Tái cấu trúc lưới điện để giảm tổn thất công suất tác dụng và nâng cao độ tin cậy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM NGUYỄN TRUNG QUÝ NGUYỄN TRUNG QUÝ LUẬN VĂN THẠC SĨ TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN ĐỂ GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHÓA 2012 Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN TRUNG QUÝ TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN ĐỂ GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN TRUNG QUÝ TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN ĐỂ GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRƯƠNG VIỆT ANH TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Nguyễn Trung Quý ii LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn đến tất quý Thầy, Cô Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM trang bị cho em kiến thức bổ ích tồn khố học tạo điều kiện, hỗ trợ cho em trình học tập thực luận văn Đặc biệt, xin trân trọng bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến Thầy, TS Trương Việt Anh – người trực tiếp hướng dẫn tận tình em suốt trình thực Luận văn tốt nghiệp Ngồi ra, tơi xin chân thành cám ơn đến bạn bè, đồng nghiệp gia đình tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Nguyễn Trung Q iii TĨM TẮT Hệ thống điện phân phối đóng vai trò quan trọng việc cung cấp điện đến hộ tiêu thụ Vì lý kỹ thuật, ln vận hành theo kiểu hình tia, thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy trình cung cấp điện Theo thống kê Điện lực Việt Nam tổng tổn thất điện khoảng từ 10-15% sản lượng điện sản xuất, lưới điện phân phối chiếm 5-7% Do nghiên cứu biện pháp giảm tổn thất công suất nâng cao độ tin cậy lưới phân phối nhu cầu xúc, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích kinh tế Mục tiêu nghiên cứu tìm giải thuật tái cấu trúc lưới điện phân phối theo hình tia nhằm giảm tổn thất cơng suất nâng cao độ tin cậy (giải thuật sử dụng giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO)), nhằm giúp tăng lợi ích kinh tế cho doanh nghiệp bao gồm doanh nghiệp bán điện (EVN), doanh nghiệp sản xuất, dịch vụ, thương mại nhân dân tuyến đường dây cung cấp Luận văn tiếp cận toán tái cấu trúc lưới điện phân phối với mục tiêu tối ưu chi phí ngừng điện xét đến nâng cao độ tin cậy lưới điện Giải pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối để nâng cao độ tin cậy giải giải thuật tối ưu bầy đàn PSO kết hợp với đánh giá độ tin cậy cung cấp điện thông qua biện pháp gián tiếp tìm cấu trúc lưới điện phân phối có chi phí hiệt hại ngừng cung cấp điện khách hàng cực tiểu hay tối ưu chi phí cho doanh nghiệp bán điện điều kiện thực tế vận hành, đồng thời giải mối quan hệ độ tin cậy cung cấp điện khách hàng iv ABSTRACT Distribution system plays an important role in providing electricity to consumers Because of technical reasons, it has been operated under the ray phenotype, although being designed loop style to increase the reliability of the power supply According to the Electricity of Vietnam Statistics, the total power loss between 10-15% of electricity production, which accounts for the distribution grid 5-7% Therefore, the measures to reduce power loss and improve the reliability of the distribution network is a unsatisfied need, basic to bring many economic benefits The research objective is to find the algorithm restructuring electricity distribution network in the form rays to reduce power loss and improve the reliability (the algorithm used here is swarm optimization algorithm (PSO)), to help increase the economic benefits for enterprises, including electricity businesses seller (EVN), the enterprises, services, trade and people on the lines that are being provided This conclusion approaches the problem to restructure electricity distribution networks with the goal of optimal stopping power at reliable cost to improve the reliability of the grid Solution of restructuring electricity distribution network to improve reliability are resolved by swarm optimization algorithm combined with PSO assess the reliability of power supply through an indirect approach is to find network structures electricity distribution costs due to stop loss of customer power supply minimum or optimal cost for businesses to sell power in the actual operating conditions, and also solves the relationship of reliability power supply of customers v MỤC LỤC Xác nhận cán hướng dẫn Nhiệm vụ luận văn Lời cam đoan i Lời cảm tạ… ii Tóm tắt iii Abstract .iv Mục lục v Danh sách chữ viết tắt vi Danh sách bảng vii Danh sách hình viii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN ……………………………… 1.1 Đặt vấn đề………………… 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ luận văn 1.3 Phạm vi nghiên cứu………………… 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Điểm luận văn 1.6 Giá trị thực tiễn……… 1.7 Bố cục luận văn…… CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI…………… 2.1 Đặc điểm lưới điện phân phối v 2.1.1 Ảnh hưởng đến tiêu kinh tế-kỹ thuật hệ thống điện 2.1.2 Cấu trúc lưới điện .………… 2.2 Thực trạng lưới phân phối Việt Nam 2.3 Các toán tái cấu trúc lưới điện (TCTLĐ) góc độ vận hành 2.4 Tổng quan phương pháp để tái cấu trúc để giảm tổn thất cho lưới điện phân phối………………… 11 2.4.1 Giải thuật Merlin Back – kỹ thuật vịng kín 11 2.4.2 Giải thuật Civanlar cộng – kỹ thuật đổi nhánh 13 2.4.3 Giải thuật di truyền (Genetic algorithm - GA) 15 2.4.4 Giải thuật đàn kiến (Ant colony algorithm - ACS) 17 2.4.5 Phương pháp hệ thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network-ANN) 19 2.4.6 Hệ chuyên gia……………… 20 2.4.7 Phương pháp tìm kiếm TABU (Tabu Search Method - TS) 20 2.4.8 Phương pháp bầy đàn ( Particle Swarm Method - PSO) 22 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐỀ NGHỊ .23 3.1 Bài toán tái cấu trục mạng để giảm chi phi ngừng điện 23 3.2 Giới thiệu giải thuật giảm chi phí ngừng điện 28 3.3 Kết tính tồn mạng nguồn điện 16 nút 33 3.4 Kết tính toàn mạng nguồn điện 16 nút 39 3.5 Kết tính tồn mạng nguồn điện 33 nút 45 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 52 4.1 Kết luận………… 52 4.2 Những hạn chế hướng phát triển đề tài 52 4.2.1 Những hạn chế……………………… 52 4.2.2 Đề xuất hướng phát triển đề tài… 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Nhóm chữ viết tắt Định nghĩa TCTLĐ Tái cấu trúc lưới điện LĐPP Lưới điện phân phối DS (Distance Switch) Dao cách ly LBS (Load Breaker Swich) Máy cắt phụ tải GA (Genetic Algorithm) Giải thuật di truyền ACS (Ant Colony Algorithm) Giải thuật đàn kiến ANN (Artificial Neural Network) Phương pháp hệ thần kinh nhân tạo TS (Tabu Search Method) Phương pháp tìm kiếm TABU PSO ( Particle Swarm Method) Phương pháp bầy đàn 3.4 Tính tốn mạng nguồn điện 16 nút Mạng nguồn tiêu chuẩn [2], dùng để kiểm tra giải thuật, gồm có đầu nguồn, 13 nút phụ tải, điện áp 22.8kV, tổng công suất phụ tải 28.7MW, tổn thất công suất 511.43kW tương ứng với khóa mở s5, s11, s16 outage power cost (vnd) 3.4 Tính tốn mạng nguồn điện 16 nút Trường hợp 1: Thời gian cố tuyến dây (0.5 giờ) Thực tính tốn giải thuật đề nghị, với số phần tử N=10, số vòng lặp iter = 20, sau 12 vịng lặp chi phí ngừng cung cấp điện hội tụ với giá trị thấp 8,824,998,050 vnđ tổn thất công suất bé 469.4kW 9.4 Open switchs: 16-> cost: 8824998050 vnd x 10 PSO Algorithm 9.2 8.8 10 12 14 16 Iteration Open switchs: 16-> Ploss: 469.4063 kW 18 20 power loss (kW) 520 PSO Algorithm 500 480 460 10 12 Iteration 14 16 18 20 3.4 Tính tốn mạng nguồn điện 16 nút So sánh kết sau tái cấu trúc lưới điện Cấu hình ban Cấu hình sau tái đầu cấu trúc Phần trăm giảm sau tái cấu trúc (%) Khóa mở s5 s11 s16 s9 s7 s16 Tổn thất công suất (kW) 514.6344 469.4063 8.79 Chi phí ngừng điện (vnđ) 9,607,394,495 8,824,998,050 8.14 Nhận xét : Sau tái cấu trúc tìm cấu trúc lưới điện giảm chi phí ngừng điện giảm thời gian ngừng điện hệ thống xem xét đến tổn thất công suất xuống 8.14% Bên cạnh đó, cấu trúc lưới điện sau tái cấu trúc cịn có tổn thất cơng suất bé cấu trúc ban đầu 8.79% outage power cost (vnd) 3.4 Tính tốn mạng nguồn điện 16 nút Trường hợp 2: Giả sử đường dây 3-13, 13-15, 14-10 có cường độ cố lớn (λ=2), thời gian sửa chữa (tsc = 10 giờ) Đơn giá ngừng điện 20,000 vnđ/kwh Thực tính toán giải thuật đề nghị 10 1.17 Open switchs: 11 15-> cost: 11365599843 vnd x 10 PSO Algorithm 1.16 1.15 1.14 1.13 10 12 14 16 Iteration Open switchs: 11 15-> Ploss: 524.7488 kW 18 20 power loss (kW) 560 PSO Algorithm 540 520 500 10 12 Iteration 14 16 18 20 3.4 Tính tốn mạng nguồn điện 16 nút So sánh kết sau tái cấu trúc lưới điện Cấu hình ban Cấu hình sau tái đầu cấu trúc Phần trăm giảm sau tái cấu trúc (%) Khóa mở s5 s11 s16 s9 s11 s15 Tổn thất công suất (kW) 514.6344 524.7488 -1.97 Chi phí ngừng điện (vnđ) 11,986,394,495 11,365,599,843 5.18 Nhận xét : Cấu trúc ban đầu có chi phí ngừng điện 11,986,394,495vnđ Sau tái cấu trúc lưới điện theo hàm mục tiêu giảm chi phí ngừng điện, giảm chi phí xuống 11,365,599,843vnđ tương ứng với 5.18% Nhận xét : Có thể thấy rằng, cấu hình lưới điện có tổn thất cơng suất lớn cấu hình ban đầu 1.97% chi phí tổn thất khơng đáng kể so với chi phí ngừng cung cấp điện, nên trường hợp vận hành lưới điện cấu hình có chi phí ngừng điện bé để đảm bảo thiệt hại thấp Kết mô giải thuật cho thấy giải thuật đề nghị phù hợp với toán tái cấu trúc lưới điện với hàm mục tiêu khác 3.5 Tính tốn mạng nguồn điện 33 nút Lưới điện 33 nút nguồn, thông số thể [2] Tương ứng với khóa mở s33, s34, s35, s36, s37 s37 s36 s34 s33 s35 outage power cost (vnd) 3.5 Tính tốn mạng nguồn điện 33 nút Đối với mạng nguồn 33 nút, giải thuật sử dụng N = 10, Iter = 20 Giải thuật hội tụ sau 12 vịng lặp tìm cấu trúc có chi phí ngừng điện bé 2,872,670,064 vnđ Độ hội tụ giải thuật sau lần thực thi Open switchs: 28 14 32-> cost: 2872670064 vnd x 10 3.2 cho hình PSO Algorithm 3.1 2.9 2.8 10 12 14 16 18 Iteration Open switchs: 28 14 32-> Ploss: 139.9298 kW 20 power loss (kW) 160 PSO Algorithm 150 140 130 10 12 Iteration 14 16 18 20 3.4 Open switchs: 28 14 32-> cost: 2872670064 vnd x 10 PSO Algorithm 3.2 2.8 10 12 14 16 18 Iteration Open switchs: 28 14 32-> Ploss: 139.9298 kW 20 outage power cost (vnd) o utag e p owe r c ost (vn d ) 3.5 Tính tốn mạng nguồn điện 33 nút PSO Algorithm 160 150 140 130 3.2 Open switchs: 28 14 32-> cost: 2872670064 vnd PSO Algorithm 3.1 2.9 2.8 10 12 14 16 18 Iteration Open switchs: 28 14 32-> Ploss: 139.9298 kW 20 155 power loss (kW) po we r lo ss (kW ) 170 x 10 10 12 Iteration 14 16 18 20 PSO Algorithm 150 145 140 135 10 12 Iteration 14 16 18 20 3.5 Tính tốn mạng nguồn điện 16 nút So sánh kết sau tái cấu trúc lưới điện Cấu hình ban Cấu hình sau tái đầu cấu trúc Phần trăm giảm sau tái cấu trúc (%) s33, s34, s35, s7, s9, s14, s36, s37 s28, s32 Tổn thất công suất (kW) 208.2502 139.9298 32.8 Chi phí ngừng điện (vnđ) 4,188,943,379 2,872,670,064 31.4 Khóa mở 3.6 Nhận xét Sau thực tái cấu trúc lưới điện lưới điện khác nhau, giải thuật đề nghị cho thấy ưu điểm: - Giải thuật đề nghị tìm cấu trúc lưới điện tối ưu khoảng thơi gian ngắn (thơng qua số vịng lặp ít) - Kết tìm kiếm tối ưu giải thuật đề nghị thường kết tối ưu nhất, hay gọi tối ưu tồn cục Kết mơ mạng điện khác chứng tỏ phù hợp giải thuật toán tái cấu trúc lưới điện - Từ kết mô mạng điện cho thấy, vận hành lưới phân phối có tính đến nâng cao độ tin cậy cung cấp điện đóng vai trị quan trọng việc lựa chọn cấu hình vận hành tối ưu Trong tương lai, yêu cầu cung cấp điện ngày doanh nghiệp đặt lên cao Điều đòi hỏi đơn vị bán điện phải vận hành lưới phân phối cấu hình có tổn thất công suất lớn để đảm bảo cung cấp điện liên tục tới khách hàng Kết luận hướng phát triển đề tài 4.1 Kết luận: Bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối đưa với nhiều mục tiêu khác như: giảm tổn thất điện lưới điện, cải thiện hệ số tin cậy hệ thống, cải thiện khả tải lưới điện, vv…và nhà khoa học nước nghiên cứu áp dụng cách có hiệu Luận văn tiếp cận toán tái cấu trúc lưới điện phân phối với mục tiêu tối ưu chi phí ngừng điện xét đến nâng cao độ tin cậy lưới điện Giải pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối để nâng cao độ tin cậy giải giải thuật tối ưu bầy đàn PSO kết hợp với đánh giá độ tin cậy cung cấp điện thông qua biện pháp gián tiếp tìm cấu trúc lưới điện phân phối có chi phí hiệt hại ngừng cung cấp điện khách hàng cực tiểu hay tối ưu chi phí cho doanh nghiệp bán điện điều kiện thực tế vận hành, đồng thời giải mối quan hệ độ tin cậy cung cấp điện khách hàng Kết luận hướng phát triển đề tài 4.2 Những hạn chế hướng phát triển đề tài 4.2.1 Những hạn chế Mặc dù cố gắng, thời gian kiến thức cịn hạn hẹp dẫn đến đề tài có hạn chế sau: - Chưa xem xét đến độ tin cậy phần tử bảo vệ cho hệ thống điện cầu chì, dao cách ly, máy cắt….và phần tử khác góp - Nguồn điện (trạm biến áp trung gian) coi có độ tin cậy tuyệt đối, điều không với thực tế - Chưa thể xem xét điểm phụ tải nhỏ khu vực Kết luận hướng phát triển đề tài 4.2.2 Hướng phát triển đề tài -Xây dựng toán tái cấu trúc lưới điện theo hàm đa mục tiêu chi phí bao gồm chi phí tổn thất lưới, chi phí thiệt hại khách hàng ngừng cung cấp điện, chi phí công ty điện lực không bán điện, chi phí đầu tư mở rộng lưới điện v.v -Xem xét tốn góc độ đa dạng hơn, chẳng hạn xem xét kỹ ảnh hưởng tuổi thọ thiết bị, vị trí máy phát phân tán lưới, ảnh hưởng thực tế phụ tải đến độ tin cậy -Sau cùng, cố gắng, song thời gian nghiên cứu trình độ cịn hạn chế, luận văn chắn có nhiều thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp hội đồng, q thầy bạn học viên để luận văn tăng thêm giá trị khoa học thực tiễn Xin chân thành cảm ơn TRÂN TRỌNG CÁM ƠN SỰ LẮNG NGHE CỦA QUÝ THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN HỌC VIÊN MONG NHẬN ĐƯỢC Ý KIẾN NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG