Nghiên cứu đáp ứng phụ tải trong lưới phân phối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG PHỤ TẢI TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI PHẠM MINH THẢO Thao.PMCB190080@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật điện Chuyên ngành Hệ thống điện Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Bạch Quốc Khánh Bộ môn: Hệ thống điện Viện Điện HÀ NỘI, 12/2021 Lời cảm ơn Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Bạch Quốc Khánh bên cạnh, động viên đưa hướng dẫn cấp thiết suốt q trình nghiên cứu hồn thiện nội dung luận văn Em xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Điện, Viện đào tạo Sau đại học tốn thể thầy mơn Hệ thống điện nói riêng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nói chung truyền cho em kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm quý báu để em có động lực hồn thành luận văn Em ln cố gắng để hồn thiện nội dung luận văn tốt nhất, nhiên không tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, em mong nhận nhiều đóng góp q thầy để em hoàn thiện luận văn tốt Em xin chân thành cảm ơn! Phạm Minh Thảo Tóm tắt nội dung Luận văn nghiên cứu chương trình đáp ứng nhu cầu phụ tải (DR) lưới phân phối nhằm tối ưu chi phí điện cho hộ gia đình sử dụng điện Chương trình đáp ứng phụ tải luận văn phát triển dựa mơ hình giả thuyết điện hai giá ba giá để tối ưu lịch trình sử dụng thiết bị dịch chuyển phụ tải Các điều kiện ràng buộc chương trình đảm bảo giữ nguyên lượng điện tiêu thụ hộ gia đình giúp họ cảm thấy thoải mái hoạt động hàng ngày họ bị thay đổi Luận văn sử dụng liệu từ phần mềm giả lập lịch trình phụ tải LPG làm liệu đầu vào cho chương trình đáp ứng phụ tải lập trình phần mềm Matlab Hiệu toán đánh giá dựa so sánh chi phí điện trước sau dịch chuyển phụ tải Các số liệu từ kết tính tốn rằng, chương trình đáp ứng phụ tải luận văn với mơ hình hai giá ba giá có hiệu tốt Lượng chi phí tiết kiệm đủ lớn để người sử dụng thay đổi thói quen sử dụng điện họ Chương trình DR luận văn đưa hiệu đáng ý, nhiên chưa kết tối ưu xét nhiều cách tính giá điện khác ví dụ giá điện lũy kế Bên cạnh đó, số lượng hộ gia đình tăng lên với đa dạng phụ tải ảnh hưởng lớn đến ràng buộc chương trình Vì vậy, chương trình cần xây dựng thử nghiệm với nhiều thuật toán đa dạng nghiên cứu tương lai Phạm Minh Thảo MỤC LỤC Chương 1: Cơ sở lý thuyết 1.1 Quản lý nhu cầu 1.1.1 Một số góc nhìn quản lý điện 1.1.2 Mục tiêu lợi ích quản lý nhu cầu 1.1.3 Cấu trúc quản lý nhu cầu 1.2 Lưới điện thông minh 1.2.1 Hệ thống đo lường thông minh 1.2.2 Khả điều khiển từ xa lưới phân phối thông minh 1.3 Đáp ứng nhu cầu phụ tải 11 1.3.1 Giới thiệu chung 11 1.3.2 Khái niệm đáp ứng phụ tải 12 1.3.3 Lợi ích mà đáp ứng phụ tải đem lại 14 1.3.4 Các dịch vụ phân loại đáp ứng phụ tải 17 1.4 Phần mềm giả lập lịch trình phụ tải LPG (Load Profile Generator) 22 1.4.1 Giới thiệu chung 22 1.4.2 Mơ hình phụ tải hộ gia đình 23 1.4.3 Loại phụ tải 26 1.4.4 Sự mong muốn 26 1.4.5 Thông tin chi tiết người sử dụng 28 1.4.6 Thông tin thời gian 29 1.4.7 Thông tin phụ tải 30 1.4.8 Thơng tin vị trí địa lý 32 1.4.9 Thơng tin hộ gia đình 33 1.4.10 Giả lập, tính tốn mức tiêu thụ hộ gia đình 35 1.5 Kết luận 38 Chương 2: Mô kết 40 2.1 Chương trình đáp ứng phụ tải 40 2.1.1 Hàm mục tiêu ràng buộc 41 2.2.1 Dữ liệu sử dụng toán 43 2.2 Kết 59 2.2.1 Chi phí điện hộ gia đình trước tối ưu 59 2.2.2 Chi phí điện tốn tối ưu hóa 62 Chương 3: Kết luận 76 3.1 Kết luận 76 3.2 Hướng phát triển tương lai 77 Tài liệu tham khảo 78 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc quản lý nhu cầu Hình 1.2 Cấu trúc truyền thông từ thiết bị đo lường thông tin đến trung tâm điều hành phân phối Hình 2.1 Cắt giảm phụ tải đỉnh 13 Hình 2.2 Lấp đầy phụ tải đáy 14 Hình 2.3 Dịch chuyển phụ tải 14 Hình 2.4 Các dịch vụ cung cấp từ nhiều nguồn 16 Hình 2.5 Phân loại đáp ứng phụ tải [2] 18 Hình 2.6 Giá điện theo khoảng thời gian sử dụng 20 Hình 2.7 Giá điện theo thời gian thực 20 Hình 2.8 Giá điện lũy kế 21 Hình 2.9 Cấu trúc giao tiếp đáp ứng nhu cầu 23 Hình 3.1 Các bước khởi tạo mơ hình 25 Hình 3.2 Sự tương tác yếu tố mơ hình 25 Hình 3.3 Thuộc tính loại phụ tải 26 Hình 3.4 Thuộc tính mong muốn 27 Hình 3.5 Bảng tổng hợp mong muốn 27 Hình 3.6 Thơng tin mơ hình sử dụng đối tượng 28 Hình 3.7 Thơng tin người sử dụng 28 Hình 3.8 Dữ liệu cài đặt thời gian 29 Hình 3.9 Nhập liệu có sẵn từ excel 29 Hình 3.10 Dữ liệu thiết bị sử dụng thẻ thời gian 30 Hình 3.11 Thơng tin phụ tải 30 Hình 3.12 Chi tiết phân loại phụ tải 31 Hình 3.13 Dữ liệu điện công suất phụ tải 31 Hình 3.14 Dữ liệu mơ hình phụ tải sử dụng 31 Hình 3.15 Dữ liệu địa lý 32 Hình 3.16 Số liệu vị trí cụ thể thành phố 33 Hình 3.17 Dữ liệu hộ gia đình 33 Hình 3.18 Dữ liệu thành viên gia đình 34 Hình 3.19 Dữ liệu cơng việc thành viên 34 Hình 3.20 Các hoạt động cụ thể thành viên 34 Hình 3.21 Nhập liệu cho tính tốn 35 Hình 3.22 Nhập liệu cho tính tốn 36 Hình 3.23 Nhập liệu cho tính tốn 36 Hình 3.24 Tệp liệu kết 37 Hình 3.25 Tệp biểu đồ hiển thị hành động điện tiêu thụ 37 Hình 3.26 Dữ liệu vận hành thiết bị 38 Hình 3.27 Các tệp kết tính toán chi tiết 38 Hình 4.1 Thuật tốn tối ưu lịch trình phụ tải theo chi phí thấp Matlab 69 Hình 4.2 Biến chứa kết toán hai giá 70 Hình 4.3 Các thơng số chi tiết 71 Hình 4.4 Biểu đồ điện tiêu thụ thiết bị 24 (1) 72 Hình 4.5 Biểu đồ điện tiêu thụ thiết bị 24 (2) 72 Hình 4.6 Chi phí đầu 73 Hình 4.7 Biểu đồ điện tiêu thụ thiết bị 24 (3) 74 Hình 4.8 Biểu đồ điện tiêu thụ thiết bị 24 (4) 74 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh tiết kiệm điện sử dụng hiệu Bảng 4.1 Thông tin thành viên gia đình 44 Bảng 4.2 Một số thông tin cài đặt khác 44 Bảng 4.3 Dữ liệu thiết bị A2 toán 46 Bảng 4.4 Dữ liệu thiết bị A3 toán 47 Bảng 4.5 Dữ liệu thiết bị A1 toán 47 Bảng 4.6 Điện tiêu thụ bóng đèn phòng khách 47 Bảng 4.7 Điện tiêu thụ bóng đèn nhà bếp 48 Bảng 4.8 Điện tiêu thụ đèn nhà tắm 48 Bảng 4.9 Điện tiêu thụ đèn nhà tắm phụ 48 Bảng 4.10 Điện tiêu thụ bóng đèn phịng ngủ 49 Bảng 4.11 Điện tiêu thụ đèn phòng làm việc 49 Bảng 4.12 Điện tiêu thụ đèn phòng ngủ trẻ em 49 Bảng 4.13 Điện tiêu thụ đèn phòng ngủ trẻ em 50 Bảng 4.14 Điện tiêu thụ máy đánh trứng 50 Bảng 4.15 Điện tiêu thụ máy ép nước hoa 50 Bảng 4.16 Điện tiêu thụ đài radio nhà bếp 51 Bảng 4.17 Điện tiêu thụ bếp điện 51 Bảng 4.18 Điện tiêu thụ máy pha coffe 51 Bảng 4.19 Điện tiêu thụ máy nướng bánh mì 52 Bảng 4.20 Điện tiêu thụ đầu đĩa CD/DVD 52 Bảng 4.21 Điện tiêu thụ đầu kỹ thuật số phim chuyên dụng 52 Bảng 4.22 Điện tiêu thụ TV 53 Bảng 4.23 Điện tiệu thụ máy thu SAT 53 Bảng 4.24 Điện tiêu thụ hệ thống loa Hifi 53 Bảng 4.25 Điện tiêu thụ ấm đun nước 54 Bảng 4.26 Điện tiêu thụ máy sấy quần áo 54 Bảng 4.27 Điện tiêu thụ máy giặt 54 Bảng 4.28 Điện tiêu thụ máy trò chơi PS3 55 Bảng 4.29 Điện tiêu thụ máy sấy tóc 55 Bảng 4.30 Điện tiêu thụ tủ lạnh 55 Bảng 4.31 Điện tiêu thụ cục phát Wifi 56 Bảng 4.32 Thời gian hoạt động phụ tải theo mơ hình tốn (1) 57 Bảng 4.33 Thời gian hoạt động phụ tải theo mơ hình tốn (2) 58 Bảng 4.34 Điện tiêu thụ chi phí điện theo mơ hình hai giá 60 Bảng 4.35 Điện tiêu thụ chi phí điện theo mơ hình ba giá 61 Bảng 4.36 So sánh hiệu toán 75 ∑ ∑ ∑ (4.13) - Đầu đĩa CD/DVD (A2): thuộc nhóm thiết bị giải trí thời gian sử dụng nới rộng từ – 22h: (4.14) ∑ (4.15) - PS3 (A2): thiết bị giải trí: (4.16) ∑ (4.17) - SAT Receiver (A2): thiết bị giải trí học tập: (4.18) ∑ (4.19) - Tivi (A2): thiết bị sử dụng với nhiều thiết bị kèm PS3, đầu đĩa CD/DVD, hệ thống chiếu phim, loa Hifi dùng nhiều thành viên dải thời gian hoạt động nới rộng thiết bị giải trí khác – 23h: (4.20) ∑ (4.21) 64 - Radio nhà bếp (A2): thiết bị giải trí dùng khoảng thời gian nấu bữa sáng – 9h: (4.22) (4.23) ∑ - Loa Hifi (A2): thiết bị nhóm giải trí hoạt động hệ thống chiếu phim, sử dụng khoảng thời gian 17 – 22 thành viên gia đình tụ họp: (4.24) (4.25) ∑ - Hệ thống chiếu phim (A2): hoạt động đồng thời loa Hifi: (4.26) (4.27) ∑ - Đèn nhà tắm đèn phụ (A2): nhóm thiết bị chiếu sáng sử dụng khoảng thời gian sinh hoạt khơng có ánh sáng mặt trời – 17 – 24 (4.28) ∑ ∑ (4.29) 65 - Đèn phòng ngủ (A2): thiết bị chiếu sáng phịng ngủ người lớn, có thời gian hoạt động buổi sáng họ thức dậy buổi tối (4.30) ∑ ∑ (4.31) - Đèn phòng ngủ trẻ em 1, (A2): trẻ em ém thời gian nhà nhiều người lớn nên thời gian hoạt động thiết bị chiếu sáng rộng từ – 14 19 – 23 giờ: (4.32) ∑ ∑ (4.33) - Đèn phòng khách (A2): phòng khách nơi diễn nhiều hoạt động vui chơi, giải trí nhu cầu chiếu sáng cao từ – 17 – 23 giờ: (4.34) ∑ ∑ (4.35) - Đèn phòng làm việc (A2): sử dụng vào thời điểm 20 – 23 chủ yếu người chồng: (4.36) ∑ (4.37) - Đèn nhà bếp (A2): sử dụng vào thời gian nấu bữa chính: 66 (4.38) ∑ ∑ ∑ (4.39) - Máy sấy quần áo (A3): thuộc nhóm thiết bị cần thời gian để hồn thành nhiệm vụ khơng ngắt tự Máy sấy hoạt động lần ngẫu nhiên ngày (4.40) ∑ (4.41) - Máy pha coffe (A2): hoạt động ngẫu nhiên thời gian bữa sáng – (4.42) ∑ (4.43) - Máy đánh trứng (A3): tương tự máy pha coffe, thiết bị hoạt động lần thời gian bữa sáng: (4.44) ∑∑ (4.45) - Máy say sinh tố (A3): hoạt động tương tự hai thiết bị trên: (4.46) 67 ∑∑ (4.47) - Máy nướng bánh mì (A3): nhóm thiết bị hoạt động lần bữa sáng: (4.48) ∑∑ (4.49) - Ấm đun nước (A3): thời gian cần thiết để đun nước sôi 10 phút hoạt động ngẫu nhiên lần thời gian từ – 22 hàng ngày: (4.50) ∑ (4.51) - Máy giặt (A3): hoạt động ngẫu nhiên lần ngày (4.52) ∑∑ (4.53) b) Xây dựng thuật tốn tối ưu chương trình đáp ứng phụ tải Matlab Thuật tốn tối ưu chương trình đáp ứng phụ tải tác giả xây dựng lập trình phần mềm Matlab theo bước nhu sau: 68 Hình 4.1 Thuật tốn tối ưu lịch trình phụ tải theo chi phí thấp Matlab Sau nhập liệu từ tập excel công suất định mức, điện tiêu thụ thiết bị phần mềm LPG, chương trình “đáp ứng phụ tải” dịch chuyển phụ tải sang khung xung quanh (dải dịch chuyển khơng q rộng để đảm bảo người sử dụng điện không cảm thấy bất tiện phải thay đổi thói quen cách đột ngột) thể “bảng 4.32, 69 4.33” Sau chương trình bắt đầu kiểm tra điều kiện ràng buộc công suất phụ tải ràng buộc chung hệ thống (mục 2.2.2.1 a) Nếu liệu tính tốn khơng thỏa mãn ràng buộc chương trình DR khởi động lại từ đầu cho lần tính Ngược lại, liệu thỏa mãn ràng buộc chương trình xuất lịch trình hoạt động thiết bị tính tốn chi phí theo mơ hình hai giá ba giá Chương trình “đáp ứng nhu cầu” lưu kết chi phí lần tính (1000 lần), so sánh chúng với đưa kết có chi phí thấp 2.2.2.2 Kết tính tốn chương trình đáp ứng phụ tải a) Kết theo mơ hình hai giá Sau 1000 lần tính tốn kết lưu biến “pop” (lịch trình phụ tải) “bestsol” (kết có chi phí thấp nhất) thể “hình 4.2” Dữ liệu đầu điện tiêu thụ sau dịch chuyển phụ tải lưu dạng ma trận 1x24 “hình 4.3” dạng “biểu đồ 4.3” Chi phí tốt theo mơ hình giá sau dịch chuyển phụ tải 57629 VND Hình 4.2 Biến chứa kết tốn hai giá 70 Hình 4.3 Các thông số chi tiết Biểu đồ 4.3 Điện tiêu thụ theo mơ hình hai giá sau dịch chuyển phụ tải 1.322 0.053 1.628 1.198 1.232 0.893 1.258 0.917 0.72 0.413 0.868 0.731 1.121 1.073 0.551 0.68 0.643 0.893 2.098 1.367 0.175 0.058 1.577 1.436 ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ (KWH) BIỂU ĐỒ ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TRONG 24 GIỜ THỜI GIAN TRONG NGÀY (GIỜ) 71 Hình 4.4 Biểu đồ điện tiêu thụ thiết bị 24 (1) Hình 4.5 Biểu đồ điện tiêu thụ thiết bị 24 (2) b) Kết theo mơ hình ba giá 72 Chi phí thấp thu sau 1000 lần tính tốn theo mơ hình giá 67325 VND (hình 4.6) Hình 4.6 Chi phí đầu Biểu đồ 4.4 Điện tiêu thụ theo mơ hình ba giá sau dịch chuyển phụ tải 1.83 0.998 0.882 1.137 0.788 0.963 1.482 0.8 0.565 0.725 0.413 0.856 1.097 0.968 0.893 0.607 0.087 0.198 0.761 1.453 2.194 1.196 1.224 0.691 ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ (KWH) BIỂU ĐỒ ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TRONG 24 GIỜ THỜI GIAN TRONG NGÀY (GIỜ) 73 Hình 4.7 Biểu đồ điện tiêu thụ thiết bị 24 (3) Hình 4.8 Biểu đồ điện tiêu thụ thiết bị 24 (4) 2.2.2.3 Đánh giá hiệu chương trình đáp ứng phụ tải Điện tiêu thụ hộ gia đình mơ hình CHR20 giả lập phần mềm LPG (biểu đồ 4.1) cho thấy nhu cầu sử dụng chủ yếu tập trung 74 khung cao điểm buổi sáng (6 – giờ) buổi trưa (11 – 14 giờ) Giả sử áp dụng mơ hình hai giá ba giá chi phí điện họ phải bỏ tương đối cao (mơ hình hai giá: 79909 VND; mơ hình ba giá: 87855 VND) Sau sử dụng chương trình đáp ứng phụ tải để tối ưu chi phí (biểu đồ 4.3, biểu đồ 4.4) cho thấy lượng nhu cầu san sang khu vực lân cận, tránh tập trung cao điểm Bảng 4.36 So sánh hiệu toán Phần trăm Tên CHR20 Bài tốn chi phí tiết kiệm (%) Chi phí mơ hình hai giá 79909 57629 38.6 87855 67325 30.4 (VND) Chi phí mơ hình ba giá Như số liệu đưa “bảng 4.36” ta thấy việc chương trình DR mà luận văn đề xuất theo mơ hình hai giá ba giá có hiệu lớn, 38.6% (mơ hình hai giá) 30.4% (mơ hình ba giá) Mơ hình điện hai giá cho thấy chi phí tiết kiệm lớn mơ hình giá chênh lệnh lớn bảng giá hai khung cao điểm thấp điểm Với 30% chi phí tiết kiệm khoả đáng kể, đủ lớn để hộ gia đình xem xét để thay đổi thói quen sử dụng điện nhu cầu họ không bị cắt giảm 75 Chương 3: Kết luận 3.1 Kết luận Chương trình “đáp ứng nhu cầu” (DR) luận văn xây dựng dựa việc tối ưu lịch trình dịch chuyển nhu cầu phụ tải theo mơ hình điện nhiều giá (hai giá ba giá) Từ kết tính tốn tốn luận văn đưa số kết luận chung sau: Thứ nhất, tác giả xây dưng thành cơng chương trình đáp ứng phụ tải (DR) nhằm tối ưu chi phí cho người sử dụng điện với kết 38,6 % (mơ hình hai giá) 30,4 % (mơ hình ba giá) cho hộ gia đình nhỏ Đây khoản chi phí lớn để hộ gia đình dần thay đổi thói quen sử dụng điện Bên cạnh đó, lượng nhu cầu hàng ngày họ khơng bị cắt giảm mang lại thoải mái suốt q trình thay đổi thói quen Thứ hai, đồ thị phụ tải cân đỉnh tải bị cắt giảm đáy san lấp Điều gián tiếp mang lại lợi ích vô to lớn cho lưới điện bên quản lý, vận hành là: cắt giảm chi phí đầu tư dự trữ, hạn chế sử dụng nguồn lượng đắt đỏ, nâng cao độ tin cậy lưới điện, cải thiện hiệu suất vận hành lưới Thứ ba, xây dựng thành cơng chương trình đáp ứng phụ tải theo mơ hình điện hai giá ba giá sở cơt lõi để xây dựng chương trình quản lý nhu cầu theo mơ hình giá động Đây điều kiện thiết yếu để phát triển bền vũng ngành lượng tượng lai Thứ tư, suốt q trình tìm hiểu để hồn thành luận văn, em học hỏi nhiều kiến thức bổ ích kỹ cơng cụ kỹ tìm, tổng hợp liệu; kỹ phân tích; kỹ mềm khác 76 3.2 Hướng phát triển tương lai Chương trình DR cần mở rộng với lượng liệu từ nhiều gia đình có thói quen sử dụng đa dạng nhằm cải thiện gia tăng hiệu chương trình đồng thời kết hợp xây dựng thêm số chương trình khuyến khích người dùng tạo tương tác qua lại nhà phân phối điện khách hàng 77 Tài liệu tham khảo [1] Ruilong Deng, Zaiyue Yang, Mo-Yuen Chow, and Jiming Chen, “A Survey on Demand Response in Smart Grids: Mathematical Models and Approaches”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS, VOL 11, NO 3, JUNE 2015 [2] Doug Hurley, Paul Peterson, Melissa Whited, “Demand Response as a Power System Resource”, Synapse, Energy economic, Inc, May 2013 [3] Yazhou Jiang , Chen-Ching Liu, and Yin Xu, “Review Smart Distribution Systems”, Energies, http://www.mpdi.com, 19 April 2016 [4] California Public Utilities Commission, Electric System Reliability Annual Report, 30 December 2014 [5] Jaclason M Veras, Plácido R Pinheiro, Igor Rafael S Silva, Ricardo A L Rabêlo, “A Demand Response Optimization Model for Home Appliances Load Scheduling”, 2017 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics (SMC), Banff Center, Banff, Canada, October – 8, 2017 [6] Bernd Platzer, Volker Quaschning, “Modellierung von Wasser und Energieverbräuchen in Haushalten”, 2016 [7] evn.com.vn/c3/evn-va-khach-hang/Bieu-gia-ban-le-dien-9-79.aspx 78 ... giảm phụ tải đỉnh chuyển lượng phụ tải sang lấp đầy phụ tải đáy Hình 2.1 Cắt giảm phụ tải đỉnh 13 Hình 2.2 Lấp đầy phụ tải đáy Hình 2.3 Dịch chuyển phụ tải 1.3.3 Lợi ích mà đáp ứng phụ tải đem... 1.3.2 Khái niệm đáp ứng phụ tải 12 1.3.3 Lợi ích mà đáp ứng phụ tải đem lại 14 1.3.4 Các dịch vụ phân loại đáp ứng phụ tải 17 1.4 Phần mềm giả lập lịch trình phụ tải LPG (Load... 1.3.4 Các dịch vụ phân loại đáp ứng phụ tải 1.3.4.1 Các loại dịch vụ đáp ứng phụ tải Đáp ứng phụ tải (DR) phục vụ nhiều đối tượng khách hàng (công nghiệp, thương mại, cư dân) ứng dụng nhiều công