exchange method được bắt đầu với giả
thiết là lưới phân phối vận hành với cấu hình hình tia, một khóa điện đóng lại và
đồng thời một khóa điện khác trong mạch vòng mở ra đảm bảo cấu hình hình tia của
lưới điện. Cặp khóa điện được chọn nhờ kinh nghiệm và công thức xấp xỉ để đánh
giá sự thay đổi của tổn thất trong mỗi lần thay đổi trạng thái đóng cắt của cặp khóa.
Phương pháp thay đổi nhánh sẽ dừng lại khi không thể giảm được tổn thất nữa.
Phương pháp này yêu cầu sự phân tích, đánh giá dòng công suất trên toàn bộ hệ
thống tại thời điểm tính toán. Sự thay đổi tổn thất công suất nhờ thay đổi trạng thái
đóng cắt của cặp khóa điện được tính toán qua công thức:
P(t ) Re 2 I i ( EM EN )* Rloop
iD
I
iD
2
i
(2.7)
Trong đó:
-
D
: là tập các nút tải được dự kiến chuyển tải
-
Ii
EM
EN
Rloop
: dòng điện tiêu thụ của nút thứ i
: tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút M
: tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút N
: tổng trở các điện trở trên vòng kín khi đóng khóa điện đang mở
Giải thuật của Civanlar dựa trên kinh nghiệm (Heuristic) để tái cấu hình lưới điện
phân phối, lưu đồ mô tả giải thuật được trình bày tại Hình I.2.
Giải thuật của Civanlar được đánh giá cao nhờ xác định được 2 quy 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 khóa 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.
- 13 -
Hình I.2. Sơ đồ giải thuật Civanlar
Các ưu điểm của giải thuật:
-
Nhanh chóng xác định được phương án tái cấu hình có mức tổn thất nhỏ hơn
bằng cách giảm số liên kết đóng cắt nhờ các quy tắc luật Heuristic;
Việc xác định dòng tải tương đối chính xác.
Tuy nhiên, giải thuật cũng còn nhiều nhược điểm cần khắc phục:
- 14 -
(3)
Mỗi bước tính toán chỉ xem xét 01 cặp khóa điện trong 01 vòng;
Chỉ đáp ứng được nhu cầu giảm tổn thất, chứ chưa giải quyết được bài toán
cực tiểu hóa hàm mục tiêu;
Việc tái cấu hình hệ thống phụ thuộc vào cấu hình xuất phát ban đầu.
Thuật toán tìm ngược Backtracking [3]
Thuật toán – Backtracking – được Thomas E.MacDermott nghiên cứu và phát triển
năm 1998, thuật toán này cũng là 1 trong những bài toán “mở lần lượt các thiết bị
đóng cắt phân đoạn – sequential switch opening method” nhưng xuất phát điểm lại
ngược lại so với thuật toán cắt vòng kín của Shirmohammadi.
Thuật toán Backtracking gồm các bước như sau:
Bước 1: Mở tất cả các khóa điện, mỗi khóa điện được xem là một kết nối giữa các
phụ tải với nhau hay giữa nguồn với phụ tải.
Bước 2: Tìm cách gắn lần lượt từng phụ tải vào hệ thống qua một khóa điện duy
nhất, khóa điện này sẽ có trạng thái đóng. Các phụ tải có quyền lựa chọn xem việc
nối với nguồn nào để có tổn thất công suất nhỏ nhất.
Bước 3: Tải sau khi được nối vào hệ thống sẽ trở thành nguồn cho các tải kế tiếp
xem xét để kết nối ( điều này đảm bảo mỗi tải chỉ được cung cấp điện từ một nguồn
duy nhất – điều kiện cấu hình vận hành hình tia).
Bước 4: Quá trình hình thành lưới điện sẽ kết thúc khi tất cả các phụ tải đều được
cung cấp điện. Các khóa điện mở là các khóa còn lại trong hệ thống.
Phương pháp này của Thomas E.MacDermott đã chứng minh được tính đúng đắn
khi đi giải các bài toán mẫu đã được chứng minh như bài toán Civanlar hai nguồn,
ba nguồn, bài toán Glamocanin, bài toán Baran và Wu ... đều cho ra kết quả trùng
lặp với các phương pháp khác, điều đó chứng tỏ sự đúng đắn của giải thuật.
Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn bị hạn chế là khi lưới điện phân phối lớn với
rất nhiều nút và nhiều nguồn cung cấp thì phương pháp này tính toán và phân tích
kết quả của từng nhánh và từng nút trong lưới do đó khối lượng tính toán lớn, kết
quả đưa ra còn chậm.
- 15 -
