Ứng dụng mạng nơ ron điều khiển công suất phản kháng trong lưới phân phối nhằm giảm tổn thất điện trong lưới phân phối có xét ảnh hưởng của đồ thị phụ tải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ XUÂN TÙNG

ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN
KHÁNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI NHẰM GIẢM TỔN THẤT
ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG
CỦA ĐỒ THỊ PHỤ TẢI
CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
HỆ THỐNG ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHAN ĐĂNG KHẢI
HÀ NỘI 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ XUÂN TÙNG

ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN
KHÁNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI NHẰM GIẢM TỔN THẤT
ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG
CỦA ĐỒ THỊ PHỤ TẢI
CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
HỆ THỐNG ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHAN ĐĂNG KHẢI
HÀ NỘI 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ XUÂN TÙNG

VŨ XUÂN TÙNG

HỆ THỐNG ĐIỆN

ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN
KHÁNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI NHẰM GIẢM TỔN THẤT
ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG
CỦA ĐỒ THỊ PHỤ TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
HỆ THỐNG ĐIỆN

2009-2011
Hà Nội – Năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ XUÂN TÙNG

ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI NHẰM GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN TRONG
LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỒ THỊ PHỤ TẢI

CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHAN ĐĂNG KHẢI

Hà Nội – Năm 2011


i

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Phan Đăng Khải, người đã
tận tình hướng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo và cán bộ Khoa Điện và Bộ môn Hệ
thống điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong những năm học
tập vừa qua.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người luôn
tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và trong thời gian làm luận
văn.


Luận văn Thạc sỹ khoa học

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Các kết quả tính toán nêu trong
luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn nào
khác.
Hà Nội, tháng 9 năm 2011

Tác giả luận văn

Vũ Xuân Tùng

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU
Chương I: LƯỚI PHÂN PHỐI VÀ VẤN ĐỀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

1. Lưới phân phối ..................................................................................................................... 3
1.1 Phân phối theo một cấp điện áp trung áp........................................................................ 3
1.3. Đặc điểm chung của lưới phân phối .............................................................................. 4
1.4. Đặc điểm của lưới phân phối Việt Nam hiện nay ......................................................... 5
2. Tổn thất điện năng ................................................................................................................ 5
2.1 Thực trạng về tổn thất điện năng .................................................................................... 5
2.2 Khái quát một số phương pháp tính tổn thất điện năng .................................................. 6
3. Các biện pháp giảm tổn thất điện năng............................................................................... 11
3.1 Đối với đường dây. ....................................................................................................... 11

3.2 Đối với máy biến áp ..................................................................................................... 12
3.3. Giảm tổn thất điện năng trong vận hành ..................................................................... 12
Chương II: KHÁI QUÁT VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1. Công suất phản kháng trên lưới phân phối ...................................................................... 14
2.1.1.Khái niệm về công suất phản kháng .......................................................................... 14
2.1.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng .............................................................................. 15
2.1.3 Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện ................................................ 16
2.1.4 Ảnh hưởng của tụ bù đến tổn thất điện năng trong lưới phân phối. .......................... 18
2.1.5. Các lợi ích khi thực hiện bù công suất phản kháng .................................................. 19
2.2. Khái quát một số phương pháp tính bù công suất phản kháng ........................................ 20
2.2.1. Mô hình tính bù theo cực tiểu tổn thất công suất ..................................................... 20
2.2.2. Mô hình tính bù theo điều kiện cực tiểu tổn thất điện năng ..................................... 20
2.2.3. Mô hình tính bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp .................................................. 20
2.2.4 Mô hình tính bù theo điều kiện cực tiểu các chi phí.................................................. 21
2.2.5 Mô hình tính bù theo chỉ tiêu tối đa hóa các tiết kiệm .............................................. 22
2.2.6. Mô hình tính bù theo giá trị hệ số cosφ2 cần đạt được ............................................ 22
Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

iv
2.2.7. Tự động điều chỉnh dung lượng bù công suất phản kháng....................................... 22

2.3 Kết luận. ........................................................................................................................... 23
Chương III: THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG
VIỆC GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

3.1. Vai trò của thiết bị bù ngang ........................................................................................... 24

3.2. Thiết bị bù ngang tĩnh có điều khiển – SVC ................................................................... 25
3.2.1. Cuộn cảm được điều khiển bằng Thyristor .............................................................. 25
3.2.2. Bộ tụ đóng ngắt bằng thyristor (TSC) ...................................................................... 26
3.3. Nguyên tắc chung điều khiển SVC giảm tổn thất điện năng ........................................... 28
3.4. Đặc tính điều chỉnh của SVC .......................................................................................... 29
3.5 Kết luận. ........................................................................................................................... 33
Chương IV: TỔNG QUAN VỀ LOGIC MỜ VÀ MẠNG NORON

4.1. Logic mờ.......................................................................................................................... 34
4.1.1. Tập mờ ...................................................................................................................... 34
4.1.2. Luật hợp thành mờ .................................................................................................... 37
4.1.3. Giải mờ ..................................................................................................................... 40
4.2. Bộ điều khiển mờ ............................................................................................................ 43
4.2.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản .......................................................................................... 43
4.2.2. Các nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ ...................................................... 44
4.3. Mạng nơron ..................................................................................................................... 46
4.3.1. Mô hình của mạng nơ ron nhân tạo .......................................................................... 46
4.3.2. Cấu tạo của mạng nơ ron .......................................................................................... 48
4.3.3. Các trạng thái làm việc của mạng nơ ron ................................................................. 49
4.3.4. Một số mô hình mạng nơ ron ................................................................................... 51
4.4. Ứng dụng mạng nơ ron trong điều khiển......................................................................... 56
4.4.1. Khả năng ứng dụng................................................................................................... 56
4.4.2. Các bước thiết kế mạng nơ ron ứng dụng ................................................................ 56
4.5. Ghép nối bộ điều khiển mờ và mạng nơ ron ................................................................... 57
Chương V: ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON VÀ LÔGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN BỘ BÙ TĨNH SVC
THEO ĐỒ THỊ PHỤ TẢI

5.1. Phân tích bài toán bù công suất phản kháng cho đường dây trung áp 1 phụ tải.............. 59
5.2. Khả năng mô phỏng Hệ thống điện trên Simulink .......................................................... 60
5.2.1. Giới thiệu về simulink .............................................................................................. 60

5.2.2. Khả năng mô phỏng hệ thống điện trong simulink .................................................. 60
5.3. Mô phỏng hệ thống trên sumilink ................................................................................... 62
Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

v
5.3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng ................................................................................... 62
5.3.2. Tiến hành mô phỏng ................................................................................................. 66

5.5. Ứng dụng mạng nơ ron – mờ ANFIS để điều khiển lượng Công suất phản kháng Qbù
theo (PT; QT) ........................................................................................................................... 67
5.5.1. Giới thiệu chung về ANFIS ...................................................................................... 67
5.5.2. Quá trình huấn luyện của mạng nơ ron – mờ ANFIS trên phần mềm matlab .......... 69
5.5.3. Ứng dụng mạng nơ ron – mờ ANFIS để giải bài toán tính Qb ................................. 72
5.6. Mô phỏng hệ thống điều khiển bộ tụ bù tĩnh dùng mạng nơ ron – mờ trên phần mềm
simulink .................................................................................................................................. 74
5.6.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống ......................................................................................... 74
5.7 Ứng dụng điều khiển dung lượng tụ bù cho cho xuất tuyến 133-C6 Trạm trung gian
Gang Thép. ............................................................................................................................. 78
KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................................................94
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................................................95
PHỤ LỤC ................................................................................................................................................97

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

TCR

Thyristor Controlled Reactor

Cuộn cảm điều khiển bằng thyristor

TSC

Thyristor Switched Capacitor

Tụ đóng cắt bằng thyristor

SVC

Static Var Compensator

Bộ bù công suất tĩnh

MISO

Multy Input Single Output

Nhiều đầu vào, một đầu ra

SISO

Single Input Single Output

Một tín hiệu đầu vào, một tín hiệu đầu ra

MPL

Multy Layer Perceptron

Mạng nhiều lớp

ANFIS

Adaptive Neuro-Fuzzy
Inference Systems

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Tên và nội dung bảng

trang

Bảng 4.1. Bảng luật điều khiển

49

Bảng 5.1: Kết quả tính bù công suất phản kháng cho phụ tải ví dụ hình 5.1
ứng với 24h giờ trong ngày.

79

Bảng 5.2. Thông số trạm và phụ tải

84

Bảng 5.3. Thông số đường dây lộ 133

85

Bảng 5.4. Thông số cơ bản của ngày điển hình

88

Bảng 5.5: Kết quả tính bù công suất phản kháng cho phụ tải bằng mạng nơ
ron mờ ví dụ hình 5.18 ứng với 24h giờ trong ngày.

90

Bảng 5.6: Phân phối dung lượng bù trong các nhánh

93

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tên và nội dung hình vẽ, đồ thị

trang

Hình 1.1. Sơ đồ khối lưới phân phối theo một cấp điện áp trung áp

3

Hình 1.2. Sơ đồ khối lưới phân phối theo hai cấp điện áp trung áp

4

Hình 1.3. Đồ thị biến thiên của dòng điện theo thời gian

6

Hình 1.4a: Đồ thị phụ tải được chữ nhật hóa

6

Hình 1.4b. Đồ thị phụ tải được hình thang hóa

6

Hình 1.5. Đồ thị phụ tải dòng điện theo thời gian T

7

Hình 1.6. Đồ thị dòng điện trung bình bình phương Itb

7

Hình 1.7. Xác định thời gian sử dụng công suất cực đại Tmax

9

Hình 1.8. Xác định thời gian tổn thất công suất cực đại τmax

9

Hình 2.1. Mạch điện có tải R và X

14

Hình 2.2. Quan hệ giữa công suất P và Q

15

Hình 2.3. Lưới điện khi chưa đặt thiết bị bù

18

Hình 2.4. Lưới điện đã đặt tụ bù

19

Hình 3.1. Cấu tạo và đặc tính ra TCR

25

Hình 3.2. Tụ đóng ngắt bằng thyrristor

27

Hình 3.3. Đường dây đặt SVC tại cuối nguồn

28

Hình 3.4. TCR trong SVC

29

Hình 3.5. Dạng sóng dòng điện I theo góc mở α

30

Hình 3.6. Dạng sóng của dòng điện đi qua TCR

31

Hình 3.7. Đặc tính điều chỉnh của TCR

32

Hình 4.1. Hàm phụ thuộc của tập mờ F

34

Hình 4.2. Mô tả các giá trị ngôn ngữ bằng tập mờ

37

Hình 4.3. Quy tắc hợp thành min

38

Hình 4.4. Quy tắc hợp thành Prod

39

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

ix

Hình 4.5. Giải mờ bằng phương pháp cực đại

41

Hình 4.6. Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm

41

Hình 4.7. Hàm thuộc đầu ra có dạng hình thang

42

Hình 4.8. Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ cơ bản

43

Hình 4.9. Cấu trúc của nơ ron sinh học

46

Hình 4.10. Mô hình nơ ron có m đầu vào và một đầu ra

47

Hình 4.11. Cấu trúc mạng nơ ron

49

Hình 4.12. Mạng nơ ron truyền thẳng một lớp

51

Hình 4.13. Mạng MLP truyền thẳng

52

Hình 4.14. Mạng nơ ron hai lớp truyền thẳng

53

Hình 4.15. Các bước thiết kế mạng nơ ron ứng dụng

56

Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lý đường dây trung áp

59

Hình 5.2. Đồ thị phụ tải P, Q của đường dây

59

Hình 5.3. Các khối trong SimPowerSystems trong thư viện sumilink

61

Hình 5.4. Các nguồn trong khối nguồn

61

Hình 5.5. Thư viện Elements

62

Hình 5.6. Sơ đồ mô phỏng mạch điện hình 5.1 trên matlap

63

Hình 5.7. Cấu tạo khối TCR

65

Hình 5.8. Quan hệ Qbù và α khi α thay đổi từ 900 đến 1800

66

Hình 5.9. Mô hình bộ phát xung

66

Hình 5.10. Cửa sổ khai báo mô phỏng

67

Hình 5.11. Cấu trúc mô hình anfis đơn giản

68

Hình 5.12. Quá trình huấn luyện trong mạng

69

Hình 5.13. Quá trình tính toán cơ bản trong ANFIS

71

Hình 5.14. Cấu trúc mạng nơ ron mờ của bài toán

72

Hình 5.15. Tín hiệu đầu vào

73

Hình 5.16. Các luật điều khiển

73

Hình 5.17. Hiển thị các tập mờ đầu ra

74

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

x

Hình 5.18. Mô phỏng hệ thống hệ thống có SVC có bộ điều khiển bằng

mạng nơ ron – mờ

75

Hình 5.19. Đồ thị phụ tải P, Q của đường dây khí chưa bù va khi có bù

76

Hình 5.20. Sơ đồ nguyên lý đường dây 133

79

Hình 5.21. Sơ đồ mạch điện tương đương hình 5.18

82

Hình 5.22. Sơ đồ thay thế tính toán

82

Hình 5.23. Sơ đồ mô phỏng mạch điện tương đương hình 5.22 trên matlap

84

Hình 5.24. Sơ đồ mô phỏng hệ thống SVC điều khiển dung lượng bù trên
sơ đồ đẳng trị theo đồ thị phụ tải bằng mạng nơ ron mờ

85

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009

Luận văn Thạc sỹ khoa học

1

MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn đề tài
Cùng với quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước nhu cầu tiêu dùng
điện ngày càng tăng cao, theo Tổng sơ đồ VII dự báo đến năm 2015 nhu cầu điện năng
là 194 ÷ 210 tỷ kWh; năm 2020 là 330 ÷ 362 tỷ kWh và năm 2030 là 695 ÷ 834 tỷ
kWh. Vấn đề đặt ra là phải tận dụng hết khả năng của các nhà máy điện để sản xuất ra
được nhiều điện nhất, đồng thời về mặt dùng điện phải hết sức tiết kiệm điện, giảm tổn
thất điện năng đến mức nhỏ nhất, phấn đấu để một kWh điện ngày càng làm ra nhiều
sản phẩm hoặc chi phí điện năng cho một đơn vị sản phẩm ngày càng giảm.
Tính chung cho toàn hệ thống điện thường có 10-15% năng lượng được phát ra
bị mất mát trong quá trình truyền tải và phân phối. Vấn đề chống tổn thất cho lưới
phân phối có nhiều biện pháp khác nhau, trong đó bù công suất phản kháng lưới điện
phân phối, thường được sử dụng. Việc bù công suất phản kháng có tác dụng như sau:
+ Bù công suất phản kháng sẽ làm tăng khả năng phát cho các nhà máy điện,
tăng khả năng tải cho các phần tử mang điện, giảm tổn thất công suất góp phần khắc
phục thiếu điện.
+ Bù công suất phản kháng sẽ giảm chi phí đầu tư nguồn và nâng cấp lưới điện,
giảm tổn thất điện năng góp phần bình ổn giá điện.
Để giảm tổn thất điện năng, việc áp dụng tiến bộ khoa học trong công nghệ bán
dẫn vào lĩnh vực sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng có ý nghĩa vô cùng quan
trọng. Các ứng dụng này đặc biệt rõ nét trong việc tạo ra một nguồn công suất phản
kháng có giá trị thay đổi linh hoạt đảm bảo đáp ứng sự biến thiên của phụ tải, sự thay
đổi các thông số của hệ thống. Để tạo ra nguồn cung cấp công suất phản kháng đảm
bảo các yêu cầu trên, người ta dùng các bộ bù tĩnh (SVC) có công suất phản kháng ở

ngõ ra thay đổi liên tục. SVC là sự kết hợp từ các phần tử TCR, TSC, TSR và một bộ
điều khiển phù hợp với mục đích sử dụng. Khi sử dụng SVC sẽ đảm bảo sự cân bằng
công suất phản kháng trong hệ thống, do đó chất lượng điện năng được nâng cao, giá
trị điện áp tại các nút phụ tải được giữ ổn định, làm giảm tổn thất cũng như nâng cao
hiệu quả truyền tải trên các đường dây.
Với đề tài “Ứng dụng mạng nơron điều khiển công suất phản kháng trong lưới
phân phối nhằm giảm tổn thất điện năng trong lưới phân phối có xét ảnh hưởng của đồ
thị phụ tải”. Tác giả mong muốn đóng góp một phần nhỏ trong công tác tìm tòi nghiên
cứu của mình vào việc tính toán tổn thất kỹ thuật và đề xuất phương pháp giảm tổn
thất điện năng trên lưới phân phối, góp phần vào vận hành kinh tế lưới điện phân phối.
Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

2

II. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu tổng quan về lưới phân phối, các thiết bị bù. Phương pháp tính bù
công suất phản kháng và các phương pháp tính tổn thất điện năng để có giải pháp khai
thác hiệu quả lưới điện phân phối góp phần giảm tổn thất kỹ thuật nâng cao hiệu quả
truyền tải trên các đường dây.
Xem xét khả năng ứng dụng mạng nơ ron trong việc điều khiển dung lượng bù
của SVC theo đồ thị phụ tải nhằm mục tiêu giảm tổn thất điện năng.
III. Đối tượng nghiên cứu, phạm vi đề tài
Nghiên cứu việc bù công suất phản kháng trong lưới và các phương pháp tính
tổn thất điện năng. Đồng thời tìm hiểu xây dựng bộ điều khiển nơ ron cho thiết bị bù
tĩnh SVC, mô phỏng, viết chương trình trên phần mềm Matlab thông qua công cụ
Simulink.
IV. Bố cục của luận văn

Với mục tiêu và phạm vi nghiên cứu nêu trên luận văn bố cục thành 5 chương:
Chương I: Lưới phân phối và vấn đề tổn thất điện năng
Chương II: Khái quát về bù công suất phản kháng trong hệ thống điện
Chương III: Thiết bị bù ngang có điều khiển và khả năng ứng dụng trong việc
giảm tổn thất điện năng.
Chương IV: Tổng quan về logic mờ và mạng nơ ron
Chương V: Ứng dụng mạng nơ ron và lôgic mờ điều khiển bộ bù tĩnh SVC theo
đồ thị phụ tải.
V. Ý nghĩa khoa học của luận văn
Các vấn đề đề cập trong luận văn cho thấy việc bù công suất phản kháng và ứng
dụng mạng nơ ron trong điều khiển bộ bù tĩnh trong hệ thống điện mang lại hiệu quả
hữu hiệu cho việc giảm tổn thất điện năng trong lưới phân phối.
Với năng lực hạn chế của bản thân cũng như các nguyên nhân khách quan, chủ
quan khác, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong được sự góp ý
của quý thầy cô, các bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Tác giả
xin chân thành cảm ơn các thầy giáo và cô giáo trong Bộ môn Hệ thống điện Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội, các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận
lợi trong thời gian thực hiện luận văn. Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
với Thầy giáo TS. Phan Đăng Khải đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp tác giả xây
dựng và hoàn thành luận văn này.

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

3

CHƯƠNG I
LƯỚI PHÂN PHỐI VÀ VẤN ĐỀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

1. Lưới phân phối
Lưới phân phối thực hiện nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian
(trạm khu vực hoặc thanh cái nhà máy điện) cho các phụ tải với bán kính nhỏ.
Lưới phân phối gồm 2 phần:
- Lưới phân phối trung áp có điện áp 35kV, 22kV, 10kV, 6kV phân phối điện
cho các trạm trung áp / hạ áp và các phụ tải trung áp.
- Lưới hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 380/220V;
Phương thức cung cấp điện của lưới phân phối thường có hai dạng: Phân phối
theo một cấp điện áp trung áp và phân phối theo hai cấp điện áp trung áp.
1.1 Phân phối theo một cấp điện áp trung áp
- Trạm nguồn có thể là trạm tăng áp của các nhà máy địa phương hoặc trạm
phân phối khu vực có các dạng CA/TA(110/35-22-10-6kV)
- Trạm phân phối nhận điện từ trạm nguồn qua lưới trung áp, sau đó điện năng
được phân phối tới các hộ phụ tải qua mạng điện hạ áp, có dạng TA/HA ( 35-22-106/0,4kV)
Mạng trung áp

Mạng trung áp
(Trạm nguồn)

Mạng hạ áp

Trạm phân phối

Mạng hạ áp
(Hộ phụ tải)

Hình 1.1. Sơ đồ khối lưới phân phối theo một cấp điện áp trung áp

1.2. Phân phối theo hai cấp điện áp trung áp
- Trạm nguồn là trạm tăng áp của các nhà máy điện địa phương hoặc trạm phân

phối khu vực, thường có các dạng CA/TA(110/35kV) hoặc TA1/TA2(35/22-10-6kV)
- Trạm phân phối trung gian có dạng TA1/TA2 (35/22-10-6kV)
- Trạm phân phối hạ áp có dạng TA/HA(22-10-6/0,4kV)

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

4

Mạng phân phối 1 và phân phối 2

Trạm phân
phối hạ áp

Trạm nguồn

Mạng phân phối 1

Trạm phân
phối trung gian

Mạng phân phối 2

Hộ phụ tải

Mạng hạ áp

Hình 1.2. Sơ đồ khối lưới phân phối theo hai cấp điện áp trung áp

Kết cấu lưới phân phối có ảnh hưởng rất lớn tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của toàn
hệ thống điện như:
- Độ tin cậy cung cấp điện
- Độ dao động điện áp tại các hộ phụ tải
- Tổn thất điện năng: ở lưới phân phối thường có tổn thất điện năng tới gấp 3 tới
4 lần lưới truyền tải
- Chi phí đầu tư xây dựng: chi phí đầu tư xây dựng ở lưới phân phối thường từ
1,5 tới 2,5 lần so với lưới truyền tải
- Xác suất ngừng cung cấp điện: Xác suất ngừng cung cấp điện ở lưới phân
phối thường lớn hơn nhiều lần ở lưới truyền tải do kết cấu lưới phân phối rất phức tạp
1.3. Đặc điểm chung của lưới phân phối
Lưới phân phối có một số đặc điểm chung như sau:
- Phụ tải của lưới phân phối đa dạng và phức tạp
- Lưới phân phối thường có hình tia. Chế độ vận hành bình thường của lưới
phân phối là vận hành hở
- Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện người ta có thể sử dụng cấu trúc mạch
vòng nhưng thường vận hành ở chế độ hở. Trong mạch vòng các đường dây thường
được liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc máy cắt điện. Các thiết bị này vận hành
ở vị trí mở. Khi cần sửa chữa hoặc sự cố thì việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu
dài nhờ việc chuyển đổi phương thức cung cấp điện
- So với mạng hình tia, mạng mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn. Tuy nhiên
mạnh vòng lại tồn tại nhiều vấn đề phức tạp về bảo vệ rơ le và hiệu quả khai thác
mạch vòng kín so với mạch hình tia thấp hơn với cùng lượng vốn đầu tư.
Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

5

- Trong những năm gần đây, do sự phát triển nhanh chóng các thiết bị có công
nghệ cao và các thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện – tăng tiết diện dẫn
và bù công suất phản kháng nên chất lượng điện năng trong mạng hình tia đã được cải
thiện đáng kể. Kết quả của các công trình nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành
cho thấy rằng hiện nay lưới phân phối hình tia vẫn còn được sử dụng phổ biến.
1.4. Đặc điểm của lưới phân phối Việt Nam hiện nay
Lưới phân phối Việt Nam hiện nay tồn tại nhiều cấp điện áp như 35, 22, 10, 6
kV, kết cấu lưới rất phức tạp gây khó khăn lớn trong vận hành và sửa chữa. Phương
thức cấp điện hỗn hợp cả hai mô hình một cấp điện áp và hai cấp điện áp trung áp
cũng góp phần tăng thêm độ phức tạp của lưới phân phối.
Các thiết bị điện, phụ tải điện vận hành trên lưới chưa được quy định chặt chẽ
về các chỉ tiêu kỹ thuật (các thông số kỹ thuật, hiệu suất, hệ số công suất, chế độ làm
việc, sóng hài, các chương trình quản lý, …) để đảm bảo chất lượng lưới.
Phần lớn lưới phân phối Việt Nam tồn tại lưới hình tia. Tiết diện dây dẫn nhỏ,
sử dụng nhiều chủng loại dây trên một đường dây. Các đường dây thường có khoảng
cách lớn, mang tải lớn quá khả năng tải của cấp điện áp đang sử dụng.
Những đặc điểm nêu trên dẫn tới chất lượng cung cấp điện chưa cao, chất lượng
điện năng không đảm bảo: Độ sụt áp lớn, sóng hài cao, tổn thất lớn, sự cố xảy ra
nhiều.
2. Tổn thất điện năng
Tổn thất điện năng là tổn thất sinh ra do tính chất vật lý của quá trình tải điện,
tổn thất này phụ thuộc vào tính chất của dây dẫn và vật liệu cách điện, điều kiện môi
trường, dòng điện và điện áp.
2.1 Thực trạng về tổn thất điện năng
Đối với lưới điện phân phối tổn thất điện năng chiếm một lượng đáng kể
khoảng 60-70% tổng tổn thất trên toàn hệ thống, do khối lượng dây và trạm biến áp
lớn, dây dẫn nhỏ, dòng điện đi qua lớn, điện áp đã được hạ thấp. Mặt khác do điện áp
thấp lên yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật, công nghệ, yêu cầu về đầu tư cũng bị giảm so với
lưới điện truyền tải điện áp cao.

Tổn thất điện năng có ảnh hưởng rất lớn đến chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của hệ
thống điện. Các biện pháp làm giảm tổn thất điện năng không những có ý nghĩa làm hạ
giá thành sản xuất điện, mà còn góp phần khai thác hiệu quả các công trình điện, giảm
chi phí đầu tư xây dựng nhà máy phát điện, tiết kiệm điện năng cũng chính là tiết kiệm
nguồn năng lượng sơ cấp, nguồn tài nguyên thiên nhiên đang ngày càng cạn kiệt.
Chính vì vậy lưới điện phân phối cần biện pháp giảm tổn thất, nâng cao chất
lượng điện năng.
Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

6

2.2 Khái quát một số phương pháp tính tổn thất điện năng
2.2.1 Phương pháp phân tích đồ thị
2.2.1.1 Đồ thị phụ tải cho ở dạng dòng điện
I

t
Hình 1.3: Đồ thị biến thiên của dòng điện theo thời gian

Với hệ tọa độ I – t. Chia trục hoành (t) thành n đoạn bằng nhau với độ
t
n

dài ∆t = , như vậy việc xác định biểu đồ phụ tải thực tế bằng việc tính diện tích các
hình chữ nhật ( hình 1.4a) hay hình thang ( hình 1.4b)

I

I

t

t
∆t
Hình 1.4a: Đồ thị phụ tải được chữ nhật hóa

Hình 1.4b: Đồ thị phụ tải được hình thang
hóa

Tổn thất điện năng tính theo dạng đồ thị phụ tải đã cho ở các dạng hình 1.4a sẽ
bằng:
T

n

0

t =1

∆A = 3R ∫ I t2 .dt = 3R.∑ I t2 .∆t = 3R.

t n 2
∑ It
n 1

(1.1)

Tổn thất điện năng tính theo dạng đồ thị phụ tải đã cho ở dạng hình 1.4b sẽ
bằng:
Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học
T

∆A = 3R ∫ I t2 .dt = 3R.
0

7
n −1
t 2
( I 0 + I n2 + 2∑ I t2 )
2n
t =1

(1.2)

Khi I 0 = I n công thức 1.2 sẽ nhận được dạng công thức 1.1
Theo phương pháp này thứ nguyên của dòng điện tính bằng (A) tổn thất điện
năng tính bằng (kWh) thì công thức 1.1 sẽ được tính theo công thức 1.3 sau:
∆A = 3R.10−3.

t n 2
∑ It
n 1

(1.3)

Công thức 1.3 sẽ được tính theo công thức 1.4 sau:
n −1
t
∆A = 1,5 R.10−3 ( I 02 + I n2 + 2∑ I t2 )
n
t =1

(1.4)

2.2.1.2. Đồ thị phụ tải cho ở dạng công suất toàn phần
Hình dạng đồ thị và cách tính tương tự như trên, công thức tính tổn thất điện
năng sẽ tính như sau:
∆A = R.10−3

t n St 2
∑( )
n 1 Un

(1.5)

2
2
2
n −1
⎛ St ⎞ ⎤
t ⎡⎛ S 0 ⎞ ⎛ S n ⎞
⎢⎜ ⎟ + ⎜
Hoặc: ∆A = R.10
⎟ + 2∑ ⎜ ⎟ ⎥

2n ⎢⎝ U 0 ⎠ ⎝ U n ⎠
t =1 ⎝ U t ⎠ ⎥
⎣
⎦
−3

(1.6)

Trong đó thứ nguyên của công suất S là (kVA), điện áp U là (kV) tổn thất điện
năng ∆A là (kWh)
2.2.2 Phương pháp dòng điện trung bình bình phương
Dòng điện trung bình bình phương Itb là dòng điện quy ước có giá trị không đổi,
chạy trên đường dây trong suốt thời gian khảo sát T và gây nên tổn thất điện năng
bằng tổn thất điện năng do dòng điện làm việc gây ra (hình 1.5 và 1.6)
I2

I

I2tb

T
Hình 1.5: Đồ thị phụ tải dòng điện theo thời
gian T
Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009

t

T

t

Hình 1.6: Đồ thị xác định dòng điện trung bình
bình phương Itb


Luận văn Thạc sỹ khoa học

8

T

Nghĩa là: ∆A = 3R ∫ I t2 .dt = 3R.I tb2 .T

(1.7)

0

T

Từ công thức 1.7 ta có: I =
2
tb

∫I

2
t

.dt

(1.8)

0

T

Như vậy dòng điện trung bình bình phương sẽ là:
T

I tb =

∫I

2
t

.dt

(1.9)

0

T

Tính toán Itb cũng giống như phương pháp tích phân đồ thị phụ tải. Tích phân ở
biểu thức (1.9) được tính tương tự theo biểu thức (1.1) và (1.2) tức là:
T

n

0

t =1

2
2
∫ It .dt = ∑ It .∆t =

t n 2
∑ It hay
n 1

T

2
∫ It .dt =
0

n −1
t ⎛ 2
⎞
2
2
I
I
I t2 ⎟
+
+
∑
0

n
⎜
2n ⎝
t =1
⎠

Nếu đã biết giá trị dòng điện Itb thì tổn thất điện năng trên đường dây tính theo
biểu thức:
∆A = 3R.I tb2 .T .10−3 (kWh)

(1.10)

Nếu đồ thị cho dưới dạng công suất toàn phần thì tổn thất điện năng được xác
định theo công thức sau:
∆A =

Stb2
R.T .10−3 (kWh)
2
U dm

(1.11)

Ở đây: Stb – là công suất trung bình (kVA)
Uđm – là điện áp dây định mức (kV)
R – là điện trở tác dụng của đường dây (Ω)
T – là thời gian khảo sát (h)
Nếu dòng điện trung bình được tính theo biểu thức (1.8) và (1.9) thì phương
pháp này chính là một dạng của phương pháp tích phân đồ thị.
Mạng điện phân phối thường sử dụng phương pháp này và cho kết quả gần

đúng. Giá trị Itb có thể tính gần đúng theo công thức kinh nghiệm Dalesxky:
I tbbp = I max (0,12 + Tmax .10−4 )

(1.12)

Ở đây Tmax là thời gian sử dụng công suất cực đại
Hoặc theo dòng điện cực đại và thời gian tổn thất công suất cực đại τ:
I tbbp = I max

T

τ

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009

(1.13)


Luận văn Thạc sỹ khoa học

9

Giá trị các đại lượng τ, Tmax được xác định phụ thuộc tính chất phụ tải hoặc qua
cá số liệu thống kê. Phương pháp này chỉ đúng khi chúng ta xác định được chính xác
các giá trị trên.
2.2.3. Phương pháp thời gian tổn thất
Xét đồ thị phụ tải năm theo công suất tác dụng và theo dòng điện bình phương
theo thời gian như hình 1.7 và 1.8 sau:
Đổ thị phụ tải năm được biểu diễn với một trục là thời gian, một trục là công
suất. Diện tích giới hạn bởi trục hoành và đường cong Pt của đồ thị này xác định lượng

điện năng tiêu thụ của phụ tải trong khoảng thời gian t, do đó:
T

A = ∫ Pt .dt = Pmax .Tmax td

(1.14)

0

P
I2

Pmax

I2tb

8760

Tmax

Hình 1.7: Xác định thời gian sử dụng công
suất cực đại Tmax

t(h)

τmax

Hình 1.8: Xác định thời gian tổn thất công
suất cực đại τmax

T

∫ P .dt
t

Suy ra Tmax td =

(1.15)

0

Pmax

Tmaxtd: Thời gian tổn thất công suất tác dụng cực đại.
T

∫ Q .dt
t

Tương tự ta có Tmax pk =
T

Từ đó: Tmax =

∫ It .dt
0

I max

0

Qmax

(1.16)

T

∫ S .dt
t

=

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009

0

smax

8760

(1.17)

t(h)


Luận văn Thạc sỹ khoa học

10

Trên hình 1.8 biểu diễn quan hệ I t2 = f (t ) . Gọi τ là thời gian tổn thất công suất

cực đại.
Để xác định τ người ta thay diện tích giới hạn bởi đường cong I 2 (t ) bằng diện
2
tích hình chữ nhật có tung độ I max
, hoành độ là τ khi đó ta có:
T

2
∆A = 3R ∫ I t2 .dt = 3R.I max
τ

(1.18)

0

T

Hay τ =

∫I

2
t

dt

(1.19)

0

2
I max

Hoặc tính tổn thất ∆A qua công suất S tương tự như biểu thức (1.11) tức là:
2

S
∆A = R max .τ .10−3 (kWh)
U max

(1.20)

Trong công thức (1.18) cần phải xác định τ, τ được xác định nhờ mối quan hệ
Tmax và Cosφ. Quan hệ τ=f(Tmax,Cosφ) có nhiều phương pháp xây dựng khác nhau.
Mỗi đường cong biểu diễn mối quan hệ đó được xuất phát theo một số điều kiện giới
hạn khác nhau như không tính đến dáng điệu đồ thị phụ tải, hay không xét đến sự biển
đổi hệ số công suất. Hoặc chúng ta có thể xác định τ bằng các công thức kinh nghiệm:
τ = (0,124 + Tmax .10−4 ).8760 ( Công thức Kenzevist)

Hay τ = 2Tmax − 8760 +

8760 − Tmax td
P
(1 − max )
T
2P
Pmin
1 + max td − min
8760 Pmax

(1.21)
(1.22)

Sự phụ thuộc này cho phép xác định giá trị τ tương đối chính xác. Ở đây không
tính đến sự biến động của hệ số công suất. Tuy nhiên sử dụng trong điều kiện vận hành
là không hợp lý, bởi vì giá trị trung bình của sai số khi đánh giá tổn thất theo cách tính
này tương đối lớn, sai số nằm trong khoảng ±(10 ÷ 25)%. Khi đánh giá tổn thất điện
năng trong điều kiện vận hành chỉ cho phép sai số trung bình không vượt qua ±5%.
Khi tính toán τ cần phải chú ý đến dạng của đồ thị phụ tải, sự thay đổi của hệ số công
suất, sự không trùng hợp cực đại của các phụ tải tác dụng và phản kháng theo thời gian
trong năm và ngày. Khi đó thời gian tổn thất công suất cực đại toàn phần được xác
định theo biểu thức:
T

τ=

∫S

T
2
t

.dt

0

S m2 ax

∫ (P
t

=

2

+ Qt2 )dt

0

S m2 ax

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009

(1.23)


Luận văn Thạc sỹ khoa học
T

τ=

2
∫ Pt .dt
0

Sm2 ax

11

T

∫ Q dt
2
t

+

0

S m2 ax

(1.24)

Chia và nhân thành phần thứ nhất của (1.24) với Pm2ax còn thành phần thứ hai
với Qm2 ax ta có:

Pm2ax
Qm2 ax
+
τ
pk
S m2 ax
S m2 ax

τ = τ td

(1.25)

Ở đây τ td và τ pk là thời gian tổn thất công suất tác dụng và phản kháng cực đại,
được xác định như sau:

T

∫ P .dt
2

t

τ td =

(1.25a)

0

Pm2ax
T

∫ Q .dt
2
t

τ pk =

(1.25b)

0

Qm2 ax

Nếu các đồ thị công suất tác dụng và phản kháng cực đại trùng nhau thì biểu
thức (1.25) có thể viết lại:

τ = τ td Cos 2ϕmax + τ pk Sin 2ϕmax

(1.26)

Thay τ ở biểu thức (1.25) vào biểu thức (1.18), phụ tải cho ở dạng công suất ta
có:
−2
∆A = U dm
R ( Pm2axτ td + Qm2 axτ pk ) .10−3

(1.27)

Khi phụ tải cho ở dòng điện:
∆A = 3I m2 ax R (τ td Cos 2ϕmax + τ pk Sin 2ϕmax ) .10−3

(1.28)

Phương pháp thời gian tổn thất được sử dụng để xác định tổn thất điện năng ở
mạng hình tia. Còn ở mạng kín và mạng phức tạp nên sử dụng phương pháp tích phân
đồ thị.
3. Các biện pháp giảm tổn thất điện năng
3.1 Đối với đường dây.
Như ta đã biết tổn thất điện công suất và tổn thất điện năng tác dụng trên đường
dây chủ yếu do thành phần điện trở tác dụng gây nên theo công thức sau:
∆S = ∆P + j ∆Q =

P2 + Q2
P2 + Q2
R
+

j
X
U2
U2

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009


Luận văn Thạc sỹ khoa học

12

Do vậy để giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng tác dụng phải giảm
được điện trở của dây dẫn muốn vậy phải dùng vật liệu làm dây dẫn có tính dẫn điện
cao hoặc phải dùng dây dẫn có tiết diện lớn, trong trường hợp này sẽ bị nâng cấp vốn
đầu tư xây dựng đường dây, do vậy phải tính toán để chọn phương án thích hợp.
Giảm bán kính cấp điện tức là giảm chiều dài đường dây cũng làm giảm điện
trở đường dây, nhưng phải đầu tư xây dựng thêm nhiều trạm trung gian, làm tăng tổng
vốn đầu tư.
Việc nâng cao điện áp vận hành chỉ thực hiện trong phạm vi cho phép giới hạn
điều chỉnh bởi với một điện áp định mức nhất định không thể nâng điện áp quá cao sẽ
làm ảnh hưởng đến độ bền cách điện của đường dây cũng như thiết bị có thể gây nên
sự cố làm hư hỏng thiết bị.
3.2 Đối với máy biến áp
Tổn thất không tải của máy biến áp không phụ thuộc vào phụ tải mà nó phụ
thuộc vào chất liệu làm mạch từ và từ thông chính, muốn giảm được tổn thất này đòi
hỏi công nghệ chế tạo máy biến áp phải cao, chất lượng thép làm mạch từ phải có độ
từ thẩm cao ( từ trở nhỏ), là thép càng mỏng càng tốt, cách điện giữa các lá thép phải
đảm bảo để hạn chế dòng xoáy (fuco). Hạn chế mức thấp nhất các khe hở giữa trụ và
gông từ.

Tổn thất trong cuộn dây máy biến áp hoàn toàn phụ thuộc vào phụ tải và điện
trở dây cuốn máy biến áp, do vậy muốn giảm tổn thất trong cuộn dây phải chế tạo dây
cuốn bằng vật liệu dẫn điện tốt, trong vận hành phải quan tâm đến chế độ làm mát của
máy biến áp và chế độ vận hành hợp lý.
3.3. Giảm tổn thất điện năng trong vận hành
Ngoài các biện pháp giảm tổn thất điện năng đã nêu ở trên, trong quá trình quản
lý vận hành và sửa chữa cải tạo lưới điện chúng ta cũng có các biện pháp để làm giảm
tổn thất điện năng như: đặt các thiết bị bù công suất phản kháng hợp lý, nâng cao điện
áp vận hành mạng điện, thay dây dẫn có tiết diện nhỏ bằng dây dẫn có tiết diện lớn
hơn, thay các máy biến áp quá tải và non tải bằng các máy biến áp có công suất đặt
phù hợp với công suất phụ tải.
Khuyến khích các khách hàng dùng điện sản xuất vào thấp điểm đêm, hạn chế
dùng điện vào cao điểm để san bằng biểu đồ phụ tải, sẽ giảm tổn thất điện năng cũng
như khai thác hiệu quả kinh tế hơn các công trình điện, giảm sự cố của lưới điện cũng
như giảm sức ép đầu tư xây dựng các công trình điện chỉ để đáp ứng công suất giờ cao
điểm.

Vũ Xuân Tùng– CHKTĐ2009