Nghiên cứu xây dựng chương trình đánh giá hiệu quả các phương án giảm tổn thất điện năng, áp dngj cho lưới điện phân phối thành phố đà lạt

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
,

NGUYỄN PHẠM HIẾU NHÂN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC PHƯƠNG ÁN
GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG, ÁP DỤNG CHO
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ ĐÀ LẠT

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số: 60.52.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HỮU HIẾU

Phản biện 1: TS. ĐOÀN ANH TUẤN

Phản biện 2: TS. BẠCH QUỐC KHÁNH

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng
vào ngày 03 tháng 03 năm 2018.

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Điện năng là ngành năng lượng quan trọng hàng đầu của một
quốc gia. Vì nguồn năng lượng này là tiền đề cho sự phát triển công
nghiệp, hiện đại hóa đời sống xã hội.
Tuy nhiên, việc sản xuất điện năng ngày càng khó khăn do cạn
kiệt nguồn tài nguyên như nước, than đá… Đến năm 2030, Việt Nam
sẽ không còn tiềm năng thủy điện lớn vì đã khai thác hết. Trữ lượng
than đá cũng đang cạn dần. Năm 2015, khả năng khai thác than đá
đáp ứng từ 96%-100% nhu cầu sử dụng để sản xuất điện năng. Năm
2020, khả năng khai thác chỉ đáp ứng được 60% và đến năm 2035, tỉ
lệ này chỉ còn 34%.
Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 20112020, có xét đến 2030 thì vào năm 2020, Việt Nam sẽ nhập khẩu hơn
2.300 MW điện (chiếm 3,1% tổng cơ cấu năng lượng điện), năm
2030 sẽ nhập 7.100 MW (chiếm 4,9% tổng cơ cấu năng lượng điện).
Điều này cho thấy quá trình công nghiệp hóa nhanh chóng khiến
nguồn cung năng lượng đã không đáp ứng kịp nhu cầu. Do đó, bên
cạnh việc tìm nguồn lực để sản xuất điện năng thì việc sử dụng có
hiệu quả nguồn năng lượng này cũng đóng vai trò hết sức quan trọng.
Chính vì vậy, một trong những công tác thường xuyên được
quan tâm của ngành Điện lực Việt Nam hiện nay là giảm tổn thất

điện năng trên hệ thống lưới điện phân phối. Hàng năm, một lượng
vốn rất lớn được đưa vào lưới điện thông qua các chương trình sửa
chữa lớn, sửa chữa thường xuyên để mua sắm, lắp đặt nhiều thiết bị
vận hành (tụ bù, thay dây dẫn, thay máy biến áp tổn thất thấp…)
nhằm mục đích giảm tổn thất điện năng trên lưới điện. Tuy nhiên,


2
các chương trình này thông thường có nhược điểm đó là: nguồn lực
tài chính là nguồn lực hữu hạn nhưng vẫn chưa có những đánh giá
chính xác tính hiệu quả của các công trình sửa chữa, nâng cấp lưới
nhằm mục đích giảm tổn thất điện năng.
Trước nhu cầu thực tiễn trên đây và vị trí công tác của tác giả đề
tài, tác giả mong muốn xây dựng một chương trình thể hiện mối
tương quan giữa chi phí đầu tư và lợi nhuận thu được từ việc giảm
tổn thất. Sau đó, tác giả áp dụng vào một phát tuyến 22kV hiện hữu
để xem xét và đề xuất các giải pháp liên quan.
Xuất phát từ các lý do nêu trên, đề tài “Nghiên cứu xây dựng
chương trình đánh giá hiệu quả các phương án giảm tổn thất điện
năng, áp dụng cho lưới điện phân phối thành phố Đà Lạt” được đề
xuất nghiên cứu. Đây cũng là một vấn đề đang được các cán bộ lãnh
đạo, quản lý tại các Điện lực trực thuộc Công ty Điện lực Lâm Đồng
quan tâm nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu
- Xây dựng chương trình tối ưu đa mục tiêu giữa chi phí lắt
đặt tụ bù và lợi nhuận từ việc giảm tổn thất công suất trên
lưới điện.
-

Sử dụng chương trình để tính toán cho một phát tuyến 22kV

của Điện lực Đà Lạt.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các phương pháp tính
toán tổn thất công suất trong đó nhấn mạnh đến phương pháp
bù công suất phản kháng. Sau đó sử dụng chương trình
MATLAB và MATPOWER để xây dựng chương trình tối
ưu đa mục tiêu.


3
-

Áp dụng đối tượng nghiên cứu trên cho một phát tuyến cụ

thể là tuyến 22kV thuộc khu vực Thành Phố Đà Lạt
4. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm:
-

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu,
sách báo, giáo trình,…viết về vấn đề tính toán xác định tổn
thất công suất và các cấu trúc câu lệnh trong chương trình
MATLAB, MATPOWER.

-

Phương pháp thực nghiệm: Áp dụng chương trình đã xây
dựng để tính toán các phương án bù công suất phản kháng

trong đó có so sánh kết quả với chương trình PSS/ADEPT.
5. Bố cục luận văn
Bố cục luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung
của luận văn được biên chế thành 4 chương như sau:
-

Chương 1: Tổng quan về lưới điện phân phối và tổn thất trên
lưới điện phân phối.

-

Chương 2: Lý thuyết xây dựng bài toán tối ưu đa mục tiêu.

-

Chương 3: Xây dựng chương trình tính toán đa mục tiêu bù
công suất phản kháng cho lưới điện phân phối.

-

Chương 4: Áp dụng chương trình tính toán đa mục tiêu bù
công suất phản kháng cho lưới điện phân phối tại thành phố
Đà Lạt


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI &TỔN THẤT
TRÊN LƯỚI ĐIỆN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
1.1. Tổng quan về lưới điện phân phối

Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các
đường dây truyền tải và phân phối được nối với nhau thành một hệ
thống thống nhất làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện
năng. Theo mục đích nghiên cứu, hệ thống điện được chia thành các
phần hệ thống như:
-

Lưới hệ thống 500kV

-

Lưới truyền tải (35, 110, 220kV)

-

Lưới phân phối trung áp (6, 10, 22, 35kV)

-

Lưới phân phối hạ áp (0,4kV)

1.2. Đặc điểm lưới điện phân phối
1.2.1. Sơ đồ hình tia
1.2.2. Sơ đồ mạch vòng
1.3. Tổn thất và nguyên nhân gây tổn thất
1.3.1. Tổn thất kỹ thuật
-

Đường dây quá dài, bán kính cấp điện lớn, tiết diện dây dẫn
quá nhỏ, đường dây bị xuống cấp, không được cải tạo nâng

cấp, trong quá trình vận hành làm tăng nhiệt độ dây dẫn, điện
áp giảm dưới mức cho phép và tăng TTĐN trên dây dẫn.

-

Máy biến áp vận hành non tải hoặc không tải sẽ không phù
hợp với hệ thống đo đếm dẫn tới TTĐN cao.

-

Máy biến áp vận hành quá tải do dòng điện tăng cao làm
phát nóng cuộn dây và dầu cách điện của máy dẫn đến tăng


5
tổn thất điện năng trên máy biến áp đồng thời gây sụt áp và
làm tăng TTĐN trên lưới điện phía hạ áp.
-

Tổn thất do thiết bị cũ, lạc hậu: các thiết bị cũ thường có
hiệu suất thấp, máy biến áp là loại có tỷ lệ tổn thất cao hoặc
vật liệu lõi từ không tốt dẫn đến sau một thời gian vận hành
tổn thất có xu hướng tăng lên.

-

Nhiều thành phần sóng hài của các phụ tải công nghiệp tác
động vào các cuộn dây máy biến áp làm tăng TTĐN.

-

Tổn thất dòng rò: Sứ cách điện, chống sét van và các thiết bị
không được kiểm tra, bảo dưỡng hợp lý dẫn đến dòng rò,
phóng điện.

-

Đối với hệ thống nối đất trực tiếp, lặp lại không tốt dẫn đến
TTĐN sẽ cao.

-

Hành lang tuyến không đảm bảo: không thực hiện tốt việc
phát quang, cây mọc chạm vào đường dây gây dòng rò hoặc
sự cố.

-

Hiện tượng quá bù, hoặc vị trí và dung lượng bù không hợp
lý.

-

Tính toán phương thức vận hành không hợp lý, để xảy ra sự
cố dẫn đến phải sử dụng phương thức vận hành bất lợi và
TTĐN tăng cao.

-

Vận hành không đối xứng liên tục dẫn đến tăng tổn thất trên

dây trung tính, dây pha và cả trong máy biến áp, đồng thời
cũng gây quá tải ở pha có dòng điện lớn.

-

Vận hành với hệ số cosφ thấp do phụ tải có hệ số cosφ thấp,
thực hiện lắp đặt và vận hành tụ bù không phù hợp. Cosφ
thấp dẫn đến tăng dòng điện truyền tải hệ thống và tăng


6
TTĐN.
-

Các điểm tiếp xúc, các mối nối tiếp xúc kém nên làm tăng
nhiệt độ, tăng TTĐN.

-

Hiện tượng vầng quang điện: đối với đường dây điện áp cao
từ 110kV trở lên xuất hiện hiện tượng vầng quang điện gây
TTĐN.

-

Chế độ sử dụng điện không hợp lý: công suất sử dụng của
nhiều phụ tải có sự chênh lệch quá lớn giữa giờ cao điểm và
thấp điểm

1.3.2. Tổn thất thương mại

-

Các thiết bị đo đếm như công tơ, TU, TI không phù hợp với
tải có thể quá lớn hay quá nhỏ hoặc không đạt cấp chính xác
yêu cầu, hệ số nhân của hệ thống đo không đúng, các tác
động làm sai lệch mạch đo đếm điện năng, gây hỏng hóc
công tơ, các mạch thiết bị đo lường, …

-

Sai sót khâu quản lý: TU mất pha, TI, công tơ hỏng chưa kịp
xử lý, thay thế kịp thời, không thực hiện đúng chu kỳ kiểm
định và thay thế công tơ định kỳ theo quy định của Pháp lệnh
đo lường, đấu nhầm, đấu sai sơ đồ đấu dây, … là các nguyên
nhân dẫn đến đo đếm không chính xác gây TTĐN.

-

Sai sót trong nghiệp vụ kinh doanh: đọc sai chỉ số công tơ,
thống kê tổng hợp không chính xác, bỏ sót khách hàng, …

-

Không thanh toán hoặc chậm thanh toán hóa đơn tiền điện.

-

Sai sót thống kê phân loại và tính hóa đơn khách hàng.

-

Sai sót trong khâu tính toán xác định tổn thất kỹ thuật.


7
1.4. Bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối
1.4.1. Bù công suất phản kháng
Công suất phản kháng do phụ tải yêu cầu mang thuộc tính cảm,
để sinh ra từ trường cần thiết cho quá trình chuyển đổi điện năng, từ
trường xoay chiều cần một điện năng dao động đó là công suất phản
kháng có tính cảm Q. Điện năng của từ trường dao động dưới dạng
dòng điện, khi đi trên dây dẫn nó gây tổn thất điện năng và tổn thất
điện áp không có lợi cho lưới điện.

Hình 1.3. Bù công suất phản kháng
Muốn giảm được tổn thất điện năng và tổn thất điện áp do từ
trường gây ra người ta đặt tụ điện ngay sát vùng từ trường hình 1.3.
Tụ điện gây ra điện trường xoay chiều, điện trường cũng cần một
điện năng dao động - công suất phản kháng dung tính QC , nhưng
ngược về pha so với từ trường. Khi từ trường phát năng lượng thì
điện trường nhận vào và ngược lại. Nhờ đặc tính này mà khi đặt cạnh
nhau điện trường và từ trường tạo mạch dao động, năng lượng của
chúng truyền quan lại cho nhau, chỉ có phần thừa ra Q - QC (dù điện
cảm hay điện dung) mới đi về nguồn điện. Nhờ vậy dòng công suất
phản kháng giảm đi. Công suất phản kháng dung tính đi về nguồn
cũng gây tổn thất điện năng như công suất phản kháng cảm tính,


8
nhưng về điện áp thì nó làm tăng điện áp ở nút tải so với nguồn (tổn

thất điện áp âm). Vì thế khi đặt bù cũng phải tránh không gây quá bù
(QC¬>Q).
1.4.2. Yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế

1.4.2.1. Tiêu chí kỹ thuật
1.4.2.2. Tiêu chí về kinh tế
1.4.3. Các phương pháp bù công suất phản kháng
1.4.3.1. Bù nối tiếp (Bù dọc)
1.4.3.2. Bù song song (Bù ngang)
1.4.4. Phương thức bù công suất phản kháng

1.4.5. Phân tích ảnh hưởng của tụ bù đến tổn thất công suất tác
dụng và tổn thất điện năng của lưới phân phối xét trong một số
trường hợp đơn giản
1.4.5.1. Lưới phân phối có một phụ tải
1.4.5.2. Lưới điện phân phối có phụ tải phân bố đều trên trục chính
1.5. Kết luận chương 1
Chương này trình bày các lý thuyết cơ bản về tổn thất điện năng
và nêu ra phương pháp giảm tổn thất xuyên suốt đề tài này đó là sử
dụng phương pháp bù công suất phản kháng cho lưới điện. Đây là cơ
sở bước đầu để xây dụng chương trình tối ưu sẽ được trình bày trong
các chương sau. Chương tiếp theo sẽ trình bày một số khái niệm về
bài toán tối ưu đa mục tiêu để có cơ sở xây dựng chương trình.


9
CHƯƠNG 2
LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU
2.1. Giới thiệu bài toán tối ưu nhiều mục tiêu
Min {f1(x)…fk(x)} sao cho x ϵ X

Trong đó:
x là biến quyết định
X= {x ϵ Rn |gj(x) ≤0; hj(x)=0 với j=1…p, n} là không gian quyết
định.
fi: Rn → R với i=1...k là các hàm mục tiêu
Đặt Y= {y= (f1(x)…fk(x)) ϵ Rk} là không gian hàm mục tiêu

2.2. Tối ưu Pareto
2.2.1. Khái niệm
Một điểm x* ϵ X được gọi là một nghiệm tối ưu Pareto nếu
không tồn tại một nghiệm x ≠ x* ϵ X sao cho x trội hơn x*. Nghĩa là:
f(x) < f(x*)
Tính chất:
-

Nếu x* là nghiệm tối ưu Pareto thì f(x*) gọi là điểm hữu
hiệu.

-

Nếu x1,x2 ϵ X và f(x1) ≤ f(x2) thì ta gọi x1 trội hơn x2 và
f(x1) trội hơn f(x2)

-

Tất cả các nghiệm tối ưu Pareto x* ϵ X là tập các điểm hữu
hiệu, y= f(x*) ϵ Y lần lượt là Xpar và Yeff

2.2.2. Định nghĩa về đường cong Pareto
2.2.3. Mô hình toán học về đường cong Pareto

2.2.3.1. Định nghĩa về ưu thế
Giải pháp X chiếm ưu thế hơn giải pháp Y khi cả hai điều kiện


10
sau cùng thỏa mãn:
-

Giải pháp X ít nhất tốt bằng giải pháp Y cho tất cả hàm mục
tiêu.

-

Giải pháp X có ít nhất một hàm mục tiêu tốt hơn giải pháp
Y.

2.2.3.2. Đường cong Pareto

Hình 2.3. Ví dụ về đường cong Pareto
2.3. Thuật toán NSGA-II
Thuật toán di truyền sắp xếp không thống trị (NSGA-II) được
biết như là một kỹ thuật hiệu quả để tìm kiếm tập hợp tối ưu Pareto
trong bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu chung.
Ưu điểm của phương pháp này đó là:
-

Độ phức tạp thấp O(MN2) trong đó M là số mục tiêu và N là
kích thước quần thể.

-

Tính ưu việt: Bảo tồn tính ưu việt cho các giải pháp để đảm
bảo sự hội tụ.

-

Sự đa dạng: Duy trì sự đa dạng của các giải pháp.

-

Sự lan tỏa phủ rộng trong không gian tìm kiếm


11
Kết quả giả lập giải các bài toán khó, cho thấy NSGA-II luôn tìm
được các giải pháp phủ rộng hơn và hội tụ gần với biên “Pareto tối
ưu thực” hơn so với các thuật toán tân tiến khác. Trong thuật toán
NSGA-II, tính ổn định của kết quả và độ mịn của biên Pareto xấp xỉ
phụ thuộc vào điều kiện dừng – tức là số lượng thế hệ tối đa cần đạt
đến.
2.4. Kết luận chương 2
Chương này đã trình bày hai khái niệm cơ bản để xây dựng
chương trình tối ưu đó là khái niệm tối ưu Pareto và thuật toán di
truyền NSGA-II. Với việc sử dụng đường cong Pareto thì kết quả tối
ưu thu được sẽ là một tập hợp các kết quả của vấn đề đã đưa ra.
Chương tiếp theo trình bày về công cụ chính để thực hiện chương
trình tối ưu đó là MATLAB và MATPOWER.


12

CHƯƠNG 3
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐA MỤC TIÊU
BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƯỚI ĐIỆN
PHÂN PHỐI
3.1. Tổng quan về chương trình
Chương trình được xây dựng nhằm mục đích vẽ được đường
cong Pareto trên cơ sở lý thuyết thuật toán tối ưu NSGA II để xác
định một tập các điểm bù công suất phản kháng mang lại những hiệu
quả khác nhau như cực tiểu tổn thất điện năng, cực tiểu chi phí lắp
đặt, cực tiểu thiết bị sử dụng, tối đa hóa lợi nhuận về kinh tế...
Chương trình được viết trên phần mềm MATLAB dựa vào hàm tối
ưu đa mục tiêu và chương trình tính toán phân bố công suất
MATPOWER.
Để đảm bảo tính đúng đắn, người thực hiện luận văn đã tham
khảo chương trình tính toán tương tự được thực hiện trên lưới điện
mẫu 16 nút IEEE do hai sinh viên Văn Ngọc Thắng và Phạm Quí
Nin là sinh viên lớp 13DCLC thuộc khoa Điện trường đại học Bách
khoa Đà Nẵng thực hiện tháng 12/2017. Tuy nhiên, chương trình đã
khắc phục thêm một số nhược điểm của chương trình trước đây để
phù hợp với thực tế vận hành tại Công ty điện lực Lâm Đồng đó là:
-

Giao tiếp với người dùng bằng giao diện đơn giản với các
nút điều khiển và màn hình hiển thị.

-

Chương trình áp dụng linh động với nhiều lưới điện khác
nhau. Chương trình trước đây nếu muốn áp dụng cho các
lưới điện khác phải thay đổi nhiều đoạn lệnh gây khó khăn

cho người sử dụng.

-

Người dùng không cần hiểu lập trình MATLAB và việc


13
nhập liệu đơn giản hơn thông qua mẫu file excel quy định
trước.
-

Chương trình sẽ bù theo gam tụ bù là 150 kVar, đây là thiết
bị vật tư có sẵn và dễ dàng mua trên thực tế.

-

Các thông số về kinh tế khi tính toán bù công suất phản
kháng sẽ do người dùng quy định.

-

Việc tính toán phân bố công suất sẽ được thể hiện kết quả
bằng thông báo của chương trình để người dùng thuận tiện
so sánh, đối chiếu khi cần.

-

Kết quả thể hiện được tự động chuyển đổi sang file excel để
người sử dụng thuận lợi trong việc đọc và phân tích kết quả.

3.2. Giới thiệu về chương trình PSS/ADEPT
3.2.1. Các chức năng và ứng dụng của PSS/ADEPT
3.2.2. Các bước thực hiện trên PSS/ADEPT để tính toán vị trí bù
tối ưu trên lưới điện
3.2.3. Nhận xét về bài toán CAPO của phần mềm PSS/ADEPT
Qua các bước phân tích việc tính toán bài toán CAPO trên
PSS/DEPT tác giả nhận thấy có một điểm hạn chế đó là: Phần mềm
chỉ tìm ra một điểm tối ưu, chưa thể xác định các mối quan hệ giữa
điểm tối ưu này với các thông số khác, như bài toán bù kinh tế mới
chỉ xét đến một mục tiêu là lợi nhuận kinh tế.
Trong thực tế hiện nay, việc cân bằng giữa các nguồn vốn để
phục vụ cho công tác giảm tổn thất là vấn đề thực sự khó khăn cho
các Công ty Điện lực, trong đó có Công ty Điện lực Lâm Đồng. Với
một nguồn vốn có hạn và phải dàn trải cho nhiều công tác khác trong
khi kết quả tính toán của PSS/ADEPT không cho đơn vị có thêm lựa


14
chọn nào để cân đối chi phí.
Từ hạn chế đó, tác giả luận văn đề xuất xây dựng một chương
trình thay thế cho module CAPO của phần mềm nhằm mục đích thực
hiện tối ưu hóa việc lắp đặt tụ bù và giải quyết các vấn đề trong thực
tế của lưới điện phân phối. Chương trình sẽ chuyển bài toán CAPO
từ đơn mục tiêu là tối đa hóa lợi nhuận thành bài toán đa mục tiêu
cho chi phí lắp đặt và chi phí thu được từ giảm tổn thất. Trong phạm
vi của luận văn này, tác giả đi sâu nghiên cứu về việc giải quyết bài
toán đa mục tiêu trên cho công tác lắp đặt tụ bù cho lưới điện phân
phối, với phụ tải là cố định và không thay đổi theo thời gian.
3.3. Giới thiệu về phần mềm MATLAB

3.3.1. Giao diện làm việc của chương trình MATLAB
3.3.2. Các hàm thông dụng trong chương trình MATLAB
3.4. Giới thiệu về phần mềm MATPOWER
3.4.1. Dữ liệu đầu vào của MATPOWER
3.4.1.1. Dữ liệu về nút
3.4.1.2. Dữ liệu về máy phát
3.4.1.3. Dữ liệu về nhánh
3.4.2. Các hàm thông dụng của MATPOWER
3.5. Xây dựng chương trình đề xuất
3.5.1. Xây dựng bài toán bù kinh tế mạng điện
Hiện nay, có nhiều phần mềm để tính toán tối ưu vận hành hệ
thống điện phân phối, PSS/ADEPT là một ví dụ. Phần mềm này cho
phép giải bài toán bù tối ưu CAPO (Optimal Capacitor Placement)
như sau: phần mềm tính toán tìm ra những điểm tối ưu để đặt các bộ


15
tụ bù cố định và tụ bù ứng động sao cho việc lắp đặt tụ bù mang lại
giá trị lợi ích kinh tế.
Đối với các phần mềm này, việc phân tích các bài toán đa mục
tiêu không thể giải được. Trong khi đó, trong tính toán thiết kế cũng
như vận hành, các bài toán tối ưu đa mục tiêu cần được sử dụng, đơn
cử như việc tìm ra các mối quan hệ giữa các mục tiêu cực tiểu tổn
thất điện năng nhưng cực tiểu chi phí sẽ giúp ích nhiều cho ngành
điện trong thực tế tính toán phương án giảm tổn thất điện năng.
Chính vì vậy, luận văn đề xuất xây dựng chương trình tối ưu đa mục
tiêu trên phần mềm MATLAB.
Phần mềm tính toán tối ưu gồm có hai phần:
-

Phần tính toán phân bố công suất: sử dụng module
MATPOWER tích hợp trong MATLAB.

-

Thuật toán tối ưu: sử dụng hàm tối ưu đa mục tiêu
“gamultiobj” trên cơ sở lí thuyết thuật toán di truyền (thuật
toán NSGA II) được xây dựng trong MATLAB.

Trong đề tài này, tác giả quan tâm đến hai hàm mục tiêu kinh tế là:
Z1: chi phí đầu tư, vận hành khi lắp đặt tụ bù
𝑍1 = 𝑄𝑐 . (𝐾𝑙𝑚 + 𝑁𝑒. 𝐾𝑣ℎ )

(3.2)

Z2: số tiền thu được lợi do giảm tổn thất công suất khi lắp đặt tụ
bù
𝑇

𝑍2 = 𝑁𝑒 ∫0 (𝑐𝑃 . 𝛿𝑃 + 𝑐𝑄 . 𝛿𝑄 )𝑑𝑡
Trong đó:
Klm: chi phí lắp đặt tụ mới (đ/kVar)
Qc: dung lượng bù cần lắp mới (kVAr)
Kvh: chi phí vận hành, bảo dưỡng tụ bù (đ/kVar/năm)
Ne: đại lượng thời gian tương đương

(3.3)


16

N

Ne
n 1

1 i
1 r

n

(3.4)

Với:
- N: thời gian hoàn vốn ( năm)
- i: tỷ số lạm phát (i)
- r: tỉ số trượt giá (r)
δP : lượng tổn thất công suất tác dụng giảm được khi bù (kW)
δQ: lượng tổn thất công suất phản kháng giảm được khi bù (kVAr)
cP: giá tiền cho 1 đơn vị tổn thất công suất tác dụng (đ/kWh)
c𝑄: giá tiền cho 1 đơn vị tổn thất công suất phản kháng (hiện tại điện
lực không tính giá trị này cQ = 0 đ/kVArh)
Tuy nhiên, với giả định phụ tải là cố định và không thay đổi theo thời
gian, khi đưa vào chương trình tính toán, Z2 sẽ được tính như sau:
Z2 = ((Pbandau-TonthatCS)*cP +
(Qbandau-TonthatPK)*cQ)*1000*Ne*8760
Trong đó:
- Pbandau: tổn thất công suất lưới điện trước khi lắp tụ bù
- TonthatCS: là tổn thất công suất lưới điện sau khi lắp tụ bù
- cP: giá tiền cho 1 đơn vị tổn thất công suất tác dụng (đ/kWh)
- c𝑄: giá tiền cho 1 đơn vị tổn thất công suất phản kháng

- Ne: đại lượng thời gian tương đương
Đi kèm với các hàm mục tiêu này, bài toán sẽ tính toán với những
điều kiện ràng
buộc khác nhằm mục đích xây dựng hệ thống đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.
Đảm bảo cung cấp điện cho các phụ tải
Điện áp tại các nút phải nằm trong giới hạn cho phép


17
Uimin ≤ Ui ≤ Uimax  0.9 ≤ Ui ≤1.1

(3.5)

Dòng điện trên các nhánh của đường dây đảm bảo điều kiện phát
nóng
I ≤ Icp

(3.6)

3.5.2. Hàm tối ưu đa mục tiêu trong MATLAB
Chương trình được xây dựng dựa trên hàm tối ưu đa mục tiêu
“gamultiobj” trong global optimization toolbox tích hợp trên phần
mềm MATLAB.
Cú pháp:
[x, fval, exitflag, output] = gamultiobj(fitnessfcn, nvars, A, b, Aeq,
beq, Lb, Ub, options)
Dữ liệu Input:
-

fitnessfcn: là hàm mục tiêu xây dựng

-

nvars: số lượng biến cần tìm của bài toán tối ưu

-

Ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính:

-

Ràng buộc đẳng thức tuyến tính: Aeq*x = beq

-

Lb, Ub: là các giới hạn biên dưới và trên của biến Lb ≤ x ≤

A*x ≤ b

Ub
-

options: khởi tạo bộ thông số tùy chọn tối ưu bắt đầu bằng
optimoptions.

3.6. Cấu trúc chương trình đa mục tiêu
3.6.1. Dữ liệu đầu vào
Để chương trình tính toán chính xác, tác giả đã xây dựng một file
excel với cấu trúc không đổi để người dùng nhập liệu. File có tên là
data.xlsx. Cấu trúc file bao gồm 4 sheet với tên gọi data1, data2,

data3, data4.


18
3.6.2. Cấu trúc chương trình đa mục tiêu
Giao diện chương trình bao gồm bảng điều khiển chứa ba nút
bấm, màn hiển thị thông tin và nút chạy tối ưu Pareto. Khi chương
trình thực hiện các bước tính toán sẽ hiển thị các thông tin liên quan
để người dùng theo dõi.
-

Click vào nút ‘Nhận dữ liệu lưới điện’ và copy đường dẫn
đến file data.xlsx với các thông số capo được thiết lập tương
tự như khi thực hiện trên PSS/ADEPT

-

Đường dẫn chứa file data.xlsx chính là nơi chứa các file *.txt
được sinh ra và file excel kết quả chương trình. Sau khi nhận
dữ liệu, người dùng click tiếp vào nút ‘Thông tin lưới điện’

-

Chương trình sẽ thông báo cho người sử dụng biết số nút, số
nhánh của lưới điện đưa vào. Đây là bước để người dùng
kiểm tra lại các thông tin đã nhập vào từ file excel data.xlsx.

-

Nút ‘Phân bố công suất’ sẽ thông báo cho người dùng biết

kết quả phân bố công suất của lưới điện.

-

Sau khi click vào nút ‘Tối ưu Pareto’ chương trình sẽ tiến
hành chạy bài toán tối ưu và đưa ra kết quả bằng hình ảnh
như hình 3.16, đồng thời, tại thư mục lưu file dữ liệu ban đầu
sẽ sinh ra thêm 3 file kết quả đó là ketquabu.xls,
ketqualoinhuan.xls, ketquapareto.xls.

3.7. Kết luận chương 3


19
Chương này trình bày xong các cở sở để xây dựng chương trình
tối ưu. Chương trình tối ưu này được hoàn thiện hơn các chương
trình tương tự trước đây nhằm mục đích tạo sự đơn giản cho người
sử dụng. Việc tính toán của chương trình sẽ do người sử dụng đặt các
thông số theo đúng nhu cầu thực tế. Bên cạnh đó, việc chương trình
cho bù công suất phản kháng tại các nút với mức bù 150 kVar là phù
hợp với thực tiễn nơi công tác của tác giả chương trình. Chương tiếp
theo sẽ trình bày kết quả tính toán của chương trình đối với lưới điện
trung thế tại Điện lực Đà Lạt


20

CHƯƠNG 4
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐA MỤC
TIÊU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƯỚI ĐIỆN

PHÂN PHỐI

4.1. Giới thiệu lưới phân phối 22kV tại thành phố Đà Lạt
4.1.1. Khái quát chung
4.1.2. Giới thiệu tuyến phân phối trung áp 22kV 472 Đà Lạt
4.2. Tính toán bù kinh tế cho lưới bằng PSS/ADEPT
Kết quả tính toán

PSS/ADEPT

Qb (MVAr)
∆P trước bù (kW)
∆P sau bù (kW)
Tiền thu được do giảm tổn thất
điện năng Z2
(đồng)
Chi phí đầu tư khi lắp đặt vận
hành thiết bị bù Z1
(đồng)
Số tiền tiết kiệm Z2 – Z1
(đồng)

1,35
68,23
53,55
1.974.584.000

573.178.000

1.401.406.000

4.3. Tính toán tối ưu bù kinh tế cho lưới bằng chương trình đề
xuất


21

Kết quả tính toán

Chương trình tối ưu

Qb (MVAr)
∆P trước bù (kW)
∆P sau bù (kW)
Tiền thu được do giảm tổn thất
điện năng Z2
(đồng)
Chi phí đầu tư khi lắp đặt vận
hành thiết bị bù Z1
(đồng)
Số tiền tiết kiệm Z2 – Z1
(đồng)

1,35
68,40
53,67
1.975.784.023

573.178.107

1.402.605.917

Đường cong Pareto ở hình 4.4 thể hiện mối tương quan giữa cực
tiểu chi phí đầu tư cho phương án lắp đặt tụ bù (trục hoành) và cực
đại chi phí thu được từ giảm tổn thất tức là cực đại tổn thất giảm
được (trục tung). Càng đầu tư chi phí để lắp đặt tụ bù thì lượng tổn
thất giảm được càng tăng. Điểm số 9 trên đồ thị tương đương với
điểm tối ưu của module capo trong chương trình PSS/ADEPT. Ở đây
có thể thấy điểm số 8 cho mức lợi nhuận cao nhất và đưa ra các vị trí
bù cụ thể với dung lượng bù là 150kVar tại mỗi vị trí. Như vậy, có
thể chia vùng đầu tư thành hai phần riêng biệt, trong đó từ điểm 1
đến điểm 8 là vùng số 1. Vùng này thể hiện việc càng đầu tư thì tổn
thất trên lưới điện sẽ giảm. Vùng 2 bắt đầu từ điểm số 9 đến điểm 12
cho thấy nếu tiếp tục tăng đầu tư cho lưới điện thì lợi nhuận thu được
sẽ không tăng lên. Điều này cho thấy sau khi đầu tư đến điểm số 8,
cần phải có phương án khác để đầu tư giảm tổn thất cho lưới điện vì
đây là điểm đạt giới hạn lợi nhuận cao nhất


22

4.4. Kết luận chương 4
Chương này tác giả đã sử dụng chương trình tối ưu để áp dụng
cho một lưới điện trung thế hiện hữu. Kết quả thu được thể hiện hai
vấn đề. Trong tập hợp các kết quả đưa ra, có một kết quả tương tự
với kết quả tính toán từ chương trình PSS/ADEPT. Vấn đề thứ hai đó
là chương trình mở ra cho người dùng nhiều phương án để lựa chọn
tùy thuộc vào tình hình thực tiễn của đơn vị. Bên cạnh đó, việc đầu
tư nhiều chi phí sẽ tăng hiệu quả đến một điểm nhất định. Nếu tiếp
tục đầu tư hệ thống bù cho lưới điện sẽ không còn mang lại hiệu quả

kinh tế tốt, đến lúc này, cần phải có những phương án khác để việc
giảm tổn thất mang lại hiệu quả.


23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Đề tài “Nghiên cứu xây dựng chương trình đánh giá hiệu quả các
phương án giảm tổn thất điện năng, áp dụng cho lưới điện phân phối
thành phố Đà Lạt” được thực hiện nhằm đề xuất một chương trình
thân thiện và dễ sử dụng cho người dùng để đưa ra một tập hợp các
phương án giảm tổn thất điện năng đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế.
Đề tài đã xây dựng và vận hành chương trình cho một phát tuyến
trung thế 22kV thuộc Điện lực Đà Lạt. Kết quả của đề tài như sau:
1. Xây dựng hoàn chỉnh chương trình đánh giá hiệu quả các
phương án giảm tổn thất điện năng bằng phương pháp bù công
suất phản kháng trong đó thể hiện được mối tương quan giữa chi
phí đầu tư và lợi nhuận thu được từ giảm tổn thất.
2. Áp dụng chương trình cho một lưới điện cụ thể, chương trình
đã đưa ra được 12 phương án bù công suất phản kháng cho một
phát tuyến 22kV Đà Lạt và mỗi phương án đều thể hiện mối liên
quan giữa chi phí đầu tư và lợi nhuận.
2. Kiến nghị:
-

Chương trình dễ dàng áp dụng cho các lưới điện khác nhau
nên có thể sử dụng tính toán tại Điện lực Đà Lạt cũng như
Công ty Điện lực Lâm Đồng

-

Chương trình có thể mở rộng và phát triển thêm các tính
năng như: tính toán tối ưu cho việc hoán chuyển tụ bù, thay
thế day dẫn các phân đoạn...