Xác định trạng thái vận hành lưới điện phân phối có chi phí bé nhất bằng giải thuật tái cấu hình lưới

Xác định trạng thái vận hành lưới điện phân phối có chi phí bé nhất bằng giải thuật tái cấu hình lưới Xác định trạng thái vận hành lưới điện phân phối có chi phí bé nhất bằng giải thuật tái cấu hình lưới Xác định trạng thái vận hành lưới điện phân phối có chi phí bé nhất bằng giải thuật tái cấu hình lưới

Tái Cấu Hình Lưới Điện Phân Phối Nhằm Tổn Thất Điện Năng Là Bé Nhất

Tổng Quan Về Lưới Điện Phân Phối

Hệ thống điện phân phối giữ vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, thường được vận hành theo kiểu hình tia dù được thiết kế theo kiểu mạch vòng để nâng cao độ tin cậy Tổn thất năng lượng trên lưới phân phối hiện nay dao động khoảng 10%-11%, trong khi đó lưới điện truyền tải chỉ có tổn thất từ 2%-3% Do đó, việc nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối là rất cần thiết, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích kinh tế.

Để giảm tổn thất trong quá trình phân phối điện năng, có nhiều biện pháp như bù công suất phản kháng, nâng cao điện áp vận hành lưới điện và tăng tiết diện dây dẫn Tuy nhiên, những biện pháp này thường tốn kém chi phí đầu tư và lắp đặt Một giải pháp hiệu quả hơn là tái cấu trúc lưới điện thông qua việc điều chỉnh các cặp khoá điện có sẵn, giúp giảm tổn thất điện năng đáng kể mà không cần cải tạo lưới điện tốn kém Ngoài việc giảm tổn thất, tái cấu trúc lưới điện còn nâng cao khả năng tải, giảm sụt áp cuối lưới và giảm thiểu số lượng hộ tiêu thụ bị mất điện khi có sự cố hoặc cần sửa chữa.

Trong quá trình vận hành, việc tái cấu trúc lưới điện để giảm thiểu tổn thất năng lượng là một thách thức lớn đối với các điều độ viên, đặc biệt khi phải đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khoá điện trên hệ thống phân phối.

Cần thiết phải có một phương pháp phân tích phù hợp với lưới điện phân phối thực tế và một thuật toán mạnh mẽ để tái cấu trúc lưới, đảm bảo đáp ứng các mục tiêu điều khiển của các điều độ viên.

Các giải thuật tái cấu trúc lưới được xem xét từ hai góc độ thiết kế và vận hành Về thiết kế, cần xác định vị trí và loại khoá điện (như máy cắt, máy cắt có tải, dao cách ly) để giảm thiểu tổn thất năng lượng và chi phí đóng/cắt khi chuyển tải, đồng thời tạo không gian điều khiển đủ lớn cho nhu cầu tương lai Về vận hành, điều độ viên phải tối ưu cấu trúc vận hành dựa trên các khoá điện có sẵn, nhằm giảm chi phí vận hành, bao gồm chi phí chuyển tải và tổn thất năng lượng Khi xảy ra sự cố hoặc cần sửa chữa, việc tái cấu trúc lưới điện cần giảm thiểu số lượng khách hàng mất điện, ngăn ngừa quá tải, đảm bảo chất lượng điện năng và giảm tổn thất năng lượng.

2.1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối [28]

Hình 2 1 Sơ đồ nguyên lý lưới điện phân phối điển hình

Lưới điện phân phối bao gồm trạm biến áp và đường dây tải điện, cung cấp điện năng trực tiếp cho hộ tiêu thụ Thường hoạt động trong bán kính dưới 50 km, nhưng một số khu vực hiện nay có thể lên đến 100 km Tổng chiều dài và số lượng máy biến áp chiếm tỷ lệ lớn trong hệ thống, với số lượng lộ ra và nhánh rẽ nhiều hơn từ 5 đến 7 lần so với lưới điện truyền tải Mặc dù bán kính cấp điện ngắn, cấu trúc của lưới điện lại rất phức tạp.

Hình 2 2 Sơ đồ khối hệ thống điện

Lưới điện phân phối tại Việt Nam nhận điện từ các trạm phân phối khu vực, bao gồm các trạm 110/35-22-15-10-6 kV Hiện nay, lưới điện phân phối đang dần chuyển sang cấp điện áp 22 kV, cùng với một số trạm trung gian 35/22-15-10-6 kV Phương thức cung cấp điện chủ yếu là phân phối theo cấp trung áp, với các trạm nâng áp từ các nhà máy điện phân tán hoặc các trạm phân phối khu vực dạng Cao áp/Trung áp Lưới điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của toàn hệ thống.

- Chất lượng cung cấp điện: ở đây là độ tin cậy cung cấp điện và độ dao động của điện áp, tần số tại phụ tải

- Tổn thất điện năng: Thường tổn thất điện năng ở lưới phân phối lớn gấp 3 đến 4 lần so với tổn thất ở lưới truyền tải

Giá đầu tư xây dựng cho mạng điện được phân chia theo tỉ lệ giữa các cấp điện áp Cụ thể, vốn đầu tư cho mạng cao áp chỉ bằng 1, trong khi đó, vốn đầu tư cho mạng phân phối trung áp và hạ áp thường cao gấp từ 2,5 đến 3 lần so với mạng cao áp.

Xác suất xảy ra sự cố trong hệ thống điện có thể dẫn đến ngừng cung cấp điện hoặc cắt điện để thực hiện sửa chữa, bảo trì thiết bị theo kế hoạch, cải tạo và xây dựng đường dây cũng như trạm phân phối mới Đặc biệt, lưới điện phân phối thường gặp sự cố nhiều hơn so với lưới truyền tải.

2.1.2 Nhiệm vụ của lưới điện phân phối

- Cung cấp phương tiện để truyền tải năng lượng điện đến hộ tiêu thụ

- Cung cấp phương tiện để các công ty điện lực có thể bán điện

- Đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện

- Đảm bảo các thông số vận hành trong giới hạn cho phép

- Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải

2.1.3 Chế độ vận hành lưới điện phân phối [21-28] Để giảm tổn thất trên lưới điện phân phối có nhiều phương pháp để thực hiện + Chống tổn thất thông qua cải tạo lưới điện:

 Phát triển trục hệ thống truyền tải: Xây dựng các đường truyền tải chính xuyên qua các vùng trong nước có cấp điện áp 110 kV, 220 kV, 500 kV

Xây dựng nhà máy và trạm điện gần các trung tâm phụ tải là giải pháp hiệu quả để cải thiện sự mất cân đối trong điều độ hệ thống điện Việc này giúp giảm thiểu sự phân chia công suất trên các đường dây dài, từ đó giảm tổn thất trong quá trình truyền tải và phân phối điện năng.

Việc đơn giản hóa các cấp điện áp trong miền Nam đang diễn ra, với việc thay thế cấp điện áp 66 kV bằng 110 kV Hiện nay, lưới truyền tải chỉ còn các cấp điện áp 110 kV và 220 kV, nhằm mục tiêu giảm thiểu tổn thất điện năng.

Để cải thiện hiệu suất điện năng, cần thay thế các đường dây phân phối trung áp và hạ áp bằng dây dẫn có đường kính lớn hơn, đồng thời nâng cấp hệ thống điện từ 220V lên 380V Việc chuyển đổi các đường dây một pha trên mạng nông thôn thành đường dây ba pha sẽ giúp giảm thiểu sụt áp và tổn thất điện năng do khoảng cách dài.

Đặt tụ bù nhằm nâng cao hệ số công suất (cos) cho đường dây là cần thiết do hệ số công suất thấp từ các phụ tải động cơ cảm ứng và tính cảm của đường dây, dẫn đến sụt áp lớn và tổn thất điện năng cao Tụ điện bù ngang được sử dụng để điều chỉnh cos cao hơn, với yêu cầu từ 0,85 đến 0,95 ở cuối đường dây phân phối Các nơi tiêu thụ có động cơ bắt buộc phải lắp đặt tụ bù, nếu không sẽ bị phạt với giá điện cao hơn Gần đây, ngay cả các thiết bị gia dụng như đèn huỳnh quang cũng đã được trang bị tụ điện bù cos từ nhà sản xuất để cải thiện hiệu suất.

Giảm thiểu tổn thất trong máy biến áp phân phối là rất quan trọng, vì tổn thất sắt chiếm tỷ lệ lớn trong tổng tổn thất Sử dụng máy biến áp mới với lõi sắt cuốn có tổn thất sắt thấp thay thế cho các thiết bị cũ sẽ giúp giảm thiểu đáng kể tổn thất này.

+ Chống tổn thất thông qua cải thiện điều kiện về vận hành:

Bài Toán Cực Tiểu Hàm Tổn Thất Năng Lượng

Giả thiết để đơn giản bài toán tái cấu trúc lưới để tổn thất năng lượng là bé nhất

Chi phí tối thiểu thông qua việc giảm thiểu tổn thất năng lượng có thể đạt được bằng cách cấu hình lại lưới điện, bao gồm cả việc tính toán chi phí cho quá trình này Thực tế cho thấy, ngay cả ở các nước công nghiệp phát triển, chi phí chuyển tải có ảnh hưởng lớn đến quyết định thay đổi cấu trúc lưới Đôi khi, chi phí này có thể vượt quá lợi ích thu được, do đó cần xác định rõ những cấu hình thay đổi khả thi với chi phí thấp nhất Vì vậy, trong quá trình vận hành, cấu trúc lưới chỉ được thay đổi khi đáp ứng các yêu cầu nhất định.

- Phải cô lập sự cố và tái cấu trúc lưới chống quá tải lưới, máy biến thế nguồn

- Mức giảm tổn thất năng lượng ít nhất đủ bù đắp các chi phí chuyển tải

Hình 2 5 Lưu đồ giải thuật của Rubin Taleski và Dragoslav [4]

Bài toán xác định cấu trúc lưới điện thay đổi trong thời gian khảo sát nhằm tối ưu hóa tổn thất năng lượng đã được Rubin Taleski đề xuất một giải thuật mới Giải thuật này dựa trên phương pháp giảm tổn thất công suất thuần heuristic của Civanlar, nhưng thay thế hàm tổn thất công suất bằng hàm tổn thất năng lượng, được xây dựng từ đồ thị phụ tải và điện áp trung bình trong 24 giờ Một trong những ưu điểm nổi bật của giải thuật là số vòng lặp trong bài toán giảm ∆A tương đương với số vòng lặp tìm cấu trúc lưới có ∆P, sau khi chuyển đổi đồ thị phụ tải và điện áp thành công suất đẳng trị, cho phép áp dụng công thức giảm tổn thất công suất của Civanlar.

Bài toán cực tiểu tổn thất năng lượng là một thách thức quan trọng đối với các lưới điện có hệ thống SCADA chưa phát triển và thiếu trang thiết bị hiện đại Việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng trong những điều kiện này không chỉ giúp giảm thiểu tổn thất mà còn nâng cao độ tin cậy của lưới điện.

- Chọn vòng kế tiếp để tối ưu hóa

- Ước tính tổn thất năng lượng sẽ giảm

- Chọn nhánh trong vòng để mở

- Cài tất cả các vòng ở trạng thái không tối ưu

- Tối ưu hóa các vòng độc lập

- Tính điện áp trung bình tại các nút và dòng công suất trung bình

- Đánh dấu các vòng ở trạng thái không tối ưu khi có dòng công suất thay đổi

Tìm được nhánh mở tốt Đánh dấu vòng vừa mở là tối ưu Thay đổi cấu trúc lưới và lưu trữ để so sánh với vòng lặp kế tiếp

Cấu trúc lưới điện tối ưu

Vòng chưa tối ưu trong hệ thống điện phân phối Việt Nam dẫn đến chi phí chuyển tải cao do không bị đóng cắt Các giải thuật của Rubin Taleski yêu cầu thông tin về đồ thị phụ tải của từng tải tiêu thụ, nhưng việc thu thập dữ liệu này gặp khó khăn do cần nhiều bộ ghi dữ liệu đắt tiền Do đó, cần xây dựng giải thuật tái cấu hình lưới với chi phí tối thiểu, nhằm tạo ra lợi nhuận khi tổn thất nhỏ hơn chi phí vận hành khi thay đổi cấu hình lưới.

Tái Cấu Hình Lưới Điện Phân Phối

Phương pháp trao đổi nhánh đơn giản dựa trên ý tưởng tính toán sự thay đổi của tổn thất công suất thông qua việc vận hành cặp khóa điện, nhằm mục đích giảm thiểu tổn thất này Ưu điểm của phương pháp này là tính đơn giản và dễ hiểu, nhưng nó cũng có những nhược điểm như phụ thuộc vào cấu hình mạng ban đầu, chỉ đạt được tối ưu cục bộ thay vì tối ưu toàn cục, và tốn nhiều thời gian cho việc lựa chọn, vận hành từng cặp khóa điện cũng như tính toán phân bố công suất trong mạng hình tia.

Mô hình dòng chảy tối ưu là phương pháp phân bố dòng công suất trong mạng, nơi trở kháng của các nhánh được thay thế bởi các điện trở tương ứng, đảm bảo tuân thủ các định luật KCL và KVL Khi dòng công suất trong một vòng kín đạt trạng thái tối ưu, tổn thất công suất trong mạng sẽ được giảm thiểu ở mức thấp nhất Ý tưởng cốt lõi của mô hình này là mở khóa điện của nhánh có dòng điện thấp nhất trong vòng kín, và các bước của thuật toán Heuristic sẽ dựa trên mô hình dòng chảy tối ưu này.

(i) Tính toán phân bố công suất của mạng hình tia ban đầu;

(ii) Đóng tất cả các khóa điện thường mở để tạo thành các mạng vòng;

(iii) Tính toán dòng điện tương đương bơm vào tất cả các nút trong một vòng thông qua phương pháp bơm dòng điện;

(iv) Thay thế trở kháng của nhánh tương ứng bằng điện trở của nhánh trong các vòng kín và sau đó tính toán dòng chảy tối ưu;

(v) Mở khóa điện của nhánh có dòng điện thấp nhất trong vòng kín Tính toán lại

(vi) Mở khóa điện trên nhánh tiếp theo và lặp lại bước (v) cho đến khi mạng trở thành một mạng hình tia

Phương pháp này có nhiều ưu điểm, bao gồm việc cấu hình mạng cuối cùng không phụ thuộc vào cấu trúc mạng ban đầu và tốc độ tính toán nhanh hơn đáng kể so với các phương pháp đổi nhánh đơn giản Bài toán vận hành khóa điện tổ hợp phức tạp có thể được chuyển thành bài toán Heuristic bằng cách mở một khóa điện mỗi lần Tuy nhiên, phương pháp cũng tồn tại một số nhược điểm, như việc nhiều khóa điện thường mở trong mạng có thể dẫn đến tính toán dòng chảy tối ưu gặp nhiều vòng lặp, làm giảm khả năng tối ưu của giải pháp cuối cùng Ngoài ra, khi phân bố công suất được giải quyết bằng các phương pháp bơm dòng điện vào, việc tính toán ma trận tổng trở Thevenin tương đương của mạng với nhiều nút sẽ tăng gánh nặng tính toán Cuối cùng, cần phải tính toán phân bố công suất mạng điện kín hai lần cho mỗi lần chuyển đổi một khóa.

2.3.2 Phương pháp tối ưu kiến – Ant Colony Optimization Method

Giải thuật kiến, được đề xuất bởi Dorigo vào đầu những năm 1990, đã được áp dụng bởi Carpento và Chicco để tối ưu hóa tái cấu hình lưới điện phân phối nhằm giảm thiểu tổn thất Phương pháp này mô phỏng hành vi tìm kiếm thức ăn của đàn kiến, trong đó các con kiến chọn ngẫu nhiên đường đi và để lại dấu chân Qua thời gian, các dấu chân này tích lũy, thu hút các con kiến khác, dẫn đến việc xác định đường đi ngắn nhất từ tổ đến nguồn thức ăn Giải thuật kiến đã chứng minh tính hiệu quả trong nhiều ứng dụng thực tế như tìm kiếm thông tin trên mạng, lập kế hoạch thời khóa biểu cho y tá, và tìm đường đi tối ưu cho tài xế Phương pháp này đặc biệt phù hợp cho các bài toán có không gian nghiệm lớn, giúp tìm ra cấu hình tối ưu với tổn thất công suất thấp nhất trong mạng phân phối.

Có nhiều phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối, bao gồm các thuật toán Heuristic được nghiên cứu trong các tài liệu [14-19] và việc sử dụng Cơ sở tri thức [20-26] Ngoài ra, mạng nơron, các thuật toán meta heuristic như giải thuật di truyền, cùng với lý thuyết mờ cũng được áp dụng để giải quyết vấn đề này [26].

Các phương pháp tiếp cận heuristic, dựa trên trực giác và kinh nghiệm của chuyên gia, giúp hạn chế không gian tìm kiếm trong lưới điện phân phối Tuy nhiên, việc áp dụng chúng vào các lưới điện khác gặp khó khăn do tính chuyên môn và kích thước phần mềm lớn cùng với thuật toán phức tạp Hệ chuyên gia, với hai thành phần chính là cơ sở tri thức và phương pháp suy diễn, đã cho thấy thành công trong việc giải quyết vấn đề trên lưới điện phân phối Dù vậy, không đảm bảo rằng phương pháp này luôn tìm ra cấu hình tối ưu cho số lần chuyển khóa.

Các hệ thống phân phối thường gặp tổn thất cao và vấn đề ổn định điện áp, do đó, việc giảm tổn thất và cải thiện sự ổn định điện áp trở thành ưu tiên hàng đầu Tái cấu hình mạng phân phối (DNR) là quá trình điều chỉnh trạng thái đóng/mở của các khóa điện trong mạng lưới để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Các nghiên cứu trước đây, như của Merlin và Back, đã áp dụng kỹ thuật heuristic để giải quyết vấn đề này, trong khi Civanlar và cộng sự đã phát triển phương pháp trao đổi nhánh để ước tính tổn thất giảm Gần đây, các phương pháp metaheuristic, bao gồm thuật toán di truyền cải tiến và các phương pháp như Opt-aiNet và Copt-aiNet, đã được giới thiệu để tìm kiếm giải pháp tối ưu cho DNR, nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống Thêm vào đó, tái cấu hình lưới điện phân phối cũng được áp dụng trong các bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu, sử dụng thuật toán tìm kiếm trọng lực nhị phân để cải thiện hiệu quả hệ thống.

Các Bài Toán Tái Cấu Trúc Lưới Điện Phân Phối Ở Góc Độ Vận Hành

Các bài toán vận hành lưới điện phân phối mô tả các hàm mục tiêu tái cấu trúc lưới điện:

- Bài toán 1: Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 thời đoạn để chi phí vận hành bé nhất

- Bài toán 2: Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát để tổn thất năng lượng bé nhất

- Bài toán 3: Xác định cấu trúc lưới điện tại 1 thời điểm để tổn thất công suất bé nhất

Bài toán 4 tập trung vào việc tái cấu trúc lưới điện nhằm cân bằng tải giữa các đường dây và máy biến thế nguồn tại các trạm biến áp Mục tiêu chính là nâng cao khả năng tải của lưới điện, từ đó cải thiện hiệu suất và độ tin cậy trong cung cấp điện năng.

- Bài toán 5: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa

Bài toán 6 yêu cầu xác định cấu trúc lưới nhằm tối ưu hóa nhiều mục tiêu đồng thời, bao gồm giảm thiểu tổn thất công suất, nâng cao mức độ cân bằng tải, giảm số lần chuyển tải và hạn chế sụt áp cuối lưới Các yếu tố này cần được cân nhắc trong một hàm mục tiêu tổng thể để đạt được hiệu quả tối ưu cho hệ thống lưới điện.

Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của lưới điện phân phối nhằm tối thiểu hóa tổn thất năng lượng và chi phí vận hành, đồng thời đảm bảo các điều kiện kỹ thuật, luôn là vấn đề quan trọng trong quản lý hệ thống điện Bảng 2.1 nêu rõ phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc dựa trên đặc điểm của lưới điện phân phối.

Bảng 2 1 Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc lưới

Tên bài toán 1 2 3 4 5 6 Đặc điểm lưới điện

Khoá điện được điều khiển từ xa   

Chi phí chuyển tải thấp, không mất điện khi chuyển tải

Chi phí chuyển tải cao, mất điện khi chuyển tải

Lưới điện thường xuyên bị quá tải   

Lưới điện ít bị quá tải    

Lưới điện hầu như không quá tải    

Lưới phân phối điện tại Việt Nam hiện nay có nhiều cấp điện áp khác nhau, dẫn đến chi phí chuyển tải cao Ngoài ra, việc cắt điện trong quá trình chuyển tải là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc cung cấp điện.

- Do lịch sử phát triển, ở mỗi miền đất nước có nhiều cấp điện áp phân phối và giữa các miền các cấp điện này cũng khác nhau (6,6; 10; 15; 22; 35 kV)

Reclosers và máy cắt có tải (LBS) không được điều khiển từ xa, dẫn đến chi phí đóng/cắt lớn và thời gian chuyển tải kéo dài do số lượng hạn chế.

- Các tổ đấu dây của máy biến áp tại các trạm trung gian không thống nhất, nên

Việc chuyển tải chỉ xảy ra khi:

Để chống quá tải cho đường dây và trạm biến áp trung gian, cần chú trọng vào những khu vực có phụ tải phát triển nhanh, đặc biệt trong giờ cao điểm hoặc khi có công tác sửa chữa các mạch vòng truyền tải.

- Tái cấu trúc lưới khôi phục cung cấp điện sau khi cô lập sự cố hay sửa chữa, cải tạo đường dây và trạm biến áp theo định kỳ

Xác định cấu trúc lưới với nhiều mục tiêu như giảm thiểu tổn thất công suất, tối ưu hóa mức độ cân bằng tải, giảm số lần chuyển tải và hạn chế sụt áp cuối lưới là bài toán đa mục tiêu quan trọng.

Bài toán 3 – Xác định cấu trúc lưới giảm ∆P là bài toán quan trọng nhất trong hệ thống tái cấu trúc lưới, nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng Đây được xem như một modul thiết yếu để giải quyết các bài toán khác Sự quan trọng của bài toán 3 đã được chứng minh qua các giải thuật trong các nghiên cứu trước đây Nó được kết hợp với Bài toán 1 - Cực tiểu hàm chi phí vận hành để tối ưu hóa hiệu quả hệ thống.

Hàm mục tiêu này tối ưu cho lưới điện phân phối với chi phí chuyển tải thấp, khả năng vận hành linh hoạt và cấu trúc lưới có thể thay đổi nhiều lần trong ngày.

C.S Chen và M.Y Cho là những người tiên phong trong nghiên cứu về sự khác biệt giữa thời gian khảo sát ngắn (24 giờ) và dài (tuần, mùa) Năm 1993, họ đã tiếp tục phát triển phương pháp của mình, trong đó lưu đồ giải thuật xác định cấu trúc lưới điện với chi phí vận hành thấp được trình bày rõ ràng Modul quan trọng nhất trong lưu đồ này là modul chỉ ra cấu trúc vận hành tối ưu trong khoảng thời gian Ti, được xem như bài toán 3 Quá trình thay đổi cấu trúc lưới điện bắt đầu từ một cấu trúc tối ưu tại một thời điểm nhất định, sau đó so sánh tổn thất công suất giữa cấu trúc cũ và mới để xác định cấu trúc vận hành cho thời điểm tiếp theo, và quy trình này tiếp tục diễn ra trong 24 giờ.

Giải pháp được đề xuất có ưu điểm nổi bật là tính đơn giản, nhưng thời gian giải quyết lại kéo dài do phải lặp lại bài toán theo từng thời đoạn trong quá trình khảo sát Hơn nữa, tác giả chưa đưa ra lý giải rõ ràng về giá trị công suất đẳng trị của phụ tải, điều này ảnh hưởng đến việc xác định cấu trúc tối ưu trong từng thời đoạn Ti Đặc biệt, cấu trúc vận hành hoàn toàn phụ thuộc vào thời đoạn xét ban đầu.

Vào năm 1997, Shirmohammadi đã trình bày một giải thuật xác định cấu trúc lưới điện dựa trên hàm chi phí vận hành, bao gồm tổn thất công suất quy ra tiền và chi phí chuyển đổi trạng thái cấu trúc lưới điện Ông áp dụng giải thuật tái cấu trúc giảm tổn thất công suất của Civanlar trong một thời đoạn Ti và chỉ ra rằng bài toán này chỉ phù hợp với lưới điện có hệ thống SCADA hoàn chỉnh cùng các khoá điện điều khiển từ xa Nghiên cứu của ông được áp dụng cho lưới điện thực tế của công ty Pacific Gas and Electricity tại San Francisco, California, Mỹ.

Hình 2 6 Lưu đồ giải thuật của Chen và Cho [13]

2.4 Các phương pháp áp dụng:

Kết hợp heuristics và tối ưu hóa: Việc kết hợp giữa giải thuật heuristics và tối ưu

T=T+1 Dữ liệu vào: Lưới điện, khoá, tải

Tính toán hàm chi phí, chỉ ra cấu trúc vận hành tối ưu

Lựa chọn thao tác khoá có mức giảm tổn thất lớn nhất

Vi phạm các điều kiện

Stop Ước tính mức giảm tổn thất

Cập nhật cấu trúc lưới điện

Y có khả năng xác định cấu trúc lưới điện tối ưu toàn cục mà không bị ảnh hưởng bởi cấu trúc lưới ban đầu, thông qua việc khảo sát tất cả các tổ hợp khóa điện có thể thay đổi trạng thái.

+ Giải thuật của Merlin và Back – kỹ thuật vòng kín

Giải thuật của Merlin và Back đơn giản là đóng tất cả các khoá điện để tạo thành một lưới kín, sau đó giải bài toán phân bố công suất và mở lần lượt các khoá có dòng chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện đạt dạng hình tia Họ khẳng định rằng với mạch vòng, lưới điện phân phối luôn duy trì mức tổn thất công suất thấp nhất.

Hình 2 7 Giải thuật của Merlin và Back được Shirmohammadi [3] cải tiến

Để vận hành lưới điện phân phối hình tia, Merlin và Back sẽ loại bỏ các nhánh có tổn thất công suất nhỏ nhất cho đến khi lưới điện đạt trạng thái vận hành hở Quá trình này sử dụng các giải thuật tìm kiếm nhánh và biên, áp dụng luật đọc dữ liệu lưới điện và khóa điện một cách chính xác.

Giải bài toán phân bố công suất và thay thế tải bằng các các nguồn dòng

Giải bài toán phân bố công suất tối ưu

Mở khoá điện có dòng bé nhất Đóngkhoá điện vừa mở Mở khoá điện có dòng bé nhất tiếp theo

Vi phạm các điều kiện vận hành

Xác Định Trạng Thái Vận Hành Lđpp Có Chi Phí Bé Nhất Bằng Giải Thuật Tái Cấu Hình

Giới Thiệu

Lưới điện phân phối hiện nay gặp khó khăn trong việc đóng cắt nhiều lần do chi phí chuyển tải lớn hơn mức giảm tổn thất năng lượng Để giảm chi phí vận hành và tránh mất điện, các điều độ viên chỉ cho phép thay đổi cấu trúc lưới khi thực sự cần thiết, nhằm giảm tổn thất điện năng toàn hệ thống, chống quá tải và khôi phục lưới điện sau sự cố Mục tiêu giảm tổn thất điện năng cần được nghiên cứu và xem xét phù hợp với chi phí vận hành của lưới điện phân phối.

Mục tiêu của việc điều khiển lưới điện là xác định cấu trúc lưới điện thay đổi trong thời gian khảo sát để giảm thiểu tổn thất năng lượng ∆A, đồng thời đảm bảo rằng lợi nhuận từ việc giảm tổn thất lớn hơn chi phí vận hành khi thay đổi cấu hình lưới điện Thời gian khảo sát có thể kéo dài từ 1 ngày đến nhiều tháng hoặc mùa Điều này dẫn đến bài toán tái cấu hình lưới trong vận hành lưới điện phân phối, đã được nhiều nghiên cứu giải quyết Nghiên cứu của Taleski được coi là toàn diện nhất, mặc dù giải thuật của ông vẫn còn phức tạp trong việc tính toán độ giảm ∆A cho mỗi vòng lặp do sử dụng thuật toán giảm ∆P của Civanlar.

Giải thuật này được ứng dụng để xác định các cấu trúc tối ưu với chi phí thấp nhất cho các cấu hình lưới điện, nhằm tối ưu hóa hiệu quả vận hành Việc thay đổi cấu hình giúp giảm thiểu tổn thất điện năng và chi phí chuyển đổi khóa điện, đồng thời phải đảm bảo tuân thủ các điều kiện ràng buộc về áp lực, dòng điện và số lần chuyển khóa.

Luận văn này tập trung vào việc tái cấu hình lưới điện phân phối nhằm giảm thiểu tổn thất năng lượng Mục tiêu là tối ưu hóa cấu hình lưới điện theo thời gian, đồng thời xem xét hàm lợi nhuận F để đảm bảo lợi nhuận đạt được so với chi phí vận hành các khóa điện trên lưới điện phân phối.

Mô Tả Bài Toán

Để tối ưu hóa chi phí vận hành và tái cấu trúc lưới điện phân phối với ∆A nhỏ nhất, có nhiều phương pháp tái cấu trúc lưới, trong đó giải thuật heuristic kết hợp với giải thuật tối ưu và giải thuật thuần heuristic được đánh giá là hiệu quả nhất Những giải thuật này giúp tìm ra cấu trúc lưới tối ưu một cách dễ dàng Có thể chia các giải thuật này thành hai nhóm chính: giải thuật của Merlin & Back, sử dụng kỹ thuật vòng cắt, đại diện cho phương pháp heuristic kết hợp với giải thuật tối ưu; và giải thuật của Civanlar, sử dụng kỹ thuật đổi nhánh, đại diện cho phương pháp thuần heuristic.

Hình 3 1 Lưới điện phân phối kín và hở

Trong lưới điện phân phối đơn giản, chiều dương được chọn theo hướng ngược chiều kim đồng hồ Khi khóa điện MN đóng, lưới điện hoạt động theo kiểu mạch vòng Dòng điện trên các nhánh được ký hiệu là Ii (i=1…n) Khi mở khóa MN, giả thiết rằng dòng điện trên các nhánh thuộc OM sẽ giảm đi một lượng nhất định.

Khi dòng điện IMN được áp dụng, dòng điện trên các nhánh thuộc ON sẽ tăng lên một lượng tương ứng Hàm tổn thất công suất tác dụng ΔP cho lưới điện kín và lưới điện hở trong hệ thống phân phối được thể hiện qua các biểu thức (3.1) và (3.2).

Tổn hao công suất của lưới điện phân phối trước khi tái cấu hình lưới:

∆P kín = ∑ n R i I i 2 + R MN I MN 2 i∈OM + ∑ n (−I i ) 2 R i i∈NO (3.1)

∆P hở = ∑ n R i (I i − I MN ) 2 i∈OM + ∑ n R i (I i + I MN ) 2 i∈NO (3.2)

So sánh tổn thất công suất tác dụng của lưới điện phân phối vận hành mạch vòng và vận hành hở được biểu diễn theo biểu thức (3.2)

    i n i n ho kin 2 2 2 2 i i MN i MN i i MN i MN i OM i NO i n i n

2 2 2 2 2 i i MN MN i i MN MN MN MN MN MN MN MN i OM i NO

MN i MN i MN i i MN MN i i i OM i NO i OM i NO

MN MN MN i i MN MN i i i OM i NO

MN i i MN MN i i i OM i NO

Nên P ho  P kin  I 2 MN R Loop MN

Trong đó: RMN Loop là tổng điện trở các nhánh trong vòng kín MN

Trong lưới điện phân phối mạch hở, dòng điện trên các nhánh không phụ thuộc vào tổng trở của nhánh mà chỉ phụ thuộc vào công suất tiêu thụ tại các phụ tải Do đó, có thể giả định rằng tồn tại một lưới điện phân phối với tổng trở nhánh thuần trở vẫn đảm bảo tổn hao công suất tác dụng như lưới điện phân phối thông thường, được tính theo công thức (3.4) Khi đóng khóa điện trên nhánh MN, theo định luật K2, sẽ có những biến đổi nhất định trong dòng điện.

∆P hở − ∆P kín = I MN 2 R loop => 0 => ∆P hở > ∆P kín (3.5)

Hình 3 2 Lưới điện phân phối một nguồn và hai vòng đơn

Trong bài viết này, chúng tôi xem xét lưới điện phân phối với một nguồn và hai vòng kín, nhằm mục tiêu tái cấu hình lưới điện để tìm ra cấu trúc vận hành tối ưu nhất dựa trên đồ thị phụ tải Mục tiêu là tối đa hóa hàm lợi nhuận mà không vi phạm các ràng buộc về dòng điện, điện áp và số khóa thay đổi Đối với lưới điện phân phối tổng quát, tổn thất công suất cần được tính toán để đảm bảo hiệu quả hoạt động.

Xét vòng thứ 1: Khi thay đổi khóa trong một vòng kín thì sẽ tạo ra nhiều cấu hình khác nhau:

Khi thay đổi khóa để cấu hình lưới điện phân phối thứ nhất, tổn thất điện năng của lưới sẽ được tính bằng công thức: P 1 ho  P kin  I R 1 2 Loop.

Khi thay đổi khóa để thiết lập cấu hình lưới điện phân phối thứ hai, tổn thất của lưới điện sẽ tương ứng với công thức: ΔP2 ho - ΔP kin = I R2 2 Loop.

Khi thay đổi khóa để cấu hình lưới điện phân phối thứ nhất, tổn thất trong lưới điện phân phối sẽ tương ứng với công thức: P i ho  P kin  I R i 2 Loop.

Như vậy: Cấu hình thứ 1 và cấu hình thứ 2 có sự chênh lệch nhau về tổn hao công suất: ho ho 2 2

Hay nói cách khác: Tổn thất điện năng n n

Mỗi loại khóa điện có cơ cấu đóng cắt khác nhau và thường cách xa nhau về địa lý, dẫn đến việc chuyển đổi (đóng/mở) các khóa điện trong quá trình tái cấu hình lưới mất nhiều thời gian Đây là yếu tố chiếm phần lớn thời gian và chi phí trong quá trình này.

Để đảm bảo hiệu quả vận hành, cần giảm thiểu số lần chuyển khóa so với cấu hình vận hành bình thường Số lần chuyển khóa đóng/mở so với cấu trúc lưới ban đầu trong quá trình tái cấu trúc được xác định thông qua một biểu thức cụ thể.

Trong đó: c: Giá tiền điện

Cclose: Chi phí đóng khóa khi chuyển đổi khóa

Copen: Chi phí khi mở khóa khi chuyển khóa

Như vậy, hàm mục tiêu cần cực tiểu trong quá trình tái cấu hình lưới điện điện gồm các thành phần:

Hàm lợi nhuận (3.7) và (3.8) có thể được sử dụng để tính toán và điều chỉnh quy trình phân bố công suất trong lưới điện phân phối Khi áp dụng công thức (3.8), nếu F>0, điều này cho thấy rằng việc chuyển đổi sang cấu hình lưới mới sẽ mang lại lợi ích lớn hơn chi phí thay đổi các khóa điện Ngược lại, khi F số khóa mở ban đầu

Xuất kết quả tốt nhất Kết thúc

Giải bài toán phân bố công suất tính toán hàm mục tiêu với chi phí là bé nhất j:=1

Thay đổi khóa điện đang mở thứ j trong cấu hình ban đầu thứ i bằng các vòng kín tương ứng

Giải bài toán phân bố công suất tính toán hàm mục tiêu với chi phí là bé nhất

Xác định cấu hình có hàm mục tiêu tốt nhất khi thay đổi khóa mở thứ j bằng các khóa trong vòng kín tương ứng Đúng

Thay thế các khóa đang mở trong vòng kín bằng một khóa khác để tạo thành một cấu hình mới i:=1

Thay thế và cập nhật cấu hình tốt nhất j:=j+1 i:= i+1 i> số cấu hình khôi phụ ban đầu Đúng

Hình 3 3 Lưu đồ giải thuật

Ví Dụ

Lưới điện có 1 vòng kín như hình 3.4 gồm 7 khóa điện là: 2-3; 4-5; 6-7; 8-9; 10-11; 12-13; 13-14 Với điện trở các nhánh là 0.15 và các phụ tải tại các nút 3, 5,

Hình 3 4 Mạng 1 nguồn có 7 nhánh Bảng 3 1 Số liệu của phụ tải Tải Nút

P(KW) Q(KVAR) P(KW) Q(KVAR) P(KW) Q(KVAR) P(KW) Q(KVAR)

Hình 3 5 Đồ thị phụ tải theo P (KW)

Đồ thị phụ tải theo Q (KVar) cho thấy trong điều kiện vận hành bình thường, khóa 8-9 được mở Để xác định cấu hình tối ưu cho từng thời đoạn vận hành của lưới điện, cần thực hiện các phân tích và điều chỉnh phù hợp.

Tính phân bố công suất trong các vòng kín giúp xác định nhánh có tổn thất công suất thấp nhất, từ đó xác định khóa mở của nhánh đó trong hệ thống.

+ Ở thời đoạn 1: khi tính toán trong 10 giờ thì khóa mở là 8-9

Thời gian Đồ thị phụ tải

Hình 3 7 Cấu hình lưới ở thời đoạn 1

+ Ở thời đoạn 2: khi tính toán trong 6 giờ thì khóa mở là 10-11

Hình 3 8 Cấu hình lưới ở thời đoạn 2

+ Ở thời đoạn 3: khi tính toán trong 8 giờ thì khóa mở là 8-9

Hình 3 9 Cấu hình lưới ở thời đoạn 3

+ Khi tính toán sử dụng TOPO sử dụng công suất trung bình thì khóa mở 8-9

Hình 3 10 Cấu hình lưới khi tính công suất trung bình

Như vậy, có 2 lần chuyển khóa trong 2 thời đoạn:

- Thời đoạn 1: vận hành lưới điện với khóa mở là 8-9

- Thời đoạn 2: vận hành lưới điện với khóa mở là 10-11 và đóng khóa 8-9

- Thời đoạn 3: vận hành lưới điện với khóa mở là 8-9 và đóng khóa 10-11

Bảng 3 2 Thông số sau khi tính toán

- Tìm độ lệch tổng tổn thất công suất giữa cấu hình đang vận hành và cấu hình mới có chênh lệch là lớn nhất, gồm có 2 phần:

+ Khi cấu hình 1 chuyển sang cấu hình 2: n

+ Khi cấu hình 2 chuyển sang cấu hình 3: n

Từ hàm lợi nhuận F có nhận xét như Bảng 3.3:

Bảng 3 3 Các trường hợp của đồ thị phụ tải chuyển khóa theo thời gian Thời đoạn

Lợi nhuận khi giảm tổn thất điện năng c n

2 10-11 Giá cao 2639.7 x c Không nên chuyển khóa

2639.7 x c Xem xét giá tiền điện c

(giá tiền điện) và giá chuyển khóa để lựa chọn Giá thấp 2639.7 x c Chọn chuyển khóa

3 8-9 Giá cao 224.7 x c Không nên chuyển khóa

224.7 x c Xem xét giá tiền điện c

(giá tiền điện) và giá chuyển khóa để lựa chọn

Giá thấp 224.7 x c Chọn chuyển khóa

Việc quyết định có chuyển khóa hay không dựa vào hàm lợi nhuận thu được F Thực tế cho thấy, các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quyết định này bao gồm thời gian chuyển khóa và chi phí liên quan, bao gồm cả chi phí mở khóa và đóng khóa.

Như vậy, để có cấu hình lưới điện mới cần phải xem xét số lần chuyển khóa n như sau: n

Hình 3 11 Tương quan giữa lợi nhuận và số lần chuyển khóa

Như vậy qua ví dụ này thấy rằng:

Khi vận hành và điều chỉnh việc đóng/mở các khóa điện, cần xem xét hàm mục tiêu để tối ưu hóa lợi nhuận bằng cách giảm thiểu tổn thất điện năng trong thời gian chuyển đổi.

Tương quan giữa lợi nhuận và số lần chuyển khóa

Để đưa ra quyết định về việc thay đổi cấu hình lưới, cần so sánh lợi nhuận từ các khóa điện với chi phí đóng mở chúng Nếu chênh lệch giữa lợi nhuận C1 và C2 lớn hơn 0, việc chuyển khóa được chấp nhận; ngược lại, nếu chênh lệch nhỏ hơn 0, quyết định sẽ là giữ nguyên các khóa mở trước đó Tuy nhiên, quyết định này cũng phụ thuộc vào hàm lợi nhuận liên quan đến số lần chuyển khóa.

Không phải lúc nào cũng có thể chuyển khóa để thay đổi cấu hình, điều này phụ thuộc vào lợi nhuận và chi phí tiết kiệm do tổn thất điện năng Cần xem xét liệu lợi nhuận có đủ lớn để bù đắp cho chi phí chuyển khóa hay không Ngoài ra, cũng cần cân nhắc các điều kiện ràng buộc khác như dòng điện và điện áp khi quyết định chuyển khóa.

Ví Dụ Kiểm Tra