Tìm hiểu bài toán về tái cấu trúc lưới điện phân phối và các hàm mục tiêu

Chơng 1: Giới thiệu GVHD: TS. Trơng Việt Anh Trang 1 CHNGă1ă GIIăTHIUăLUNăVĔNă ă 1.1.ăăĐặtăvnăđă Hệ thống điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện đến hộ tiêu thụ. Vì lý do kỹ thuật, nó luôn đợc vận hành theo kiểu hình tia, mặc dù đợc thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy trong quá trình cung cấp điện. Theo thống kê của Điện lực Việt Nam thì tổng tổn thất điện năng khoảng từ 10-15% sản lợng điện sản xuất, trong đó lới điện phân phối chiếm 5-7%. Do đó nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lới phân phối là một nhu cầu bức xúc, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích kinh tế. Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất điện năng trên lới điện phân phối nh: nâng cao điện áp vận hành lới điện phân phối, tăng tiết diện dây dẫn, hoặc giảm truyền tải công suất phản kháng trên lới điện bằng cách lắp đặt tụ bù. Tuy các biện pháp này đều mang tính khả thi về kỹ thuật nhng lại tốn các chi phí đầu t và lắp đặt thiết bị. Trong khi đó, biện pháp tái cấu trúc lới thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng/m các cặp khoá điện có sẵn trên lới cũng có thể giảm tổn thất điện năng đáng kể khi đạt đợc cân bằng công suất giữa các tuyến dây mà không cần nhiều chi phí để cải tạo lới điện. Không chỉ dừng lại  mục tiêu giảm tổn thất điện năng, tái cấu trúc lới điện phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lới điện, giảm sụt áp cuối lới và giảm thiểu số lợng hộ tiêu thụ bị mất điện khi có sự cố hay khi cần sửa chữa đng dây. Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lới nhằm giảm tổn thất năng lợng trong điều kiện phải thoả mưn các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khoá điện trên hệ thống điện phân phối là điều vô cùng khó khăn đối với các điều độ viên. Do đó luôn cần một phơng pháp phân tích phù hợp với lới điện phân phối thực tế và một giải thuật đủ mạnh để tái cấu trúc lới trong điều kiện thoả mưn các mục tiêu điều khiển của các điều độ viên. Chơng 1: Giới thiệu GVHD: TS. Trơng Việt Anh Trang 2 1.2.ăMụcătiêuăvƠănhimăvụăcủaălunăvĕnă Mục tiêu nghiên cứu là tìm ra giải thuật tái cấu trúc lới điện phân phối theo hình tia nhằm giảm tổn thất công suất nâng cao chất lợng điện áp, nhằm giúp tăng lợi ích kinh tế cho doanh nghiệp bao gồm doanh nghiệp bán điện (EVN), các doanh nghiệp sản xuất, dịch vụ, thơng mại và nhân dân trên các tuyến đng dây đang cung cấp. Từ mục tiêu nghiên cứu nh trên, nên nhiệm vụ của luận văn bao gồm các vấn đề sau: 1. Đọc các bài báo viết về tái cấu trúc lới điện từ trớc đến nay trên thế giới. Phân loại theo các phơng pháp khác nhau. 2. Đánh giá các phơng pháp. 3. Đề nghị một phơng pháp để tái cấu trúc lới điện để giảm tổn thất công suất. 4. Xây dựng hàm mục tiêu đạt mục đích đặt ra. 5. Kiểm chứng trên lới điện mẫu nhằm đánh giá tính đúng đắn của ý tng đề xuất. 6. Lập trình trên máy tính và chạy kiểm tra phơng pháp đề nghị. 7. Đánh giá lại phơng pháp thực hiện và khả năng áp dụng phơng pháp đề nghị vào thực tế. Đồng thi đề xuất hớng nghiên cứu phát triển đề tài. 1.3.ăPhmăviănghiênăcứuă Nghiên cứu xoay quanh bài toán tái cấu trúc lới trên lới điện phân phối có cấu trúc mạch vòng nhng vận hành hình tia. Bài toán tái cấu trúc đợc nghiên cứu trong luận án này là: Bài toán tái cấu trúc lới để giảm tổn thất công suất. 1.4.ăPhngăphápănghiênăcứuă  đây chúng ta sử dụng các phơng pháp sau: 1. Phơng pháp phân tích, tổng hợp tài liệu có liên quan đến vấn đề tái cấu trúc lới điện. 2. Cơ s lý thuyết liên quan đến đề tài nghiên cứu. Chơng 1: Giới thiệu GVHD: TS. Trơng Việt Anh Trang 3 3. Thành tựu lý thuyết đư đạt đợc có liên quan đến đề tài nghiên cứu. 4. Kết quả nghiên cứu của đồng nghiệp đư công bố trên các ấn phẩm và có liên quan đến đề tài nghiên cứu. 5. Các số liệu thống kê liên quan đến đề tài nghiên cứu. 6. Dựa trên các thuật toán tối u để tái cấu trúc lới điện nhằm giảm tổn thất công suất. 1.5.ăĐimămiăcủaălunăvĕnă Đề xuất một giải thuật mới tái cấu trúc lới giảm tổn thất công suất tác dụng dựa theo giải thuật tối u bầy đàn (Particle swarm optimization - PSO). Sử dụng giải thuật đề nghị vào bài toán tìm trạng thái khóa điện tối u của lới điện nhằm làm giảm tổn thất công suất tác dụng. u điểm của giải thuật là đơn giản, tìm đợc li giải một cách nhanh chóng, thỏa các điều kiện ràng buộc, kết quả có thể chấp nhận đợc, phù hợp với lới điện không phức tạp, ít vòng kín, có tính khả thi cao khi áp dụng cho lới điện phân phối của Việt Nam. 1.6.ăGiáătrăthựcătin Khi đề xuất giải thuật dựa trên giải thuật tối u bầy đàn PSO để tái cấu trúc lại lới điện phân phối  Việt Nam nhằm giảm tổn thất công suất thì: 1. Góp phần nâng cao chất lợng điện, khả năng truyền tải và khả nâng vận hành lới điện của Việt Nam ngày càng tốt hơn. 2. Giúp giảm chi phí về vận hành, sửa chữa, cũng nh giúp giảm tổn hao về năng lợng. 3. Góp phần vào các nghiên cứu liên quan đến các bài toán tái cấu trúc lới điện phân phối. 4. Làm tài liệu tham khảo cho công tác nghiên cứu và vận hành lới điện phân phối. Chơng 1: Giới thiệu GVHD: TS. Trơng Việt Anh Trang 4 1.7.ăBăcụcălunăvĕnă Luận văn đợc thực hiện bao gồm các chơng sau: Chơng 1: Giới thiệu Chơng 2: Tổng quan về các phơng pháp tái cấu trúc lới điện phân phối Chơng 3: Giải thuật đề nghị. Chơng 4: Kết luận và hớng phát triển đề tài. Phụ lục và tài liệu tham khảo. Chơng 2: Tổng Quan GVHD: TS. Trơng Việt Anh Trang 5 CHNGă2ă TNGăQUANăVăCÁCăăPHNGăPHÁPăTÁIăCUă TRÚCăLIăĐINăPHỂNăPHIă 2.1.ăĐặcăđimăcủaăliăphơnăphiă Lới điện phân phối (LĐPP) là lới điện chuyển tải điện năng trực tiếp từ các trạm biến thế trung gian ( thng là các trạm: 110/22 kV, 110/35/22 kV, 35/22 kV) đến khách hàng. Đng dây truyền tải thng đợc vận hành mạch vòng hay mạch tia, còn các đng dây phân phối luôn đợc vận hành h trong mọi trng hợp. Nh cấu trúc vận hành h mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng loại relay quá dòng. Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đng dây kế cận đợc cấp điện từ một trạm biến áp trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đng dây bị sự cố. Việc khôi phục lới đợc thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các cặp khoá điện nằm trên các mạch vòng, do đó trên lới phân phối có rất nhiều khoá điện. Một đng dây phân phối luôn có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh hoạt, thơng mại dịch vụ, công nghiệp …) và các phụ tải này đợc phân bố không đồng đều giữa các đng dây. Mỗi loại tải lại có thi điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa. Vì vậy, trên các đng dây, đồ thị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ. Điều này gây ra quá tải đng dây và làm tăng tổn thất trên lới điện phân phối. Để chống quá tải đng dây và giảm tổn thất, các điều độ viên sẽ thay đổi cấu trúc lới điện vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khoá điện hiện có trên lới. Vì vậy, trong quá trình thiết kế, các loại khoá điện (Recloser, LBS, DS…) sẽ đợc lắp đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng/cắt các khoá này vừa có thể giảm chi phí vận hành và vừa giảm tổn thất năng lợng. Hay nói cách khác, hàm mục tiêu trong quá trình vận hành lới điện phân phối là cực tiểu chi phí vận hành bao gồm cả chi phí chuyển tải và tổn thất năng lợng. Chơng 2: Tổng Quan GVHD: TS. Trơng Việt Anh Trang 6 Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, vì vậy xuất hiện nhiều mục tiêu vận hành lới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụ thể. Tuy nhiên, các điều kiện vận hành lới phân phối luôn phải thoả mưn các điều kiện: - Cấu trúc vận hành h - Tất cả các phụ tải đều đợc cung cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép - Các hệ thống bảo vệ relay phải thay đổi phù hợp - Đng dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tảiă 2.1.1 nhăhởngăđnăcácăchătiêuăkinhăt-kỹăthutăcủaăhăthngăđin.ă - Do là cầu nối trực tiếp giữa nguồn và khách hàng, do đó nó ảnh hng trực tiếp đến chất lợng điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ. - Tổn thất điện năng chiếm tỉ lệ lớn trong tổng tổn thất của hệ thống bao gồm: tổn thất lới truyền tải, phân phối, hạ áp. Hình 2.1: Tổn thất điện năng của EVN - Vốn đầu t cho mạng phân phối cũng chiếm tỷ trọng lớn: nếu chia theo tỷ lệ vốn đầu t theo thống kê cho thấy nếu đầu t cho mạng cao áp là 1, thì mạng trung áp từ 1,5 đến 2 lần, hạ áp từ 2 đến 2,5 lần. - Xác suất ngừng cung cấp điện do sự cố, sửa chữa bảo dỡng theo kế hoạch cải tạo, lắp đặt trạm mới trên lới điện trung áp cũng nhiều hơn so với lới truyền tải. Chơng 2: Tổng Quan GVHD: TS. Trơng Việt Anh Trang 7 - Là khu vực khó xác định phơng án vận hành hơn so với lới truyền tải, và là nơi chịu tác động nhiều nhất từ các điều kiện môi trng, thiết bị, nguồn dự phòng,.v.v. 2.1.2.ăCuătrúcăliăđină Cấu trúc LĐPP đa dạng, phức tạp. Số lợng nút, nhánh rất nhiều do đó việc tính toán các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật gặp rất nhiều khó khăn, mặc dù trên thực tế đư có khá nhiều phần mềm áp dụng để quản lý kể cả trong khâu kỹ thuật cũng nh khâu kinh doanh. Lới điện phát triển nhanh, trải rộng; các hộ phụ tải đa dạng, đan xen. Chế độ vận hành bình thng lới điện phân phối là vận hành h. Các sơ đồ lới điện thng gặp là: hình tia, hình tia có nguồn dự phòng (lới điện kín vận hành h). Các sơ đồ trên có những u điểm nh: vận hành đơn giản; trình tự phục hồi lại kết cấu sau sự cố dễ dàng hơn; ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt điện cục bộ. Một số sơ đồ cung cấp điện thng đợc sử dụng trong thực tế  Việt Nam là: Hình 2.2a: Sơ đồ lới điện hình tia Chơng 2: Tổng Quan GVHD: TS. Trơng Việt Anh Trang 8 Hình 2.2b: Sơ đồ lới điện kín vận hành h 2.2.ăThựcătrngăcủaăliăphơnăphiăcủaăVităNam.ă LĐPP của Việt Nam tồn tại 3 cấp điện áp (35, 22, 15)kV, trong đó lới 35kV có khối lợng rất nhỏ mà chủ yếu là lới (15, 22)kV. Đối với miền Nam trong thi gian vừa qua lới 22kV các tỉnh phát triển mạnh mẽ, nếu không tính hai khu vực TP.Hồ Chí Minh và tỉnh Đồng Nai, lới 22kV khu vực Tổng công ty điện lực Miền Nam quản lý chiếm 87,9% (theo dung lợng TBA), 81,9% (theo khối lợng đng dây). Mặt khác  khu vực này lới 15kV hầu hết đợc thiết kế theo tiêu chuẩn 22kV, do vậy  khu vực này việc chuyển đổi lới 15->22kV cơ bản là rất thuận lợi. Trong một vài năm tới lới 15kV cơ bản chuyển thành lới 22kV. Chơng 2: Tổng Quan GVHD: TS. Trơng Việt Anh Trang 9 Hình 2.3: Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp LĐPP khu vực miền Nam Trong những năm gần đây, Tổng Công ty điện lực Miền Nam đư đẩy mạnh phát triển LĐPP, bình quân trong giai đoạn 5 năm từ 2007 đến 2011 phát triển trung bình hơn 1.500 km đng dây phân phối và hơn 2.000 MVA dung lợng trạm biến áp. Nĕmă 2007ă 2008ă 2009ă 2010ă 2011ă ĐZ phân phối (km) 44.620 45.852 47.255 53.190 54.694 Dung lợng trạm (MVA) 8.710 10.067 11.498 15.668 17.697 ă Bảng 2.1. Khối lợng LĐPP và tổng dung lợng trạm của EVN SPC ă 2.3.ăCácăbƠiătoánătáiăcuătrúcăliăđinăởăgocăđăvnăhƠnhă Các bài toán vận hành LĐPP chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề sau: giảm tổn thất công suất của lới điện, cải thiện thi gian tái lập, cải thiện các hệ số tin cậy của hệ thống, cải thiện khả năng tải của lới điện, cải thiện tình trạng không cân bằng tải, tối thiểu công suất tổn thất, giảm thiểu tổn thất của hệ thống lới điện không cân bằng, .v.v. Từ những mục tiêu cơ bản trên, chúng ta có thể tạm phân chia bài toán tái cấu trúc lới điện phân phối thành các bài toán nhỏ nh sau: - Bài toán 1: Xác định cấu trúc lới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 thi đoạn để chi phí vận hành bé nhất. Chơng 2: Tổng Quan GVHD: TS. Trơng Việt Anh Trang 10 - Bài toán 2: Xác định cấu trúc lới điện không thay đổi trong thi đoạn khảo sát để tổn thất năng lợng bé nhất. - Bài toán 3: Xác định cấu trúc lới điện tại một thi điểm để tổn thất công suất bé nhất. - Bài toán 4: Tái cấu trúc lới điện cân bằng tải (giữa các đng dây, máy biến thế nguồn  các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của lới điện. - Bài toán 5: Khôi phục lới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa. - Bài toán 6: Xác định cấu trúc lới theo nhiều mục tiêu nh: tổn thất công suất bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối lới bé nhất cùng đồng thi xảy ra ( hàm đa mục tiêu ) - Bài toán 7: Xác định cấu trúc lới tối u chi phí trong vận hành và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của một lới điện phân phối cực tiểu tổn thất năng lợng hay cực tiểu chi phí vận hành thoả mưn các điều kiện kỹ thuật vận hành luôn là bài toán quan trọng và kinh điển trong vận hành hệ thống điện. TênăbƠiă t oánă 1 2 3 4 5 6 7 Đặcăđimăliăđ i nă Khoá điện đợc điều khiển từ xa     Chi phí chuyển tải thấp, không mấ t điện khi chuyển t ả i     Chi phí chuyển tải cao, mất đ i ện khi chuyển t ả i     Lới điện thng xuyên bị quá t ả i    Lới điện ít bị quá t ả i      L  ớ i đ i ệ n h ầ u n h  k h ô n g q u á t ả i      Bảng 2.2. Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc lới 2.4.ăTngăquanăvăcácăphngăphápătáiăcuătrúcăliăđinăgimătnăthtăcôngă sută [...]... gian cho phép hay khơng tìm ra cấu trúc tối u hơn thì dừng Ph ơng pháp này cũng rất thích hợp để giải bài tốn tái cấu trúc để có thể tìm ra trong các cấu trúc có thể của mạng phân phối có 1 cấu trúc có cơng suất tổn thất là nhỏ nhất Các b ớc để tạo ra giải thuật kiến áp dụng cho bài tốn tái cấu trúc: - B ớc 1: một số cấu trúc mạng phân phối sẽ đ ợc tạo ra ban đầu - B ớc 2: mỗi cấu trúc t ợng tr ng cho... các khóa điện, nếu ki = 0, khóa điện thứ i m và ng ợc lại Để giảm tổn thất cơng suất l ới điện phân phối, hàm mục tiêu của bài tốn là: F(x) = min (Ploss) (3.5) Và kèm theo các điều kiện ràng buộc mà l ới điện phân phối phải thỏa mưn ≤| |≤ là điện áp và dòng điện phải duy trì trong giới hạn cho phép , | |≤ , , (3.6) (3.7) Để giải bài tốn trên, tr ớc hết phải giải bài tốn phân bố cơng suất cho l ới điện. .. gian và yếu tố liên quan đến dòng điện Trang 11 Ch ơng 2: Tổng Quan GVHD: TS Tr ơng Việt Anh Đọc dữ liệu lưới điện và khoá điện Đóng tất cảø khoá điện 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 Vi phạm các điều kiện vận hành Không Không Có Đóngkhoá điện vừa mở Mở khoá điện có dòng bé nhất tiếp theo Lưới điện. .. chuỗi nhị phân (0 or 1) - B ớc 5: tính 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 - B ớc 6: nếu ch a hết th i gian cho phép thì lập lại b ớc 4 để tìm cấu trúc mới - B ớc 7: nếu th i gian cho phép chấm dứt thì dừng ch ơng trình tìm kiếm và báo cáo kết quả tính đ ợc u điểm của ph ơng pháp gen: - L i giải khơng phụ thuộc vào trạng... suất cho l ới điện có cấu trúc hình tia và sau khi thực hiện tái cấu trúc, cấu trúc l ới hình tia vẫn phải đ ợc đảm bảo Trang 25 Ch ơng 3: Ph ơng pháp tiếp cận GVHD: TS Tr ơng Việt Anh 3.2.ăXơyădựngăgi iăthu t tái c u trúc l su tă iăđi năphơnăph iăgi măt năth tăcơngă Bài tốn tái cấu hình l ới điện phân phối là bài tốn các trạng thái đóng/m của các khóa điện trên l ới nhằm đạt mục tiêu vận hành nào đó... tự nhiên Từ ý t ng và đặc điểm của giải thuật di truyền, ta nhận xét giải thuật này rất thích hợp để giải bài tốn tái cấu trúc Các b ớc quan trọng trong việc áp dụng giải thuật di truyền vào bài tốn tái cấu trúc: - B ớc 1: chọn ra 1 số cấu trúc ngẫu nhiên có thể tìm đ ợc trong mạng phân phối điện - B ớc 2: kí hiệu các khóa đóng (sectionalize switches) trong mạng phân phối là 0; các khóa th ng m (tie... vấn đề thay đổi cấu trúc thiết kế hệ thống điện thơng qua kết hợp với các máy phát phân tán (DG) và vận hành của l ới phân phối thơng qua chuyển đổi các khố điện sẽ góp phần cải thiện điện áp tại các nút phụ tải và giảm tổn thất cơng suất trên l ới phân phối góp phần nâng cao hiệu quả, độ tin cậy cung cấp điện Hình 3.1: Sơ đồ đơn tuyến của một phát tuyến L ới điện phân phối th ng có cấu trúc mạch vòng... ớc 3: tìm hệ số thích nghi và hàm mục tiêu cho từng cấu trúc đư đ ợc tạo ra ban đầu - B ớc 4: chọn ra đ ợc cấu trúc tốt nhất dựa vào hàm mục tiêu (trình bày II), tiếp theo đem cấu trúc này thay đổi 1 số vị trí hay còn gọi là đột biến để tạo ra cấu trúc mới Các cơng thức để tính tốn đột biến Bnp'(gen) = Bnp(gen) + S *k *delta Trong đó:  Bnp: chuỗi nhị phân tạo ra ngẫu nhiên  Bnp’: chuỗi nhị phân tạo... vật lý Giải thuật bảng tìm kiếm đ ợc đề cập b i Fred Glover đầu những năm 1980 và đư đ ợc ứng dụng rộng rưi trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật Trong lĩnh vực hệ thống điện đại dùng để giải quyết các vấn đề của bài tốn tái cấu trúc l ới điện phân phối cực tiểu tổn thất trong các điều kiện vận hành bình th ng, trong bài tốn tái cấu trúc TS là ph ơng pháp tối u sử dụng cho các bài tốn tối u tổ hợp... chân ban đầu đ ợc tạo ra cho mỗi đoạn đ  ng Sau khi các cấu trúc ban đầu tạo ra đư cập nhật vào ma trận dấu chân, ta sẽ chọn ra đ ợc cấu trúc tốt nhất trong số các cấu trúc ban đầu, các cấu trúc còn lại thì ra sẽ làm bay hơi dấu chân của các cấu trúc này bằng cơng thức (2.3) + = × + + - B ớc 4: dựa vào ma trận dấu chân ta sẽ xây dựng danh sách các cấu trúc đ ợc chọn theo cơng thức (II.4) ∅ = Trong đó: . quanh bài toán tái cấu trúc lới trên lới điện phân phối có cấu trúc mạch vòng nhng vận hành hình tia. Bài toán tái cấu trúc đợc nghiên cứu trong luận án này là: Bài toán tái cấu trúc lới. ( hàm đa mục tiêu ) - Bài toán 7: Xác định cấu trúc lới tối u chi phí trong vận hành và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của một lới điện phân phối. giảm thiểu tổn thất của hệ thống lới điện không cân bằng, .v.v. Từ những mục tiêu cơ bản trên, chúng ta có thể tạm phân chia bài toán tái cấu trúc lới điện phân phối thành các bài toán nhỏ