NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN NHANH CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN THEO MỤC TIÊU GIẢM CHI PHÍ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

Người thực hiện đề tài : NGUYỄN THỊ MAI DUYÊNNgười hướng dẫn khoa học : TS TRỊNH TRỌNG CHƯỞNGNGHIÊN CỨU LỰA CHỌN NHANH CẤU TRÚC LƯỚI

ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN THEO MỤC TIÊU GIẢM CHI

PHÍ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG

Hà Nội, tháng 11 năm 2015

Lí do chọn đề tài:

I MỞ ĐẦU

 Đặc điểm của lưới điện phân phối:

 Tổn thất công suất trên lưới điện phân phối:

- Số lượng đường dây và trạm biến áp nhiều nhất trong HTĐ - Thiết kế hình kín nhưng vận hành hình hở

Lí do chọn đề tài:

I MỞ ĐẦU

Thay thế các thiết bị cũ bằng các

Bù công suất phản kháng

Tái cấu trúc lưới điện

Lí do chọn đề tài:

I MỞ ĐẦU

Mục đích nghiên cứu

 Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến trào lưu công suất trên lưới điện phân phối và đến bài toán lựa chọn cấu trúc tối ưu của lưới điện theo mục tiêu giảm chi phí tổn thất điện năng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Lưới điện trung áp huyện Bát Xát, tỉnh Lào Cai.

 Phần mềm PSS/ADEPT để tính toán lựa chọn cấu trúc hợp lý Tính toán lựa chọn cấu trúc lưới điện trong các phương án vận hành của phụ tải và của nguồn điện phân tán

I MỞ ĐẦU

Phương pháp nghiên cứu

Phân tích, đối chiếu và tổng hợp

Sử dụng phương pháp giải tích toán học.Ứng dụng phép tìm kiếm heuristic.

Sử dụng các phương pháp mô phỏng để kiểm chứng độ chính xác của thuật toán thông qua các lưới điện chuẩn của IEEE và lưới điện trung áp thực tế ở nước ta.

Đặc điểm của lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối trung áp là lưới điện dùng để truyền tải trực tiếp điện năng từ các trạm biến áp trung gian đến các trạm biến áp hạ áp cung cấp cho các hộ phụ tải Lưới phân phối trung áp thường có cấp điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV.Cấu trúc của lưới điện phân phối rất phức tạp bao gồm nhiều nhánh, nhiều nút và có khối lượng rất lớn

Sự ảnh hưởng này nặng nề nhất là với các cấu trúc lưới điện phân phối hình tia có một nguồn cung cấp, các lưới phân phối hình tia thường xuyên bị quá tải vào các thời gian phụ tải cực đại trong ngày và trong mùa, tổn thất công suất trên các đoạn đầu nguồn là rất lớn, hay xảy ra sự cố

Các lý do vận hành hình tia lưới điện phân phối

Nếu vận hành kín đòi hỏi vốn đầu tư lớn, yêu cầu hệ thống rơle bảo vệ phức tạp hơn với số lượng lớn, thông thường phải dùng rơle bảo vệ có hướng, việc vận hành và chỉnh định khó khăn Lưới điện kín có tổng trở nhỏ hơn tổng trở lưới điện hình tia

Vận hành hở sẽ giảm chi phí đầu tư cho các thiết bị và độ tin cậy vẫn đảm bảo yêu cầu về khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch trong mạch vòng lớn hơn so với các mạch hình tia.

NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

www.themegallery.com Company Logo

Thực trạng lưới điện phân phối tại Việt Nam

Theo thống kê, lưới điện trung áp toàn quốc hiện vận hành ở 5 cấp điện áp: 35 kV, 22 kV, 15 kV, 10 kV, 6 kV; tỷ trọng các cấp điện áp được thể hiện ở hình 1.3 [6] Lưới điện 22 kV hiện có mặt hầu khắp toàn quốc, tuy nhiên tỷ lệ lưới 22 kV (theo dung lượng trạm biến áp) ở mỗi địa phương khác nhau, ví dụ Tổng Công ty Điện lực miền Nam là 84,3%, Tổng Công ty Điện lực miền Trung là 63,9%, Tổng Công ty Điện lực miền Bắc là 12,8%, Tổng Công ty Điện lực Hà Nội 42,5%, Tổng Công ty Điện lực Hồ Chí Minh là 0,1%.

Lưới 35kV tồn tại khắp toàn quốc trừ khu vực Tp.Hồ Chí Minh, tuy nhiên khối lượng lưới 35kV ở miền Bắc chiếm tỷ lệ áp đảo (87,9%), miền Trung (9,3%), miền Nam (2,8%) Còn lưới điện 15kV chủ yếu tập trung ở khu vực miền Nam (82,4%) và miền Trung (15,6%) Lưới điện l0kV tập trung chủ yếu ở miền Bắc (82,4%), miền Trung 17,6% Lưới điện 6kV chủ yếu tập trung khu vực miền Bắc (74,8%), miền Trung chiếm 25,2%.

.

Đường dây phân phối quá dài, bán kính cấp điện lớn

Tiết diện dây dẫn quá nhỏ, đường dây bị xuống cấp, không được cải tạo nâng cấp

Máy biến áp phân phối thường xuyên mang tải nặng hoặc quá tải

Máy biến áp là loại có tỷ lệ tổn thất cao hoặc vật liệu lõi từ không tốt dẫn đến sau một thời gian tổn thất tăng lên.

Vận hành không đối xứng liên tục dẫn đến tăng tổn thất trên máy biến áp.

Nhiều thành phần sóng hài của các phụ tải công nghiệp tác động vào các cuộn dây máy biến áp làm tăng tổn thất.

Vận hành với hệ số cosφ thấp do thiếu công suất phản kháng

Tổn thất thương mại: là tổn thất trong khâu kinh doanh điện năng, bao gồm:

toàn quốc

 Các giải pháp tổn thất điện năng cho lưới điện trung áp

Nâng cao điện áp vận hành: Ví dụ nâng điện áp từ 6 kV, 10 kV lên 22 kV

Tăng tiết diện dây dẫn hiện có nhằm giảm điện trở đường dây, hoặc có thể thay thế chất liệu dây dẫn hiện có bằng chất liệu có điện trở thấp hơn, tổn thất nhỏ (vật liệu siêu dẫn, cách điện chất lượng cao) Song phương pháp này yêu cầu vốn đầu tư lớn, không khả thi.

Tiến hành bù công suất phản kháng trên lưới, nâng cao hệ số công suất cos của lưới điện Trong lưới phân phối, khi tiến hành lắp đặt bù.

Ngoài các phương pháp làm giảm tốn thất trên, còn một phương pháp khác làm giảm tổn thất đảm bảo lưới điện phân phối vận hành kinh tế là cấu trúc lại lưới điện phân phối bằng việc đóng mở các cặp khóa điện có sẵn trên lưới phân phối Điều này làm giảm đáng kể tổn thất khi đạt được sự cân bằng công suất giữa các tuyến dây mà không cần chi phí để cải tạo lưới Tái cấu trúc lưới điện có nhiều mục đích như: giảm tổn thất công suất, tái cấu trúc để có sự cân bằng tải, tái cấu trúc để cho hệ thống không vượt qua các giới hạn cho phép của đường dây, MBA và các thiết bị bảo vệ, tái cấu trúc để tăng độ tin cậy của hệ thống…

BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU CHÍNH

Khi thay đổi cấu trúc một lươi điện bằng cách đóng/mở các thiết bị đóng cắt thì sẽ dẫn đến sự phân bố dòng, áp trên lưới cũng thay đổi, và như vậy, các tổn thất trên lưới cũng thay đổi theo Tái cấu trúc lưới điện phân phối góp phần giảm tổn thất và cân bằng công suất giữa các tuyến đường dây, giảm sụt áp cuối đường dây, giảm bớt khả năng quá tải các thiết bị trên lưới

- Giới thiệu bài toán tái cấu trúc lưới điện

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

Bài toán 2: Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 khoảng thời gian để tổn thất năng lượng bé nhất.

Bài toán 3: Tái cấu trúc lưới điện cân bằng tải ( giữa các đường dây, máy biến thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải các lưới điện.

Bài toán 4: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sữa chữa.

Bài toán 5: Xác định cấu trúc lưới theo nhiều mục tiêu như: tổn thất công suất bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối lưới bé nhất cùng đồng thời xảy ra ( Hàm đa mục tiêu).

Bài toán 6: Xác định cấu trúc lưới điện tại 1 thời điểm để tổn thất công suất bé nhất.

Company Logo

Các tiêu chí ảnh hưởng đến hàm mục tiêu của bài toán tái cấu trúc

Tổn thất công suất tác dụng PTổn thất điện áp

Có rất nhiều tiêu chuẩn khác nhau quy định về tổn thất điện áp, thông thường lưới phân phối người ta lấy và

Ảnh hưởng của dòng ngắn mạch IN

Sơ đồ bảo vệ của một số lưới phân phối trung áp

Ulvcp Usccp 15%

H¹ ¸pCao ¸p

Trung ¸p

Hình 2.2 Sơ đồ bảo vệ lưới điện phân phối trung áp hình tia

Các bài toán tái cấu trúc lưới điện điển hình

Bài toán 1: Lựa chọn điểm phân đoạn để cực tiểu chi phí vận hành

Độ giảm chi phí vận hành khi chuyển đổi trạng thái của một điểm phân đoạn trong khoảng thời gian T có thể được tính như sau :

www.themegallery.com Company LogoBài toán 2: Lựa chọn điểm phân đoạn trong lưới điện để giảm tổn thất điện năng

Trong thực tế, LĐPPTA không phải lúc nào cũng được trang bị các thiết bị đóng cắt tự động Việc thay đổi cấu trúc nhiều lần trong khoảng thời gian khảo sát dẫn đến chi phí chuyển tải quá lớn so với mức giảm tổn thất điện năng và ảnh hưởng đến việc phối hợp bảo vệ rơle Để giảm chi phí vận hành và tránh gây mất điện khi chuyển tải, các điều độ viên chỉ cho phép thay đổi cấu trúc lưới sau sự cố Vì vậy, cần xác định cấu trúc lưới không thay đổi trong suốt thời gian khảo sát có tổn thất điện năng ∆A bé nhất Thời gian khảo sát có thể là trong ngày, trong tuần, trong tháng, trong mùa.

Theo [3]: “Đã có nhiều nghiên cứu giải quyết bài toán này nhưng nghiên cứu của Taleski được xem là đầy đủ hơn cả” Tuy nhiên, giải thuật của Taleski còn phức tạp trong việc cộng dồn đồ thị để tính giảm ∆A cho mỗi vòng lặp do sử dụng giải thuật giảm ∆P của Civanlar Về thông số phụ tải, giải thuật này đòi hỏi các giá trị moment bậc 1 và bậc 2 của đồ thị phụ tải Để có được các thông số này cần phải tiến hành xác định đồ thị phụ tải của LĐPP Đây là công việc đòi hỏi nhiều thời gian khảo sát, phải lắp đặt các thiết bị đo đạc, không phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh hiện tại của LĐPP tại Việt Nam”.

Tác giả đưa ra kết luận: “ Có thể lựa chọn điểm phân đoạn trong LĐPP để giảm tổn thất điện năng ∆A bằng giải thuật tái cấu trúc LĐPP để giảm tổn thất công suất ∆P với công suất tại các nút tải đầu vào là công suất trung bình trong một khoảng thời gian tính toán”.

Chứng minh trên đây là tiền đề hết sức quan trọng để áp dụng vào thực tế, phù hợp với hầu hết LĐPPTA ở Việt Nam.

www.themegallery.com Company Logo

Bài toán 3: Cân bằng công suất giữa các đường dây và trạm biến áp

Theo [3], khi đưa ra các hàm mục tiêu cân bằng tải cho toàn bộ các phần tử trên lưới có dạng như sau:

Loại bỏ phần tử sự cố trên lưới.

Tìm điểm phân đoạn trong lưới điện để cấp điện với số khách hàng tối đa mà không gây quá tải.

Các giải thuật nghiêng về cách sử dụng hàm mục tiêu cân bằng tải và giảm số lần thao tác khóa để khôi phục lưới.

Bài toán 5: Lựa chọn điểm phân đoạn trong lưới điện theo hàm đa mục tiêu

Như đã trình bày, trong vận hành LĐPPTA có rất nhiều mục tiêu vận hành mà người điều độ viên phải lựa chọn sao cho phù hợp với các đặc tính của lưới điện tại khu vực mà mình đang trực tiếp vận hành Tuy nhiên, việc chọn duy nhất một mục tiêu điều khiển theo từng thời điểm tỏ ra không có tính thuyết phục đối với người vận hành hơn khi cùng lúc thỏa mãn nhiều mục tiêu Đã có nhiều nghiên cứu trong việc giải quyết bài toán đa mục tiêu như của Baran [15] khi xem xét cả 2 mục tổn thất công suất và cân bằng tải.

Hàm đa mục tiêu tương đối đầy đủ bao gồm: cực tiểu tổn thất công suất, cân bằng tải giữa các máy biến thế, cực tiểu tổn thất điện áp, cực tiểu số lần đóng cắt và cân bằng số tải quan trọng trên các máy biến thế trung gian.Được trình bày tại biểu thức:

B: Hàm cân bằng tải giữa các máy biến thế của trạm trung gian.D: Hàm số thể hiện độ sụt áp cuối lưới.

W: Hàm số thể hiện mức độ sự cố của lưới điện.

E: Hàm số thể hiện mức độ cân bằng của các phụ tải quan trọng.

Bài toán 6: Lựa chọn điểm phân đoạn trong lưới điện để giảm tổn thất công suất tác dụng

Lựa chọn điểm phân đoạn trong LĐPPTA để giảm ∆P đòi hỏi tìm được một chuỗi các thao tác vận hành chuyển trạng thái điểm phân đoạn để giảm tổn thất tác dụng trên đường dây Có nhiều phương pháp tìm điểm phân đoạn giảm ∆P nhưng nhìn chung chủ yếu đều dựa trên cơ sở 2 thuật toán:

Thuật toán của A.Merlin & Back (thuật toán cắt vòng kín) đại diện cho phương pháp heuristic kết hợp

với các kỹ thuật tối ưu [8].

Thuật toán của Civanlar (thuật toán đổi nhánh) đại diện cho phương pháp thuần heuristic [18].

Trong 6 bài toán vừa nêu thì bài toán 6 là cơ bản nhất, được nhiều tác giả nghiên cứu Trong nội dung của luận văn này sẽ đề cập đến bài toán trên.

2.4 Một số hướng nghiên cứu chính cho bài toán tái cấu trúc lưới điện

2.4.1 Thuật toán cắt vòng kín [8]

Thuật toán của Merlin & Back cho rằng: với một lưới điện có các phần tử đã xác định thì lưới điện kín luôn có P bé nhất Vì vậy để có lưới điện hình tia, tác giả đã lần lượt loại bỏ những nhánh có dòng công suất chạy qua bé nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi lưới điện đạt được trạng thái vận hành hở Trong quá trình thực hiện, thuật toán không tính mức giảm P khi phân bố lại phụ tải cho từng bước mà chỉ xét đến dòng chạy qua khoá điện và xem xét khoá điện nào mở ra làm lưới điện bị quá tải Thuật toán không tính tổn thất P để so sánh lựa chọn cấu hình tối ưu vì đã xuất phát từ điều kiện mở nhánh có dòng bé nhất để mức tổn thất P là bé nhất.

Hình 2.3 Thuật toán Merlin Back đã được chỉnh sửa

www.themegallery.com Company Logo

2.4.2 Thuật toán đổi nhánh

2.4.3 Giải thuật mô phỏng luyện kim (Simulated Annealing Algorithm - SA) 2.4.4 Giải thuật đàn kiến (Ant Colony Algorithm - ACS)

2.4.5 Phương pháp mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Network -ANN) 2.4.6 Phương pháp tìm kiếm TABU (Tabu Search -TS)

2.4.7 Phương pháp logic mờ (Fuzzy Logic)

Mô hình của một hệ thống mờ

Tập mờ và tập rõ

2.4.8 Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm -GA) 2.4.9 Phương pháp bầy đàn (Particle Swarm Method – PSO)

www.themegallery.com Company Logo

Các bước đánh giá lưới điện phân phối có nguồn thủy điện nhỏ trong bài toán tái cấu trúc

Lưu đồ giải thuật tái cấu trúc lưới điện có TĐN giảm tổn thất P

www.themegallery.com Company Logo

Các bước chọn chế độ vận hành của lưới điện để tìm điểm mở theo mùa

LỰA CHỌN CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN HỢP LÝ GIẢM CHI PHÍ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ

3.1 Đặc điểm của lưới điện nghiên cứu

Xuất tuyến này cũng mang những đặc điểm chung của lưới 35 kV ở nước ta:

-Lưới điện vận hành hình tia, vừa có chức năng là đường dây truyền tải vừa mang chức năng của đường dây phân phối;

-Hệ thống bảo vệ gồm máy cắt đầu đường dây, Recloser, LBS, FCO và không được điều khiển từ xa, số lượng thiết bị đóng cắt có tải không nhiều nên phạm vi mất điện lớn, thời gian mất điện kéo dài khi chuyển tải;

-Quá trình chuyển tải chỉ thực sự diễn ra khi lưới điện bị sự cố hay cô lập đường dây để sửa chữa, tuy nhiên hiện nay khi các TĐN thay đổi công suất phát theo mùa nước thì các điểm mở trên lưới điện hầu như vẫn cố định, khi xuất hiện thêm nguồn Cốc San và Ngòi Phát thì các điểm mở trên lưới điện vẫn ở các vị trí cũ.

-Xuất tuyến này cũng mang những đặc điểm chung của lưới 35 kV ở nước ta:

-Lưới điện vận hành hình tia, vừa có chức năng là đường dây truyền tải vừa mang chức năng của đường dây phân phối;

-Hệ thống bảo vệ gồm máy cắt đầu đường dây, Recloser, LBS, FCO và không được điều khiển từ xa, số lượng thiết bị đóng cắt có tải không nhiều nên phạm vi mất điện lớn, thời gian mất điện kéo dài khi chuyển tải;

-Quá trình chuyển tải chỉ thực sự diễn ra khi lưới điện bị sự cố hay cô lập đường dây để sửa chữa, tuy nhiên hiện nay khi các TĐN thay đổi công suất phát theo mùa nước thì các điểm mở trên lưới điện hầu như vẫn cố định, khi xuất hiện thêm nguồn Cốc San và Ngòi Phát thì các điểm mở trên lưới điện vẫn ở các vị trí cũ.

TTNhà máy (ký hiệu)Công suất đảm bảo Pđb, MW

Công suất lắp

máy Plm, MWĐịa điểm

Bảng 3.1 Các nhà máy TĐN trên xuất tuyến 371 - E20.1 tính đến hết 2014

Hình 3.2 Đồ thị phụ tải điển hình mùa khô và mùa mưa xuất tuyến 371-E20.1

3.3 Ảnh hưởng của TĐN đến chất lượng điện áp trên LĐPP

Với một LĐPP có TĐN như ở Bát Xát, Lào Cai, chất lượng điện áp được xem là được cải thiện nếu biên độ điện áp các nút trong LĐPP được cải thiện sau khi lắp đặt TĐN (nằm trong giới hạn cho phép) Áp dụng chương trình PSS/ADEPT [22], tiến hành giải bài toán phân bố công suất để kiểm tra điện áp các nút trong các phương án.

Phân bố điện áp các nút khi TĐN và tải thay đổi

Hình 3.2 Phân bố điện áp các nút trên xuất tuyến khi không có TĐN, khi TĐN trong mùa khô, tải cực tiểu và cực đại