các biện pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới điện phân phối huyện phú bình

Việc giảm tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối không chỉ góp phần đáng kể vào giảm giá thành điện năng mà còn chưa theo kịp sự phát triển của phụ tải điện thì việc nâng cao chất

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS ĐẶNG QUỐC THỐNG

THÁI NGUYÊN - 2014

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU:……… 1

CHƯƠNG 1: CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN……… 3

1.1 Khái niệm về chất lượng điện năng………3

1.2 Các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng……….4

1.2.1 Chất lượng tần số……….4

1.2.2 Chất lượng điện áp.……….5

CHƯƠNG 2: CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN………9

2.1 Nâng cao hệ số công suất cosφ……… 9

2.2 Chế độ vận hành kinh tế của các máy biến áp nhằm giảm tổn thất điện năng……… 9

2.3 Khái niệm về bù công suất phản kháng……… 12

2.3.1 Bù công suất phản kháng……… 12

2.3.2 Sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng……….13

2.3.3 Sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối 15

2.4 Tái cấu trúc lưới điện để giảm tổn thất điện năng………18

2.4.1 Giới thiệu chung về tái cấu trúc lưới điện……….18

2.4.2 Phương pháp thực nghiệm……….20

2.4.2.1 Giải thuật di truyền ( Genetic Algorithms - GA )……… 20

2.4.2.2 giải thuật mạng Nơron ( Meural Networks ) ……….20

2.4.2.3 Giải thuật con kiến……… 21

2.4.2.4 Giải thuật dựa trên hệ thống chuyên gia……….22

2.5 Kết luận………23

CHƯƠNG 3: TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN VÀ BÀI TOÁN GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG……… 25

3.1 Lưới điện phân phối trung thế……… 25

3.1.1 Giới thiệu chung về lưới phân phối trung thế……… 25

3.1.2 Các phần tử phân đoạn trong lưới điện phân phối……….25

3.1.2.1 Dao cách ly……….25

3.1.2.2 Dao cách ly có điều kiện……… 26

3.1.2.3 Cầu dao phụ tải……… 26

3.1.2.4 Máy cắt……… 27

3.1.2.5 Máy cắt tự đóng lại ( Recloser )……….27

3.1.2.6 Hệ thống tự động phân phối (Distriibuted Automation System - DAS) .……… 28

3.1.3 Một số cấu trúc lưới phân phối……… 29

3.1.3.1 Lưới phân phối trung thế hình tia, không phân đoạn……….29

3.1.3.2 Lưới phân phối trung thế một nguồn, có phân đoạn……… 30

3.1.3.3 Lưới phân phối trung thế hai nguồn, có phân đoạn………31

3.2 Tổn thất điện năng trong lưới phân phối……… 31

3.3 Mô hình toán học bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối……….32

CHƯƠNG4:ỨNG DỤNG TÁI C PHÚ BÌNH ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG………35

4.1 Giới thiệu chung về lưới điện ph 35

4.2 PSS/ADEPT và khả năng ứng dụng tái cấu trúc lưới điện phân phối… 35

4.2.1 Giới thiệu chương trình PSS/ADEPT………35

4.2.1.1 Chức năng của PSS/ADEPT……… 37

4.3 Tái cấu trúc lưới điện phân phối……… 43

4.3.1 Hàm mục tiêu………44

4.3.2 Giải thuật tìm điểm mở tối ưu trong lưới điện mạch vòng………44

4.3.2.1 Điểm phân công suất trong lưới điện vòng………44

4.3.2.2 Cách xác định điểm phân công suất……… 45

4.3.2.3 Phương pháp giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối……… 47

4.3.2.4 áp dụng giải bài toán mẫu……… 49

4.3.3 Áp dụng giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối huyện Phú

Bình……….60

4.4 Kết luận………74

KẾT LUẬN CHUNG VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO….……… 75

PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Trong những năm qua, Điện lực Phú Bìnhluôn đảm bảo điện ổn định, an toàn với chất lượng cao cho các hoạt động chính trị, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng, ngoại giao, các hoạt động văn hóa thể thao, lễ hội của Đảng và Nhà nước diễn ra trên toàn Huyện Cùng với việc đảm bảo vận hành tốt lưới điện, Điện lực Phú Bình đã đảm bảo cung cấp đủ điện cho mọi đối tượng khách hàng trên địa bàn Huyện Phú Bình, đáp ứng tối đa nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội và sinh hoạt của nhân dân trong Huyện

Huyện Phú Bình sau khi mở rộng một số dự án một số khu công nghiệp như Điềm thụy, Kha sơn trên địa bàn rộng lớn, lưới điện cũ lát, lạc hậu Việc giảm tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối không chỉ góp phần đáng kể vào giảm giá thành điện năng mà còn chưa theo kịp sự phát triển của phụ tải điện thì việc nâng cao chất lượng điện năng lưới điện phân phối không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần đảm bảo khả năng cung cấp điện ổn định cho các phụ tải điện

2 Lịch sử nghiên cứu:

Trên cơ sở nghiên cứu những biện pháp nâng cao chất lượng điện năng cho hệ thống cung cấp điện và ứng dụng trong giải bài toán tái cấu trúc lưới điện giảm tổn thất điện năng từ những báo cáo, tài liệu đã công bố

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

Đề tài " Các biện pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối huyện Phú Bình" trình bày các phương pháp nâng cao chất lượng điện năng, ứng dụng tái cấu trúc lưới điện phân phối huyện Phú Bình

Úng dụng chạy chương trình mô phỏng tính toán hệ thống điện PSS/ADEPT (Power System Simulator/Advanced Distribution Engineering Productivity Tool) phiên bản 5.0 ứng dụng cho bài toán mẫu Civanlar 3 nguồn và lưới điện phân phối huyện Phú Bình

4 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới:

Với mục đích như trên, nội dung cơ bản của luận văn bao gồm:

- Các biện pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối huyện Phú Bình

- Tái cấu trúc lưới điện giảm tổn thất điện năng

- Ứng dụng tái cấu trúc lưới điện phân phối huyện Phú Bình nâng cao chất lượng điện năng

Luận văn đưa ra tính hiệu quả và sự cần thiết của việc tái cấu trúc lưới điện phân phối huyện Phú Bình thông qua nghiên cứu với phần mềm PSS/ADEPT 5.0

5 Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn được thực hiện dựa trên những nghiên cứu tìm hiểu về bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất điện năng từ những báo cáo và tài liệu tham khảo đã công bố

Sử dụng phần mềm PSS/ADEPT 5.0 ứng dụng mô phỏng tính toán hệ thống cung cấp điện huyện Phú Bình

Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành Tác giả xin bày tỏ

lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS Đặng

Quốc Thống Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Hệ thống điện -

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình tham gia khóa học Xin chân thành cảm ơn Khoa sau đại học, bạn bè đồng nghiệp và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Do hạn chế về thời gian, trình độ nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót Tác giả rất mong nhận được những chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cô giáo cũng như các đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG

CUNG CẤP ĐIỆN

1.1 Khái niệm về chất lượng điện năng

Định nghĩa về chất lượng điện năng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện sự gia tăng ứng dụng của các thiết bị điện tử đã làm tăng sự quan tâm đến chất lượng điện năng trong những năm gần đây Đảm bảo chất lượng điện năng là phải đảm bảo chất lượng của điện áp và tần số Chỉ cần một trong các yếu tố trên không đảm bảo, chất lượng điện năng sẽ không đảm bảo

Hệ thống điện Việt Nam gồm có các nhà máy điện, các lưới điện, các hộ tiêu thụ được liên kết với nhau thành một hệ thống để thực hiện 4 quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng trong lãnh thổ Việt Nam Hệ thống điện Việt Nam có nhiều cấp điện áp định mức khác nhau: 500kV, 220kV, 110kV, 63kV, 35kV, 22kV, 15kV, 10kV, 6kV, 0,4kV với tần số định mức là 50Hz Trong khi tần

số là đại lượng mang tính hệ thống, điện áp lại không đồng nhất tại các điểm khác nhau trong hệ thống Trong cùng một cấp điện áp, điện áp ở xa nguồn thường có giá trị nhỏ hơn ở những điểm gần nguồn do tồn tại tổn thất điện áp trong mạng điện Các thiết bị dùng điện đều được thiết kế để làm việc với giá trị tần số định mức của

hệ thống điện và giá trị điện áp ở lân cận giá trị định mức của một cấp điện áp phân phối nào đó

Chất lượng điện năng được xem là đảm bảo nếu tần số và điện áp biến đổi trong phạm vi cho phép quanh giá trị định mức Phạm vi này được quy định trên cơ

sở đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của thiết bị dùng điện và các tiêu chuẩn

về độ lệch điện áp và tần số Khi các giá trị thực tế của điện áp và tần số vượt ra ngoài độ lệch cho phép phải tiến hành các biện pháp điều chỉnh

Độ lệch điện áp hoặc tần số đƣợc định nghĩa là hiệu số giữa giá trị đo đƣợc

Việc điều chỉnh điện áp trong mạng điện rất phức tạp Mỗi mức cân bằng P

và Q trong hệ thống điện xác định một giá trị của tần số và điện áp Khi sự cân bằng

bị phá vỡ tần số và điện áp sẽ biến đổi cho đến khi xác lập sự cân bằng mới, ứng với các giá trị xác lập mới của tần số và điện áp

Điều kiện cần thiết để có điều kiện điều chỉnh đƣợc tần số và điện áp là trong

hệ thống điện phải có đủ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q để đáp ứng nhu cầu luôn biến đổi của phụ tải và bù vào tổn thất trong quá trình sản xuất truyền tải điện năng

Điều chỉnh tần số có thể thực hiện nhờ thay đổi công suất của các nhà máy điện nào, ngƣợc lại điều chỉnh điện áp không thể tiến hành tập trung mà phải thực hiện ở chỗ thiếu công suất phản kháng Q

Điều chỉnh điện áp có thể thay đổi cân bằng công suất tác dụng P và cân bằng công suất phản kháng Q nhƣng chủ yếu đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi cân bằng công suất phản kháng Q

1.2 Các tiêu chuẩn về chất lƣợng điện năng

1.2.1 Chất lƣợng tần số

f f

U

U U

(1.3) Trong đó:

Ut : Điện áp thực tế

Uđm : Điện áp định mức

Độ lệch điện áp đƣợc quy định nhƣ sau:

Đối với động cơ điện ở các xí nghiệp công nghiệp

-5% U +10%

Đối với các thiết bị chiếu sáng trong xí nghiệp công nghiệp, trong các công

sở và chiếu sáng công công cộng

-2,5% U +5%

Đối với các thiết bị điện khác ở thành phố xí nghiệp

-5% U +5%

Đối với các thiết bị điện đấu vào mạng điện nông nghiệp

Điều chỉnh điện áp theo độ lệch

Các chỉ tiêu chính của chất lượng điện năng là độ lệch tần số, độ lệch điện

áp, dao động điện áp, sự không đối xứng và không hình sin của đường cong điện áp

- Độ lệch tần số là chỉ tiêu hệ thống của chất lượng điện năng

- Độ lệch điện áp là hiệu số giữa giá trị thực của điện áp danh định của mạng

Udđ

- Độ dịch chuyển trung điểm của các nút điện áp

Tần số là một thông số có tính hệ thống Ngược lại việc quản lý chất lượng điện áp về nguyên tắc phải được thực hiện phân tán và theo nhiều cấp khác nhau trong mạng điện nhằm đạt các chỉ tiêu về độ lệch tuyệt đối so với giá trị điện áp yêu cầu, về khoảng thời gian xảy ra độ lệch, về hậu qủa của độ lệch Nghĩa là cần đánh giá sự kiện sai lệch về chất lượng điện áp không gian 3 chiều: chiều rộng của cường

độ, chiều dài của thời gian (còn gọi là đánh giá tích phân) và chiều sâu của hệ quả (thiệt hại kinh tế) tuy nhiên những chỉ tiêu trên đây được thực hiện trong những giằng buộc cụ thể về cấu trúc hệ thống, khả năng thiết bị, vốn đầu tư…

Điều chỉnh điện áp theo độ lệch là nhằm đảm bảo sao cho độ lệch điện áp so với điện áp định mức ở tất cả các thiết bị dùng điện nằm trong phạm vi cho phép

Chất lượng điện áp phải được đảm bảo ở mạng điện hạ áp sau TĐL, và phải được đảm bảo trên các cực thiết bị dùng điện sử dụng điện áp cao hơn nếu có

Để điều chỉnh điện áp ta có thể sử dụng các phương pháp sau:

1 Điều chỉnh điện áp máy phát điện bằng cách điều chỉnh dòng điện kích thích

2 Điều chỉnh điện áp ra của máy biến áp tăng áp và hạ áp bằng các đầu phân

6 Thay đổi cấu trúc lưới, thay đổi phương thức vận hành…

Về địa điểm thực hiện điều chỉnh điện áp có thể ở nhà máy điện, trên mạng điện khu vực và ở mạng điện địa phương hoặc đặt tại thiết bị dùng điện

Theo bản chất vật lý, chỉ có hai phương pháp điều chỉnh điện áp, hoặc tăng thêm nguồn công suất phản kháng (các phương pháp 1 và 4) hoặc phân phối lại công suất phản kháng trong mạch điện (các phương pháp còn lại) phương pháp này chỉ có hiệu quả khi hệ thống điện có đủ công suất phản kháng Khi hệ thống điện thiếu công suất phản kháng thì phương pháp duy nhất để điều chỉnh điện áp là tăng thêm các nguồn công suất phản kháng

Do sự phức tạp về cấu trúc của hệ thống điện và chế độ làm việc của phụ tải

và sự phân cấp trong thiết kế, thi công và quản lý vận hành, việc điều chỉnh điện áp một cách thống nhất trong toàn hệ thống điện là không thể thực hiện được Nhiệm

vụ điều chỉnh điện áp được phân chia cho từng khu vực của hệ thống điện: ở nhà máy điện, mạng điện khu vực và mạng điện địa phương Ở mỗi khu vực việc điều chỉnh điện áp nhằm đảm bảo các yêu cầu về điện áp ở đầu ra được tiêu chuẩn hóa

Ở nhà máy điện điều chỉnh điện áp nhằm đảm bảo điện áp vào của mạng điện khu vực, khi điều chỉnh phải chú ý đến chất lượng điện áp của phụ tải tự dùng Ở mạng điện khu vực phải đảm bảo điện áp ra của các trạm khu vực đã được quy định Mạng điện địa phương trực tiếp cung cấp điện năng cho phụ tải, nên việc điều chỉnh điện áp ở đây rất quan trọng và là nhiệm vụ chính để đảm bảo chất lượng điện áp nói chung Việc tối ưu hóa chế độ điện áp chủ yếu tiến hành ở khu vực này

Điều chỉnh tập trung và điều điều chỉnh cục bộ là 2 phương pháp được sử dụng chủ yếu; Điều chỉnh tập trung nhằm thay đổi điện áp của toàn khu vực, còn điều chỉnh cục bộ chỉ thay đổi định mức điện áp của một bộ phận nào đó của mạng điện Trong thực tế để đảm bảo chất lượng điện áp thường kết hợp cả hai phương thức trên

Khi tính toán điều chỉnh điện áp chỉ cần xét hai chế độ đặc trưng của phụ tải,

đó là chế độ công suất cực đại (max) và chế độ công suất cực tiểu (min) Nếu đảm bảo chất lượng điện áp ở hai chế độ trên thì sẽ đảm bảo chất lượng điện áp các chế

độ còn lại

Khi tính toán điều chỉnh điện áp cũng không cần xét đến mọi điểm trong mạng điện hạ áp mà chỉ cần xét đến một số điểm, việc đảm bảo chất lượng điện áp

ở các điểm đó sẽ dẫn tới đảm bảo ở các điểm còn lại, ta gọi đó là các điểm kiểm tra

Vấn đề đảm bảo chất lượng điện áp phải được quán triệt từ quá trình thiết kế đến vận hành mạng điện Khi thiết kế phải căn cứ vào các đặc điểm vận hành trong tương lai, lựa chọn đúng các phần tử của mạng điện theo điều kiện điện áp lựa chọn đúng và đặt đúng chỗ các thiết bị điều chỉnh điện áp Trong vận hành thường xuyên theo dõi điện áp ở các điểm kiểm tra, đề ra các phương thức điều chỉnh thích hợp

để đảm bảo chất lượng điện áp, khi phụ tải luôn thay đổi theo thời gian, cần kịp thời gian đề ra các biện pháp sao cho chất lượng điện áp luôn luôn đạt tiêu chuẩn quy định

CHƯƠNG 2: CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

Chất lượng điện năng được đặc trưng bằng các giá trị qui định của điện áp và tần số trong mạng điện Chất lượng điện năng ảnh hưởng nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của các hộ dùng điện Các thiết bị dùng điện chỉ có thể làm việc với hiệu quả tốt trong trường hợp điện năng có chất lượng cao Vì vậy để nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống cung cấp điện cần phải có các biện pháp nâng cao chất lượng điện năng như sau

- Nâng cao hệ số công suất cos

- Chế độ vận hành kinh tế của các máy biến áp, nhằm giảm tổn thất điện năng

- Tái cấu trúc lưới điện để giảm tổn thất điện năng

2.1 Nâng cao hệ số công suất cos

Nâng cao hệ số công suất cos là một trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng Khi hệ số công suất cos được nâng lên sẽ đưa đến những hiệu

quả sau đây:

- Giảm được tổn thất công suất trên mạng điện

- Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp

Ngoài ra việc nâng cao hệ số công suất cos còn đưa đến hiệu quả là giảm

được chi phí kim loại màu, góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện…

Vì những lý do trên mà việc nâng cao hệ số công suất cos trở thành vấn đề

quan trọng, cần được phải quan tâm đúng mức trong khi thiết kế cũng như vận hành

hệ thống cung cấp điện

2.2 Chế độ vận hành kinh tế của các máy biến áp nhằm giảm tổn thất điện năng

Để giảm tổn thất công suất và điện năng trong hệ thống điện thì giải pháp hiệu quả là các máy biến áp trong các trạm cần có chế độ làm việc hợp lý Trong các trạm biến áp cung cấp cho các hộ tiêu thụ loại I và loại II, cũng như trong các trạm khu vực thường có nhiều máy biến áp, các máy biến áp này có thể làm việc song song và độc lập Khi làm việc độc lập mỗi máy biến áp được nối vào một phân đoạn thanh góp riêng biệt vì vậy giảm được dòng ngắn mạch sau các máy biến áp,

do đó giảm nhẹ sự làm việc của thiết bị và các dụng cụ đóng cắt Nhưng chế độ làm việc độc lập của các máy biến áp không kinh tế so với chế độ làm việc song song của chúng

Chế độ vận hành kinh tế nhất của các máy biến áp tương ứng với phụ tải, tỷ

lệ với công suất danh định của chúng Sự phân phối kinh tế của các phụ tải giữa các máy biến áp đạt được trong trường hợp nếu như các thông số của chúng giống nhau Nhưng trong thực tế điều kiện này thường không đạt được Các máy biến áp kiểu khác nhau cho phép làm việc song song nếu như tỷ số các công suất của chúng không lớn hơn 1:3, điện áp ngắn mạch khác nhau không lớn hơn 10%, điện áp của các đầu điều chỉnh khác nhau không lớn hơn 0,5% và tổ nối của các cuộn dây giống nhau Tổn thất công suất tác dụng trong máy biến áp gồm có tổn thất trong lõi thép

và trong các cuộn dây của máy biến áp Tổn thất công suất trong lõi thép không phụ thuộc vào phụ tải, còn tổn thất trong các cuộn dây phụ thuộc vào phụ tải của máy biến áp Trong chế độ phụ tải lớn tổn thất công suất trong các cuộn dây lớn hơn nhiều tổn thất trong lõi thép máy biến áp và ngược lại trong chế độ phụ tải nhỏ tổn thất trong lõi thép lớn đáng kể so với tổn thất trong các cuộn dây máy biến áp vì vậy khi phụ tải nhỏ, để giảm tổn thất công suất và điện năng cần phải cắt một phần máy biến áp làm việc song song

Chúng ta xét phương pháp xác định hợp lý về kinh tế của máy biến áp làm việc trong các trạm

Giả thiết rằng, trong trạm có 2 máy biến áp giống nhau và công suất danh định của mỗi một máy là S dđ Nếu như 2 máy biến áp làm việc song song thì tổn thất công suất tác dụng trong trạm có giá trị như sau:

2 0

2

2

12

sdđ n

S P P

1

s P P

P

dđ n

dđ

n dđ

n

s

s P P

s

s P

Từ đó nhận được

n dđ

P

P S

S 2 0

(2.4)Bất đẳng thức trên chính là điều kiện để cắt hợp lý một máy biến áp trong trạm có hai máy biến áp

Tương tự có thể chứng minh rằng khi trong trạm có m máy biến áp làm việc song song, cắt một trong các máy biến áp sẽ hợp lý về kinh tế nếu như thỏa mãn điều kiện sau:

n dđ

P

m m P S

S 0. .( 1) (2.5)

Ngoài ra bằng phương pháp xây dựng các đường cong tổn thất công suất trong trạm có nhiều máy biến áp chúng ta sẽ có thể xác định được chế độ làm việc kinh tế của các máy biến áp trong trạm Chúng ta xét trạm có m máy biến áp công suất như nhau Sdđ Tổn thất công suất tác dụng trong lõi thép của mỗi máy biến áp 0

P , tổn thất công suất trong các cuộn dây ở chế độ tải danh định P n Khi thay đổi phụ tải S, các đường cong tổn thất P t f (S)đối với số lượng các máy biến áp làm việc khác nhau, dựa vào chế độ phụ tải ta có các phương án vận hành kinh tế các máy biến áp với các giá trịS1 và S2là các phụ tải giới hạn được sử dụng để xác minh các chế độ làm việc kinh tế của các máy biến áp trong trạm có nhiều máy biến

áp

2.3 Khái niệm về bù công suất phản kháng

Nhiệm vụ chủ yếu của mạng điện là cung cấp điện năng cho các hộ tiêu thụ, thể hiện qua hai chỉ tiêu cơ bản sau:

- Đảm bảo cấp điện liên tục, thỏa mãn nhu cầu điện năng

- Đảm bảo chất lượng điện năng

Khi truyền năng lượng trên đường dây đến các hộ tiêu thụ sẽ gây nên các tổn thất công suất, tổn thất điện năng, tổn thất điện áp trên các phần tử của mạng điện,

do đó làm xấu đi chất lượng điện năng và giảm thấp điện áp trên các phần tử của mạng điện

Để giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy, tăng khả năng làm việc của các phần tử trong mạng điện, một vấn đề đặt ra là giảm sự truyền công suất phản kháng trên các phần tử có dòng điện chạy qua Việc truyền công suất phản kháng gây lên những hiện tượng không mong muốn, làm xấu đi những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của mạng điện

Sự truyền tải về công suất phản kháng trên đường dây cũng như máy biến áp làm giảm khả năng tải, tăng tiết diện dây dẫn, tăng công suất đặt hay số lượng máy biến áp trong trạm Từ đó sự truyền tải công suất phản kháng trên đường dây và các phần tử có dòng điện chạy qua là vấn đề thực tế về mặt kinh tế cũng như kỹ thuật

Như vậy việc bù công suất phản kháng thể hiện ở hai mặt vừa hợp lý vừa bắt buộc, khi các biện pháp giảm sự tiêu thụ công suất phản kháng (nâng cao hệ số công suất

cos ) đã sử dụng mà chưa thỏa mãn

2.3.1 Bù tự nhiên công suất phản kháng

Trong thực tế có những phương pháp mà không cần sử dụng thiết bị chuyên

bù để nâng cao hệ số công suất Đó chính là các biện pháp bù tự nhiên công suất phản kháng:

- Đặt các thiết bị bù công suất phản kháng ( Máy bù đồng bộ, các tụ bù tĩnh, các thiết bị bù điều khiển tĩnh)

- Vận hành kinh tế các trạm biến áp

- Tối ưu hóa sự phân phối công suất trong các mạng kín không đồng nhất

- Nâng cao điện áp danh định của mạng điện

- Điều chỉnh đồ thị phụ tải ngày và giảm các đỉnh phụ tải trong giờ cực đại…

- Điều chỉnh quá trình công nghệ cho việc nâng cao hệ số cos

- Sử dụng những động cơ đồng bộ trong những trường hợp có thể

- Sử dụng các thiết bị có hiệu suất cao

- Nghiên cứu các phương thức vận hành tối ưu

- Nghiên cứu và thực hiện các biện pháp điều hòa phụ tải, nâng cao hệ số cao thấp điểm, hệ số điền kín phụ tải

- Nghiên cứu sắp xếp, điều chỉnh quá trình sản xuất trong xí nghiệp để đảm bảo cho các thiết bị tiêu thụ điện (động cơ, máy biến áp, máy hàn…) không bị thường xuyên không tải hoặc non tải

Hiện nay vấn đề vận hành tối ưu hệ thống điện rất được quan tâm, sử dụng các thiết bị điện có hiệu suất cao và giảm mức tiêu thụ năng lượng, tăng cường quản

lý việc tiêu thụ và sử dụng

2.3.2 Sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng

Trong Hệ thống điện, CSPK có thể nhận được từ nhiều nguồn khác nhau như: các bộ tụ điện tĩnh, các máy bù đồng bộ, các kháng điện có điều chỉnh…

Mục đích sử dụng của các thiết bị bù:

- Cân bằng CSPK trong hệ thống điện

- Nâng cao khả năng tải của đường dây

- Giảm tổn thất điện năng

- Điều chỉnh điện áp

Chúng ta xét hiệu ứng điều chỉnh của các thiết bị bù trong Hệ thống điện:

- Tụ bù dọc: Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X của đường dây) bằng dung kháng XC của tụ điện Giải pháp này thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây Qua đó giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng tăng lên một cách giám tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ

Tổn thất điện áp trên đường dây khi có bù dọc:

∆U = I[R + j(XL- XC)] (2.6)

- Kháng bù ngang: Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất ổn định hay các kháng điện có thể điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp Kháng bù ngang này có thể đặt ở phía cao áp hay phía hạ áp của máy biến áp Khi đặt ở phía cao áp thì có thể nối trực tiếp song song với đường dây hoặc nối qua máy cắt được điều khiển bằng khe hở phóng điện

- Tụ bù ngang: Bù ngang bằng tụ được thực hiện bằng cách mắc song song tụ điện ở đầu nhận nhằm mục đích nâng cao hệ số công suất Tụ bù ngang là một nguồn phát CSPK Tụ điện có thể được nối trực tiếp vào thanh cái

Việc bù CSPK ở cuối đường dây trong thực tế ứng dụng để điều chỉnh điện

áp trên thanh cái

- Các thiết bị bù có điều khiển:

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS - Flexible AC Transmissio System ) là một công nghệ mới được phát triển trong hệ thống điện lực

Nó được xây dựng trên sự tiến bộ của công nghệ điện tử công suất Trải qua hàng thập kỷ, ở rất nhiều nơi trên toàn cầu, các kinh nghiệm có được trong vận hành đường dây cao áp một chiều (HVDC) và hệ thống bủ tĩnh đã thúc đẩy việc nghiên

cứu sâu hơn về thiết bị điện tử công suất mới và ứng dụng của chúng nhằm đào tạo điều kiện vận hành thuận tiện hệ thống truyền tải cao áp và mạng phân phối hạ áp Một số lượng lớn các công trình nghiên cứu đã góp vào sự phát triển nhanh chóng của công nghệ FACTS

Với việc ứng dụng các thành tựu đã đạt được của công nghệ bán dẫn và quá trình truyền tải điện, các linh kiện điện tử công suất lớn, điện áp cao như Thyristor, GTO (Gate Turn-Off Thyristor) có thể sử dụng vào các hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS đã góp phần vào việc giải quyết những hạn chế trên đường dây truyền tải, nâng cao tính ổn định và tận dụng triệt để các thiết bị hệ thống hiện có

2.3.3 Sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối

Đối với hệ thống điện lớn, lượng tiêu thụ công suất phản kháng có thể nên tới

60 70% công suất tác dụng Khi đó vấn đề bù công suất phản kháng bằng thiết bị chuyên bù được quan tâm hơn và sử dụng rộng rãi

Việc tăng số lượng và công suất của thiết bị chuyên bù sẽ làm giảm sự truyền công suất phản kháng trên đường dây và các phần tử có dòng điện đi qua dẫn đến làm giảm tổn thất điện áp, tổn thất công suất, tổn thất điện năng, giảm tiết diện dây dẫn củng cố chất lượng nguồn điện và những tiêu chí khác Tuy nhiên sẽ có tổn thất công suất trên thiết bị bù đồng thời cũng đòi hỏi vốn đầu tư cho thiết bị bù Do đó việc bù công suất phản kháng bằng thiết bị chuyên bù cần được cân nhắc kỹ về kinh

tế - kỹ thuật Trong hệ thống điện, bù công suất phản kháng phân ra làm 2 loại:

- Bù kỹ thuật : Bù một lượng công suất phản kháng nhất định để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện

- Bù kinh tế : Mục tiêu bù của bài toán này là nâng cao hiệu quả kinh tế của mạng điện Trong quá trình vận hành, có thể xảy ra trường hợp công suất phản kháng thiếu cục bộ do vậy cần phải bù thêm vào phạm vi thiếu đó Bù kinh tế cũng

sẽ giảm được tổn thất do giảm lượng công suất phản kháng truyền tải trên đường dây Bài toán bù kinh tế sẽ tính toán so sánh lợi ích kinh tế đạt được và chi phí đầu

tư thiết bị bù

Bù công suất phản kháng bằng tụ điện trên lưới điện phân phối huyện Phú Bình

Tụ điện là thiết bị chuyên bù chỉ phát công suất phản kháng Công suất chế tạo trong mỗi tụ phụ thuộc vào cấp điện áp, có thể ghép chúng thành bộ tụ điện có công suất, điện áp bất kỳ theo yêu cầu Bộ tụ thường được đóng vào lưới 3 pha theo

sơ đồ tam giác hoặc hình sao Khi cắt tụ cần chú ý giải phóng năng lượng tích trong chúng qua điện trở nối với bộ tụ Trị số của điện trở phóng điện cần phải đảm bảo không xuất hiện quá điện áp cục bộ khi cắt tụ ra khỏi lưới Các nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả kinh tế khi sử dụng tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối như sau:

- Chi phí cho một kVAr rẻ hơn so với các thiết bị bù khác

- Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất bé khoảng 0,3 0,5 W/Var trong nhiều trường hợp tính toán có thể bỏ qua

- Vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ

- Về mặt lý thuyết có công suất của tụ không hạn chế bằng cách tổ hợp các

bộ tụ còn máy bù đồng bộ có công suất hạn chế

- Lắp đặt đơn giản, có thể phân ra làm nhiều cụm để lắp rải trên lưới phân phối nên đạt hiệu qủa cao, cải thiện đường cong phân bố điện áp tốt hơn

- Chi phí quản lý, vận hành nhỏ, bảo dưỡng, sửa chữa đơn giản

Nhược điểm:

- Công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện áp vận hành,

dễ hư hỏng khi bị ngắn mạch, quá áp

- Không điều chỉnh trơn công suất bù

- Chỉ có thể phát công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện

áp vận hành, dễ hư hỏng khi bị ngắn mạch, quá áp

Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp người ta lắp đặt bộ điều chỉnh để đóng cắt tụ theo điện áp Với các ưu điểm so với các thiết bị bù khác, ngày nay phần lớn người ta dùng tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng trong mạng phân phối

Các yêu cầu kỹ thuật khi bù

Những yêu cầu sau đây luôn được đảm bảo đối với những bài toán bù công suất phản kháng trong lưới phân phối ở chế độ không đối xứng với dòng điện xoay chiều cơ bản Trong những yêu cầu này không xét đến các chế độ không đối xứng, không sin cũng như các chế độ phụ tải biến thiên nhiều

- Lựa chọn công suất, vị trí lắp đặt và chế độ làm việc bù nhất thiết phải đảm bảo tính kinh tế cao nhất với việc tuân thủ các giằng buộc kỹ thuật

- Khi thiết kế, thiết bị bù được chọn đồng thời với tất cả các phần tử của mạng, các phần tử này sẽ được chọn thu nhỏ hơn khi có tính đến việc bù công suất phản kháng

- Những yêu cầu kỹ thuật cần đảm bảo:

+ Chế độ cho phép của điện áp trong mạng phân phối

+ Dòng điện phụ tải cho phép của tất cả các phần tử lưới điện

+ Ở phương thức phụ tải cực tiểu cắt hoàn toàn tụ bù để giảm công suất phản kháng Chế độ làm việc của nguồn công suất phản kháng phải ở trong giới hạn cho phép

+ Đảm bảo đủ công suất phản kháng dự trữ cần thiết ở các nút mạng điện + Đảm bảo ổn định tĩnh và ổn định động của mạng điện các hộ tiêu thụ

- Chỉ tiêu kinh tế là cực tiểu hàm chi phí

- Những thiết bị bù đã được xác định thiết kế phải được lắp đặt theo trình nhất định Khi không có thiết bị bù hoặc không đủ dung lượng bù không cho phép việc đóng vào các phụ tải điện

- Việc lựa chọn thiết bị bù phải tiến hành ở chế độ tiêu thụ công suất phản kháng cực đại trong mạng điện được thiết kế

Để vận hành kinh tế nhất thiết bị bù, một phần của thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng, tương ứng với nhiệm vụ điều chỉnh điện áp và sự thay đổi phụ tải phản kháng phát của lưới

Trên lưới điện phân phối huyện Phú Bình hiện nay, việc bù công suất phản kháng không chỉ được tiến hành bù trung thế (tại thanh cái trạm, các điểm trên lưới

trung áp) mà hiện nay còn triển khai hệ thống bù hạ thế tại trạm phân phối, tại các phụ tải công cộng lớn tập trung, sử dụng công nghệ điều khiển sóng, hay kết hợp sử

dụng các rơle điều khiển cos đem lại hiệu quả khá cao

Điều khiển bù công suất phản kháng sử dụng Ripple Control

Việc thực hiện bù công suất phản kháng bằng cách sử dụng các bộ tụ bù trên lưới phân phối hạ áp mang lại hiệu quả rất cao trong việc nâng cao chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng sử dụng điện Về nguyên lý cơ bản dựa trên hệ thống điều khiển phụ tải bằng sóng Có thể nói bằng việc đang triển khai ứng dụng linh hoạt công nghệ tiên tiến của thế giới cho tình hình cụ thể trên lưới điện phân phối trong nước

2.4 Tái cấu trúc lưới điện giảm tổn thất điện năng

2.4.1 Giới thiệu chung về tái cấu trúc lưới điện

Trong mạng phân phối điện, phụ tải trên mạng phân phối điện ngày càng tăng nhưng sự gia tăng phụ tải phải nằm trong giới hạn cho phép, trong khi đó cấu trúc của mạng vẫn giữ nguyên Muốn giảm tổn thất điện năng người ta sẽ dùng các phương pháp như: đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lưới điện… nhưng nếu làm như thế sẽ đòi hỏi phải cần đầu tư rất nhiều mà hiệu quả giảm tổn thất điện năng lại không đáng kể Vì vậy, khi phụ tải tăng trong giới hạn cho phép của mạng phân phối, ta có thể dùng phương pháp tái cấu trúc để làm giảm tổn thất trên đường dây

Mạng phân phối đặc trưng là mạng vòng nhưng vận hành hở có nghĩa là mạng vận hành phải là mạng hình tia Vấn đề tiếp theo là đóng mở các khóa trong mỗi vòng sao cho tổn thất trên mạng phân phối đặc trưng là nhỏ nhất Để làm được điều này ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm kiếm cấu trúc cho tổn thất nhỏ nhất

Hàm mục tiêu của bài toán tái cấu trúc cho nạng phân phối đặc trưng:

- Tổn thất:

Vij: điện áp rơi trên nhánh ij

sft sft, max (2.11)

sft : công suất chảy vào nhánh

sft max. : công suất max chảy vào nhánh ft

ft : nhánh được cấp nguồn từ máy biến áp t

Việc giảm thiểu tổn thất trong lưới này có thể hình dung ngay bằng cách vận hành tối ưu trạng thái các khóa chuyển mạch (xi) ta sẽ thu được lưới tối ưu về mặt tổn thất ứng với số lượng gia tăng không ngừng của các khóa chuyển mạch thì vấn

đề cần giải quyết là công cụ tính toán phải đủ mạnh

2.4.2 Phương pháp thực nghiệm

2.4.2.1 Giải thuật di truyền (Genetic Algorithms - GA)

Giải thuật di truyền có tư tưởng chính là ban đầu phát sinh ra 1 lúc nhiều lời giải khác nhau song, Trong những lời giải được tạo ra chọn những lời giải tốt nhất

để làm cơ sở phát sinh ra những lời giải sau với nguyên tắc 'càng về sau' càng tốt hơn Quá trình đó cứ tiếp diễn cho đến khi tìm được lời giải tối ưu trong thời gian cho phép

Giải thuật này thích hợp cho việc tìm kiếm các bài toán có không gian nghiệm lớn Bên cạnh đó, bài toán tái cấu trúc mạng phân phối điện với số lượng khóa vô cùng lớn không gian nghiệm của bài toán, đòi hỏi phải tìm ra được cấu trúc tối ưu trong thời gian nhanh nhất Từ ý tưởng và đặc điểm của giải thuật di truyền,

ta nhận xét giải thuật rất thích hợp để giải bài toán cấu trúc

- Bước 1: Chọn ra 1 số cấu trúc ngẫu nhiên có thể tìm được trong mạng phân phối điện

- Bước 2: Kí hiệu các khóa đóng ( sectionalize switches) trong mạng phân phối là 0; các khóa thường mở ( tie switches ) là 1

- Bước 3: Tìm hệ số thích nghi và hàm mục tiêu cho từng cấu trúc đã được tạo ra ban đầu

- Bước 4: Chọn ra được cấu trúc tốt nhất dựa vào hàm mục tiêu, tiếp theo đem cấu trúc này thay đổi 1 số vị trí hay còn gọi là đột biến để tạo ra cấu trúc mới -Bước 5: Tìm các hệ số thích nghi và hàm mục tiêu cho các cấu trúc vừa mới tạo ra, và loại bỏ các cấu trúc có hàm mục tiêu nhỏ hơn

- Bước 6: Nếu chưa hết thời gian cho phép thì lặp lại bước 4 để tìm cấu trúc mới

- Bước 7: Nếu thời gian cho phép chấm dứt thì dừng chương trình tìm kiếm

và báo cáo lại kết quả tính được

2.4.2.2 Giải thuật mạng Nơron ( Meural Networks)

Mạng Nơron được ứng dụng rất nhiều trong hệ thống điện ngày nay, mạng Nơron giúp cho chúng ta có thể lập bản đồ về mối quan hệ giữa các sơ đồ cấp điện với các yêu cầu giảm tổn thất trên đường dây

2.4.2.3 Giải thuật con kiến

Ban đầu số con kiến bắt đầu từ tổ kiến đi tìm đường đến nơi có thức ăn Từ tổ kiến sẽ có rất nhiều con đường khác nhau để đi đến nơi có thức ăn Cho nên 1 con kiến sẽ chọn ngẫu nhiên một con đường đi đến thức ăn Quan sát loài kiến người ta nhận thấy chúng tìm kiếm nhau dựa vào dấu chân mà chúng để lại trên đường đi ( hay còn gọi là dấu chấn kiến để lại ) Sau 1 thời gian lượng dấu chân của mỗi chặng đường sẽ khác nhau Do sự tích lũy dấu chân của mỗi chặng đường với sự di chuyển của những con kiến sau đi trên mỗi đoạn đường cũng khác nhau đồng thời với sự bay hơi của dấu chân sau 1 thời gian qui định Điều đặc biệt trong cách hành xử loài kiến là lượng dấu chân trên đường đi có sự tích lũy càng lớn thì cũng đồng nghĩa với việc đoạn đường đó ngắn nhất từ tổ kiến đến nơi có thức ăn Từ khi giải thuật kiến trở thành 1 lý thuyết vững chắc trong việc giải các bài toán tìm kiếm tối ưu toàn cục đã có nhiều ứng dụng thực tế cho giải thuật này như: tìm kiếm trang web cần tìm trên mạng, kế hoạch sắp xếp thời khóa biểu cho các y tá trong bệnh viện, cách hình thành các màu khác nhau dựa vào các màu tiêu chuẩn có sẵn, tìm kiếm đường đi tối ưu cho những người lái xe hơi trên đường … Nói tóm lại phương pháp này đưa ra để giải quyết các bài toán có không gian nghiệm lớn để tìm ra lời giải có nghiệm là tối ưu nhất trong không gian nghiệm đó với thời gian cho phép hay không tìm ra cấu trúc tối ưu hơn thì dừng Phương pháp này cũng rất thích hợp để giải bài toán tái cấu trúc có thể tìm ra trong các cấu trúc của mạng phân phối, 1 cấu trúc có công suất tổn thất là nhỏ nhất

Các bước để tạo giải thuật kiến áp dụng cho bài toán tái cấu trúc:

- Bước 1: 1 số cấu trúc của mạng phân phối sẽ được tạo ra ban đầu

- Bước 2: Mỗi cấu trúc tượng trưng cho đoạn đường đi mà kiến đã đi sẽ được tính toán hàm mục tiêu

- Bước 3: Mỗi cấu trúc này sẽ được cập nhật vào ma trận dấu chân ( ban đầu các ma trận dấu chân này sẽ bằng nhau ) theo công thức:

P : Xác suất bay hơi dấu chân của những con kiến đi qua để lại

Tijxy(0): Dấu chân ban đầu được tạo ra cho mỗi đoạn đường

Sau khi các cấu trúc ban đầu tạo ra đã cập nhật vào ma trận dấu chân, ta sẽ chọn ra được cấu trúc tốt nhất trong số cấu trúc ban đầu, các cấu trúc còn lại thì ta

sẽ làm bay hơi dấu chân của cấu trúc này bằng công thức:

Tijxy : Cường độ dấu chân lớn nhất của hàng thứ i Є X

Tmax : Cường độ dấu chân lớn nhất của ma trận dấu chân

1]

Bước 5: nếu thời gian cho phép vẫn còn và các cấu trúc chọn vẫn còn thì ta quay lại bước 2

Bước 6: nếu thời gian cho phép chấm dứt hay cấu trúc được chọn không còn thì ta dừng chương trình và xuất ra kết quả

2.4.2.4 Giải thuật dựa trên hệ thống chuyên gia

Hệ thống chuyên gia là một chương trình máy tính được lập trình với những biểu hiện đặc biệt về một số đối tượng để đưa ra những lời khuyên Hệ thống chuyên gia được con người tạo lên dựa trên kinh nghiệm tích lũy của các chuyên gia đầu ngành để giải quyết nhanh các bài toán Taylor và Lubkeman đã đề xuất một hệ thống chuyên gia cho tái cấu trúc lưới điện phân phối dựa trên nguyên tắc của Civanlar, Grainger Hệ thống này của hai ông hoạt động có thể tránh được sự làm việc quá tải của máy biến áp, quá tải đường dây và sự không bình thường về điện

áp Các chuyên gia đã xây dựng hệ thống online sử dụng cho điều độ viên trên môi trường SCADA Hệ thống đưa ra những lời khuyên cho người vận hành dựa trên các số liệu thu thập được trên hệ thống

2.5 Kết luận:

Dựa trên việc tìm hiểu và phân tích các dạng tổn thất trên lưới điện phân phối nhận thấy mục tiêu giảm tổn thất trên lưới điện phân phối chịu tác động của rất nhiều yếu tố và đòi hỏi nhiều biện pháp đồng bộ Để giảm tổn thất thương mại trên lưới điện phân phối cần có biện pháp quản lý hành chính, các công cụ phần mềm quản lý khách hàng sử dụng điện, nâng cao nhận thức của người sử dụng điện Để giảm tổn thất thương mại cần thực hiện song song với các nỗ lực giảm tổn thất kỹ thuật Có thể liệt kê các biện pháp chính giảm tổn thất kỹ thuật trong lưới điện phân phối như sau:

1 Nâng cao điện áp vận hành của lưới điện

2 Bù kinh tế trong lưới phân phối trung áp bằng tụ điện

3 Tăng tiết diện dây dẫn, giảm bán kính cấp điện

4 Chọn đúng dây dẫn để giảm tổn thất vầng quang

5 Cải tiến cấu trúc và vật liệu để sản xuất các thiết bị điện có tổn thất nhỏ (vật liệu siêu dẫn cách điện có chất lượng cao)

6 Một số các biện pháp kỹ thuật cần thực hiện trong giai đoạn thiết kế, quy hoạch hoặc cải tạo, đầu tư xây dựng công trình

7 Áp dụng lưới điện linh hoạt cho lưới hệ thống và hệ thống phân phối điện

có điều khiển tự động cho lưới phân phối trung áp

8 Hạn chế vận hành không đối xứng

9 Tái cấu trúc lưới điện

Trong các biện pháp giảm tổn thất công suất và điện năng ở trên, các biện pháp từ 1- 6 đòi hỏi phải có vốn đầu tư, nếu không được tính toán cẩn thận thì sẽ không đem lại hiệu quả kinh tế do lợi ích kinh thế thu được nhờ giảm tổn thất điện năng nhỏ hơn vốn đầu tư ban đầu Vì vậy trước khi thực hiện các biện pháp này phải làm luận chứng kinh tế - kỹ thuật cẩn thận, đảm bảo chắc chắn là có lợi thì mới thực hiện Biện pháp giảm tổn thất 7- 8 tuy không đòi hỏi vốn đầu tư, nhưng việc xác định và phân tích các phương án vận hành tìm ra phương pháp tối ưu rất khó khăn Biện pháp tái cấu trúc lưới điện thông qua việc truyền tải bằng cách đóng/ mở các cặp thiết bị không những không đòi hỏi vốn đầu tư mà còn giúp giảm tổn thất điện năng đáng kể khi cân bằng tải giữa các tuyến được thiết lập Không chỉ vậy, tái cấu trúc lưới điện phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới và giảm số khách hàng bị mất điện khi sự cố Bài toán tái cấu trúc được nghiên cứu với nhiều hàm mục tiêu khác nhau, như hàm mục tiêu giảm công suất, hàm mục tiêu đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo dòng ngắn mạch… Hiện nay bài toán tái cấu trúc lưới điện theo hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất đang được nhiều người tập trung nghiên cứu, tìm ra các phương pháp giải quyết khác nhau cho bài toán tái cấu trúc Phương pháp nghiên cứu cũng được chia làm nhiều hướng khác nhau như các phương pháp cổ điển, sử dụng giải thích, kết hợp các công thức kinh nghiệm, hay các phương pháp áp dụng trí tuệ nhân tạo, các lý thuyết về thuật toán để giải

Hiện nay đã có rất nhiều các biện pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối Việc ứng dụng phương pháp để giải quyết bài toán trong lưới điện

cụ thể cũng như thực tế vận hành trên lưới thì tại mỗi nước đều có những hướng

ứng dụng khác nhau Trong giới hạn bản luận văn tập trung nghiên cứu về phương pháp tái cấu trúc lưới điện giảm tổn thất điện năng

CHƯƠNG 3: TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN VÀ BÀI TOÁN GIẢM TỔN

THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

3.1 Lưới điện phân phối trung thế

3.1.1 Giới thiệu chung về lưới điện phân phối trung thế

Lưới điện phân phối trung thế bao gồm các đường dây: 6, 10, 22, 35 KV làm nhiệm vụ phân phối và cung cấp điện năng từ các trạm biến áp trung gian (hoặc từ thanh cái điện áp thấp của các trạm biến áp giảm áp của các khu vực khi trạm dùng máy biến áp có 3 cuộn dây, hoặc từ thanh cái điện áp máy phát của các nhà máy điện) cho các phụ tải

Lưới phân phối thường có cấu trúc dạng hình tia không phân đoạn, phân đoạn, mạch vòng kín vận hành hở… Hiện nay với lưới điện ở các thành phố lớn, các khu công nghiệp, khu dân cư đông đúc có nhiều phụ tải quan trọng thì các đường dây trung thế hầu hết được cấp điện từ 2 hay nhiều nguồn khác nhau

3.1.2 Các phần tử phân đoạn trong lưới điện phân phối

Nhằm nâng cao độ tin cậy, giảm thời gian gián đoạn cung cấp điện cho khách hàng hiện nay trên các đường dây trung thế người ta thường sử dụng các thiết

bị phân đoạn như: dao cách ly, cầu dao phụ tải, máy cắt, các thiết bị tự động như: Cầu dao có điều khiển, máy cắt tự động đóng lại, hệ thống tự động phân phối

3.1.2.1 Dao cách ly

Dao cách ly (DCL) là thiết bị có chức năng tạo khoảng cách nhìn thấy được DCL dùng để đóng cắt lưới không điện và có thể đóng cắt dòng không tải nhỏ DCL thường được đóng mở bằng tay thông qua cơ cấu truyền động trên cột, hoặc gắn trên tường (đối với loại trong nhà) DCL được chế tạo nhiều chủng loại, kiểu cách khác nhau, có loại ngoài trời, trong nhà; loại một , hai, ba trụ sứ; loại lưỡi chém thẳng, quay ngang; loại một cực, ba cực…

Trong các thiết bị dùng để phân đoạn thì DCL là loại thiết bị rẻ tiền , nhất là đối với lưới điện khu vực nông thôn, cấp điện cho các phụ tải ít quan trọng và được lắp đặt cho đường dây trên không

DCL có nhược điểm là không đóng cắt được khi có dòng tải và không điều khiển được nên khi thao tác cần phải cắt điện đầu nguồn dẫn đến tăng thời gian, số lần mất điện cho phụ tải và giảm độ ổn định cung cấp điện Tuy nhiên vì các lý do kinh tế, nên đối với lưới điện ngoại thành và nông thôn thì DCL vẫn được sử dụng làm thiết bị phân đoạn

3.1.2.2 Dao cách ly có điều khiển

Dao cách ly có điều khiển khác với dao cách ly thường là có thể điều khiển được từ xa, khi xảy ra sự cố bằng thao tác đóng cắt từ xa có thể xác định và cách ly phân đoạn sự cố, ưu điểm này có dao cách ly có điều khiển làm giảm thời gian tìm kiếm xác định điểm sự cố và thời gian gián đoạn cung cấp điện

Tuy nhiên, do không đóng cắt có tải được nên khi truyền tải vẫn phải cắt máy cắt từ nguồn cấp đến nên vẫn gây ra tình trạng mất điện không cần thiết, làm giảm

độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện Vì vậy dao cách ly có điều khiển chưa được sử dụng rộng rãi trong lưới điện phân phối trung thế ở Việt Nam

3.1.2.3 Cầu dao phụ tải

Cầu dao phụ tải là một thiết bị dùng để đóng cắt có tải trên lưới trung áp Cầu dao phụ tải còn được dùng để cách ly phần thiết bị điện dùng để sửa chữa với phần còn lại của lưới điện Các đầu tiếp xúc của cầu dao phụ tải có buồng dập hồ quang nên có thể thao tác được đối với mạch điện mang tải tới dòng định mức của cầu dao

Cầu dao phụ tải có thể phân ra 2 loại: Dao phụ tải kín (thường dùng trong các

tủ Ring Main Unit - RMU) và dao phụ tải hở (thường được dùng làm dao phân đoạn đường dây đặt ngoài trời)

Cầu dao phụ tải hiện được sử dụng tương đối phổ biến hiện nay ở các khu vực đô thị có mật độ phụ tải cao hoặc khu công nghiệp có lưới điện phân phối trung thế ngầm

Do cầu dao phụ tải không kết hợp được với các thiết bị điều khiển, bảo vệ nên vẫn phải thao tác tại chỗ dẫn đến hạn chế về mặt thời gian xác định và cô lập sự

cố

Tuy nhiên, việc sử dụng chúng vẫn rất có hiệu quả khi thao tác chuyển đổi phương thức hoặc thao tác tách thiết bị ra sửa chữa mà không phải cắt máy cắt đầu nguồn

Khi có sự cố trên một phần tử của lưới điện, máy cắt có hệ thống bảo vệ làm nhiệm vụ tự cắt và phân đoạn cô lập phần tử sự cố Phần đường dây và các phụ tải ở phía trước sẽ vẫn được cấp điện bình thường Việc sử dụng máy cắt điều khiển xa

có thể giúp cho điều độ viên điều khiển việc đóng cắt phân đoạn lưới, cô lập điểm

sự cố một cách nhanh chóng, giảm đáng kể thời gian so với thao tác tại chỗ Ngoài

ra ưu điểm của máy cắt là có tải lên việc truyền tải giữa các đường dây để san tải trong những lúc phụ tải đỉnh, tránh quá tải, giảm tổn thất điện áp và tổn thất công suất có thể thực hiện rất dễ dàng mà không cần phải ngừng điện phía đầu nguồn, độ tin cậy cung cấp điện và ổn định hệ thống tăng lên

Với máy cắt trang bị hệ thống điều khiển từ xa đòi hỏi đầu tư về thiết bị và

hệ thống thông tin phục vụ điều khiển có chi phí lớn nên cấu trúc dùng máy cắt điều khiển từ xa chưa khả thi khi áp dụng vào lưới điện phân phối của Việt Nam tại thời điểm này

3.1.2.5 Máy cắt tự đóng lại (Recloser)

Đối với lưới điện có cấu trúc là đường dây trên không, thì phần lớn sự cố trong hệ thống phân phối điện là sự cố thoáng qua Chính vì vậy, để tăng độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải, thay vì sử dụng máy cắt người ta sử dụng máy cắt có

trang bị đóng lại (Recloser) Recloser thực chất là máy cắt tự đóng lại kèm theo hệ thống bảo vệ và điều khiển cho phép cài đặt các giá trị chỉ định theo yêu cầu Ngoài

ra Recloser còn sử dụng để đo và lưu trữ một số đại lượng cần thiết như: U, I, P và lưu trữ các giá trị sự cố cũng như sự kiện

Chu trình hoạt động của Recloser như sau: Khi xuất hiện sự cố trên lưới Recloser mở ra (Cắt mạch) sau thời gian t1 nó sẽ tự đóng mạch Nên sự cố còn tồn tại nó sẽ cắt mạch, sau thời gian t2 Recloser sẽ tự đóng lại mạch Và chu trình cứ như vậy theo giá trị cài đặt số lần đóng lặp lại trong bộ điều khiển của Recloser

Đối với đường dây trên không tỷ lệ sự cố thoáng qua rất cao do phóng điện chuỗi sứ khi quá điện áp khí quyển, phóng điện giữa các pha, cây cối, vật lạ rơi vào, đường dây và máy biến áp bị cắt ra do các thiết bị bảo vệ làm việc không chọn lọc….Vì vậy tự đóng lại (TĐL) có xác suất thành công cao, được sử dụng hiệu quả với các lưới phân phối trung thế trên không

Với việc sử dụng TĐL khi có các sự cố thoáng qua lưới sẽ được khôi phục cung cấp điện trong thời gian tối thiểu, do đó thiệt hại kinh tế, ngừng cung cấp điện được giảm đáng kể Ngoài ra TĐL còn tăng độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống điện, việc lắp đặt, thao tác và vận hành TĐL lại tương đối dễ dàng nên được sử dụng phổ biến trên lưới phân phối trung thế ở Việt Nam

3.1.2.6 Hệ thống tự động phân phối (Distributed Automation System - DAS)

Lưới điện phân phối sử dụng DAS để hạn chế vùng mất điện, giảm số khách hàng bị mất điện, giảm thời gian mất điện do sự cố Do DAS có chi phí đầu tư lớn nên chỉ được lắp đặt cho các phụ tải loại 1 Hiện nay DAS mới được lắp đặt ở giai đoạn thử nghiệm

DAS dựa trên cơ sở phát hiện và tách điểm sự cố trên mạng phân phối để đưa

ra cách sử lý nhằm nhanh chóng phục hồi cung cấp điện Có 2 mức tác động của DAS là:

- Cấp 1: Tác động trên bản thân mang phân phối Cấp 1 chỉ đòi hỏi cấp điện cho từng xuất tuyến phân phối, xuất tuyến có thể là hình tia (1 nguồn) hoặc mạch vòng (2 nguồn)

- Cấp 2: Xử lý trên toàn hệ thống phân phối của một trạm nguồn hoặc của 1 khu vực Cấp 2 yêu cầu hệ thống thông tin hoạt động theo thời gian thực để nhận dạng và điều khiển mạng phân phối (đóng, mở, chuyển sơ đồ….) theo mục tiêu là loại bỏ phần tử sự cố, phục hồi một cách nhanh chóng việc cung cấp điện bình thường Cấp 2 chỉ thực hiện được khi cấp 1 đã hoàn tất

Các đặc điểm cơ bản của hệ DAS:

- Hệ thống phát hiện và tách điểm sự cố theo một chu trình kín, tự tác động, không cần có phần mềm điều khiển và đường truyền thông tin Đây là ưu điểm rất lớn của hệ DAS

- Chỉ có phần sự cố bị cô lập ra khỏi hệ thống lưới điện đang vận hành Nếu

là sự cố ở các nhánh thì chỉ có nhánh bị sự cố được tách ra

- Thời gian quá độ để sử lý, tách điểm bị sự cố tối đa là 48 - 50s, thời gian vẫn còn cao, tuy nhiên hiện tại vẫn cho phép đối với các hệ thống lưới phân phối hiện tại

- Các máy cắt đầu nguồn phải cắt và tự đóng lại 2 lần cho một chu kỳ xử lý

sự cố

- Đối với các mạng phân phối mạch vòng thì việc trang bị hệ thống DAS phải trang bị thêm rơ le đóng nguồn dự phòng ở trạng thái mở vòng Đồng thời cũng xảy ra sự phân bố lại công suất trong mạch vòng

3.1.3 Một số cấu trúc lưới phân phối

3.1.3.1 Lưới phân phối trung thế hình tia, không phân đoạn

Thanh cái

Hình 3.1 Lưới phân phối trung thế một nguồn không phân đoạn

Lưới phân phối trung thế một nguồn không phân đoạn là lưới điện có dạng hình tia vận hành đơn giản Trong quá trình vận hành, khi có sự cố hay hỏng hóc bất

kì phần tử nào trên lưới phân phối một nguồn không phân đoạn thì cũng gây mất điện cho toàn bộ đường dây do máy cắt đầu nguồn phải cắt ra Việc cung cấp điện

chỉ được phục hồi khi có sự cố được loại trừ Do vậy lưới phân phối một nguồn không phân đoạn thường được sử dụng cho phụ tải không quan trọng, chi phí đầu tư cho lưới này nhỏ

3.1.3.2 Lưới phân phối trung thế một nguồn, có phân đoạn

Thanh cái

Hình 3.2 Lưới phân phối trung thế một nguồn có thiết bị phân đoạn

Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, lưới phân phối hình tia được phân thành nhiều đoạn bằng các thiết bị đóng cắt có thể là dao cách ly thường hoặc tự động, máy cắt, LBS… Khi xảy ra sự cố ở một phân đoạn nào đó máy cắt đầu nguồn

sẽ tác động tạm thời cắt toàn bộ lưới phân phối sau khi nhân viên vận hành sẽ xác định phần tử sự cố và cô lập bằng các thiết bị phân đoạn Cuối cùng nguồn được đóng lại tiếp tục cấp điện cho phần đoạn nằm trước phân đoạn sự cố về phía nguồn

Như vậy, so với lưới phân phối một nguồn không phân đoạn, ở lưới phân phối một nguồn có phân đoạn khi xảy ra sự cố các phụ tải nằm trước phân đoạn sự

cố về phía nguồn chỉ mất điện trong thời gian tìm kiếm và cô lập sự cố Độ tin cậy của lưới có thiết bị phân đoạn tăng đáng kể so với lưới phân phối một nguồn không

có thiết bị phân đoạn

Đối với lưới phân phối đoạn bằng dao cách ly, máy cắt có điều khiển từ xa thì thời gian phân đoạn sẽ được rút ngắn do đó việc khôi phục cung cấp điện cho các phân đoạn trước sự cố nhanh hơn

Tuy nhiên khi xảy ra sự cố và đã phân đoạn xong thì toàn bộ các phụ tải từ khu vực điểm sự cố trở về cuối nguồn đều mất điện cho dù các thiết bị trên lưới điện trong vùng này vẫn có vận hành tốt Đây chính là nhược điểm của dạng lưới này

3.1.3.3 Lưới phân phối trung thế hai nguồn, có phân đoạn

Hình 3.3 Lưới phân phối trung thế hai nguồn có thiết bị phân đoạn

Lưới phân phối mạch vòng do hai hay nhiều nguồn cung cấp sẽ khắc phục được nhược điểm của các dạng sơ đồ trên Khi xảy ra sự cố, lưới mạch vòng có nhiều nguồn cung cấp sẽ khôi phục cung cấp điện nhanh hơn (chỉ mất điện các phụ tải nằm trong phạm vi giữa các thiết bị phân đoạn có sự cố), độ tin cậy cung cấp điện được nâng cao

Sơ đồ lưới điện phân phối hai nguồn phân đoạn bằng dao cách ly có ưu điểm

là độ tin cậy cung cấp điện cao, do có hai nguồn cung cấp nên khi xảy ra sự cố một trong hai nguồn điện hoặc sự cố trên một phân đoạn thì các phụ tải thuộc các phân đoạn còn lại trên lưới chỉ mất điện trong thời gian tìm kiếm và cách ly sự cố

3.2 Tổn thất điện năng trong lưới phân phối

Lưới điện phân phối các đặc điểm về thiết kế và vận hành khác với lưới điện truyền tải lưới điện phân phối phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn thất lớn hơn Vấn đề tổn thất trên lưới phân phối liên quan chặt chẽ tới các vấn đề kỹ thuật và lưới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành Do đó trên

cơ sở các số liệu về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của lưới điện phân phối

Trong những năm gần đây, lưới điện phân phối của nước ta phát triển mạnh, các công ty điện lực cũng được phân cấp mạnh về quản lý Chất lượng vận hành của lưới phân phối được nâng cao rõ rệt, tỷ lệ tổn thất điện năng giảm mạnh Tổn thất trên lưới điện phân phối bao gồm tổn thất phi kỹ thuật (tổn thất thương mại) bao gồm bốn dạng tổn thất như sau:

 Trộm điện (câu, móc trộm)

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

 Sai sót tính toán tổn thất kỹ thuật

 Sai sót thống kê phân loại và tính hóa đơn khách hàng Tổn thất phi kỹ thuật phụ thuộc vào cơ chế quản lý, quy trình quản lý

hành chính, hệ thống công tơ đo đếm và ý thức của người sử dụng Tổn thất phi kỹ thuật cũng một phần chịu ảnh hưởng của năng lực và công cụ quản lý của bản thân các điện lực, trong đó có phương tiện máy móc, máy tính, phần mềm quản lý

Tổn thất kỹ thuật trên lưới điện phân phối chủ yếu trên dây dẫn và các máy biến áp phân phối Tổn thất kỹ thuật bao gồm tổn thất công suất tác dụng và tổn thất công suất phản kháng Tổn thất công suất phản kháng do từ thông rò và gây từ trong các máy biến áp và cảm kháng trên đường dây Tổn thất công suất phản kháng chỉ làm lệch góc và ít ảnh hưởng đến tổn thất điện năng Tổn thất công suất tác dụng có ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất điện năng Thành phần tổn thất điện năng do tổn thất công suất tác dụng được tính toán như sau:

ΔA = t P ( t ) dt

0 (3.1) Trong đó, ΔP là tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp tại thời điểm t

3.3 Mô hình toán học bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối

Trong mạng lưới phân phối điện, công suất tải trên mạng phân phối điện ngày càng tăng nhưng sự gia tăng công suất tải phải nằm trong giới hạn cho phép, trong khi đó cấu trúc của mạng lại không thay đổi Từ đó sẽ làm cho tổn thất của mạng phân phối điện tăng lên nếu cấu trúc mạng vẫn giữ nguyên Muốn giảm tổn thất người ta sẽ dùng các phương pháp như: đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lưới điện… nhưng nếu làm như thế sẽ đòi hỏi đầu tư rất nhiều mà hiệu quả giảm tổn thất điện năng lại không đáng kể

Một trong những biện pháp hiệu quả mà ta có thể dùng là phương pháp tái cấu trúc để làm giảm tổn thất trên đường dây Có rất nhiều phương pháp để tái cấu trúc lưới phân phối đã nêu ở chương 2 để tổn thất là nhỏ nhất như: Phương pháp cổ điển cho kết quả chính xác tuy nhiên lại không dùng được trong mạng phân phối

thực tế do không gian nghiệm lớn sẽ mất nhiều thời gian cho việc tìm kiếm cấu trúc tối ưu Ngoài các phương pháp tính toán theo cách cổ điển, thì các phương pháp giải quyết thông qua việc sử dụng các quy luật kinh nghiệm, kết hợp các phương pháp

cổ điển để giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối như: Giải thuật Meta - Hueristic, giải thuật SA,… các giải thuật này để giảm bớt được việc tính toán trong các phương pháp cổ điển, tuy nhiên giá trị đạt được các hàm mục tiêu chưa được tốt Ngày nay, một số phương pháp tiên tiến áp dụng các giải thuật trong trí tuệ nhân tạo như giả thuật Gen di truyền (GA), giải thuật kiến (ACS)… được sử dụng nhằm giải quyết các bài toán này Kết quả của các hướng nghiên cứu cho tập nghiệm, giá trị hàm mục tiêu tốt hơn, và tốc độ sử lý nhanh hơn

Để xây dựng bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối, trước tiên phải xây dựng hàm mục tiêu Khi thay đổi tái cấu trúc lưới điện có rất nhiều các hàm mục tiêu khác nhau, như tối ưu hóa tổn thất công suất trên toàn hệ thống, mục tiêu đảm bảo chất lượng điện áp…

Vấn đề tái cấu trúc hệ thống cũng tương tự nhiều bài toán tối ưu khác nhau, như bài toán tính toán phân bố tối ưu công suất, tính toán tìm vị trí, dung lượng bù tối ưu… Tuy nhiên yêu cầu một khối lượng tính toán của bài toán tái cấu trúc là lớn

do có nhiều biến số tác động đến các trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành như: Lưới điện phân phối phải vận hành hở, không quá tải máy biến áp, đường dây, thiết bị đóng cắt…và sụt áp tại các hộ tiêu thụ nằm trong giới hạn cho phép

Mạng phân phối đặc trưng là mạng vòng nhưng vận hành hở có nghĩa là mạng vận hành phải là mạng hình tia Vấn đề tiếp theo là phải đóng mở các khóa trong mỗi vòng sao cho tổn thất công suất trên mạng phân phối đặc trưng là nhỏ nhất Để làm được điều này ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm kiếm cấu trúc cho tổn thất công suất là nhỏ nhất Về mặt toán học, tái cấu trúc lưới điện là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc theo dòng công suất chạy trên các nhánh

Hàm mục tiêu:

P losse = ∑ ∑ R j - 1,j [( P j 2 + Q 2 j ) / V j 2 ] => min (3.2)

Thỏa mãn các điều kiện giằng buộc: