Giảm tổn thất điện năng ở hệ thống điện phân phối

Trong nội dung này trình bày giải thuật Hueristic vòng cho vấn đề Tái Cấu Trúc Lưới Phân Phối Trong Điều Kiện Tải Không Đối Xứng nhằm giảm tổn thất điện năng. Vấn đề tái cấu trúc lưới chính là quá trình xử lý cấu trúc hình học của các phát tuyến của lưới phân phối bằng cách thay đổi trạng thái đóng/mở các khóa của lưới.

Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2015 96 GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG Ở HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI ThS Ngơ Đình Thành Phó trưởng Khoa KT HTĐT, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt: Trong nội dung trình bày giải thuật Hueristic vịng cho vấn đề Tái Cấu Trúc Lưới Phân Phối Trong Điều Kiện Tải Không Đối Xứng nhằm giảm tổn thất điện Vấn đề tái cấu trúc lưới trình xử lý cấu trúc hình học phát tuyến lưới phân phối cách thay đổi trạng thái đóng/mở khóa lưới Trong điều kiện vận hành bình thường cấu trúc lưới điện có hai mục đích là: Giảm tổn thất, giảm mát công suất tác dụng hệ thống Cân phụ tải, tránh tượng tải cho hệ thống Mặc dù vấn đề tái cấu trúc lưới tìm hiểu nhiều thập niên qua, hầu hết nghiên cứu bị hạn chế việc tìm hiểu hệ thống cân việc lập kế hoạch lâu dài cho hệ thống Vì nghiên cứu bổ sung cần thiết để hướng vào vấn đề phụ tải mạch không cân vấn đề tái cấu trúc Tiến hành tái cấu trúc lưới với phụ tải không cân với mục đích thay đổi cấu trúc hình học để giảm tổn thất cho lưới điện phân phối vấn đề cần thiết Từ khóa: Tái cấu trúc lưới, tải khơng cân Đặc điểm lƣới điện phân phối Hệ thống điện phân phối lưới điện chuyển tải điện trực tiếp từ trạm biến trung gian đến khách hàng Đường dây truyền tải thường vận hành mạch vòng hay mạch tia, đường dây phân phối điện vận hành hở trường hợp Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ cần sử dụng loại relay dòng Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau cố, hầu hết tuyến dây có mạch vịng liên kết với đường dây kế cận cấp điện từ trạm biến áp trung gian khác hay từ trạm biến áp có đường dây bị cố Việc khôi phục lưới thực thơng qua thao tác đóng/cắt cặp khố điện nằm mạch vịng, lưới phân phối có nhiều khố điện Một đường dây phân phối ln có nhiều loại phụ tải khác (ánh sáng sinh hoạt, thương mại dịch vụ, công nghiệp …) phụ tải phân bố không đồng đường dây Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác ln thay đổi ngày, tuần, mùa năm Vì vậy, đường dây, đồ thị phụ tải khơng phẳng ln có chênh lệch công suất tiêu thụ Điều dễ gây tải đường dây, đối xứng pha làm tăng tổn thất lưới điện phân phối dẫn đến thiệt hại kinh tế Để chống tải đường dây giảm tổn thất, có nhiều cách khác Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2015 cách đơn giản, rẻ tiền, không cần đầu tư thêm thiết bị khác đầu tư từ ban đầu làm thay đổi cấu trúc lưới điện vận hành thao tác đóng/cắt cặp khố điện có lưới Vì vậy, trình thiết kế, loại khoá điện (Recloser, LBS, DS…) lắp đặt vị trí có lợi để thao tác đóng/cắt khố vừa giảm chi phí vận hành vừa giảm tổn thất lượng Hơn nữa, ngày với phát triển công nghệ giúp cho việc chuyển tải trở nên dễ dàng nhanh chóng(các thiết bị đóng cắt tự động điều khiển từ xa) Hay nói cách khác, mục tiêu trình vận hành lưới điện phân phối cực tiểu chi phí vận hành bao gồm chi phí chuyển tải tổn thất lượng Bên cạnh đó, q trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, xuất nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụ thể Tuy nhiên, điều kiện vận hành lưới phân phối phải thoả mãn điều kiện: - Cấu trúc vận hành hở - Tất phụ tải cung cấp điện - Sụt áp phạm vi cho phép - Các hệ thống bảo vệ relay phải thay đổi phù hợp - Đường dây, máy biến áp thiết bị khác không bị tải Trên lưới điện phân phối thực tế có hàng trăm khố điện, việc tìm cách chuyển tải tốt tổ hợp khoá 97 điện chuyển tải cần thời gian dài phải xem xét đến điều kiện ràng buộc kỹ thuật Vì cần thiết phải có giải thuật tái cấu trúc lưới để nhanh chóng tìm cấu trúc vận hành tốt cho lưới điện theo mục tiêu điều khiển Như biết, thực tế lưới điện vận hành điều kiện tải không đối xứng có nhiều loại phụ tải chúng lắp đặt khơng cân pha Vì vậy, việc tìm giải thuật “Tái cấu trúc lưới phân phối để giảm tổn thất điều kiện tải không đối xứng” cần thiết giúp điều độ viên trình vận hành lưới điện nhằm giảm chi phí vận hành Các lý vận hành hở lƣới điện phân phối Lý vận hành hở lưới phân phối xuất phát từ nét đặc trưng lưới phân phối: - Số lượng phần tử như: lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù, phụ tải lưới phân phối nhiều lưới truyền tải từ 5-7 lần mức đầu tư từ 22.5 lần - Có nhiều khách hàng tiêu thụ điện với công suất nhỏ nằm diện rộng, nên có cố, mức độ thiệt hại gián đoạn cung cấp điện lưới điện phân phối gây so với cố lưới điện truyền tải Do nét đặc trưng trên, lưới điện phân phối cần vận hành hở dù có cấu trúc mạch vịng lý sau: - Tổng trở lưới điện phân phối vận hành hở lớn nhiều so với vận Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2015 hành vịng kín nên dịng ngắn - mạch bé có cố Vì cần chọn thiết bị đóng cắt có dịng ngắn mạch chịu đựng dòng cắt ngắn mạch bé, nên mức đầu tư giảm đáng kể - Trong vận hành hở, relay bảo vệ lộ cần dùng loại - relay đơn giản rẻ tiền relay dòng, thấp áp … mà không thiết phải trang bị loại relay phức tạp định hướng, khoảng cách, so lệch … nên - việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn, nên mức đầu tư giảm xuống - Chỉ cần dùng cầu chì tự rơi (FCO: Fuse Cut Out) hay cầu chì tự rơi kết hợp - Fuse Cut cắt có tải (LBFCO: Load Break Out) để bảo vệ nhánh rẽ hình tia - hợp với đoạn trục phối Recloser để tránh cố thoáng qua - Khi cố, vận hành hở, nên cố không lan tràn qua phụ tải khác - Do vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp tuyến dây dễ dàng giảm phạm vi điện thời gian giải trừ cố - Nếu xem xét giá xây dựng lưới phân phối, phương án kinh tế lưới hình tia Các toán tái cấu trúc lƣới điện phân phối góc độ vận hành Các tốn vận hành lưới điện phân phối mô tả hàm mục tiêu tái cấu trúc lưới điện sau: Bài toán : Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải thời đoạn để chi phí vận hành bé 98 Bài toán 2: Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi thời đoạn khảo sát để tổn thất lượng bé Bài toán 3a: Xác định cấu trúc lưới điện thời điểm để tổn thất công suất bé điều kiện tải cân Bài toán 3b: Xác định cấu trúc lưới điện thời điểm để tổn thất công suất bé điều kiện tải không cân Bài toán 4: Tái cấu trúc lưới điện cân tải (giữa đường dây, máy biến nguồn trạm biến áp) để nâng cao khả tải lưới điện Bài tốn 5: Khơi phục lưới điện sau cố hay cắt điện sửa chữa Bài toán 6: Xác định cấu trúc lưới theo nhiều mục tiêu như: tổn thất công suất bé nhất, mức độ cân tải cao nhất, số lần chuyển tải nhất, sụt áp cuối lưới bé đồng thời xảy (Hàm đa mục tiêu) Các toán xác định cấu trúc vận hành lưới điện phân phối cực tiểu tổn thất lượng hay cực tiểu chi phí vận hành thoả mãn điều kiện kỹ thuật vận hành ln tốn quan trọng kinh điển vận hành hệ thống điện Bài toán toán toán 3, tốn 3a 3b toán 3b toán thực tế Bảng trình bày phạm vi ứng dụng toán tái cấu trúc theo đặc điểm lưới điện phân phối Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2015 99 Bảng : Phạm vi ứng dụng toán tái cấu trúc lưới Đặc điểm lƣới điện Tên toán Khoá điện điều khiển từ xa Chi phí chuyển tải thấp, khơng điện chuyển tải Chi phí chuyển tải cao, điện chuyển tải Lưới điện thường xuyên bị tải Lưới điện bị tải Lưới điện không tải Các phƣơng pháp giải toán 3b Tái cấu trúc lƣới giảm ΔP điều kiện tải khơng cân Có nhiều phương pháp tái cấu trúc lưới giảm ΔP có giải thuật heuristic kết hợp giải thuật tối ưu giải thuật heuristic thực mang hiệu cao dễ tìm cấu trúc lưới tối ưu Trong giải thuật này, chia hai nhóm chính, giải thuật Merlin & Back - kỹ thuật vòng cắt đại diện cho phương pháp heuristic kết hợp giải thuật tối ưu giải thuật Civanlar - kỹ thuật đổi nhánh đại diện cho phương pháp heuristic Ngồi cịn số phương pháp khác khơng hiệu 4.1 Kết hợp heuristics tối ƣu hóa Việc kết hợp giải thuật heuristics tối ưu hoá tái cấu trúc lưới điện phân phối cực tiểu ΔP tiêu tốn nhiều thời gian tính tốn lại có khả xác định cấu trúc lưới điện đạt cực tiểu tồn cục khơng phụ thuộc vào cấu trúc lưới ban đầu khảo sát hết số tổ hợp khố điện thay đổi trạng thái Cụ thể S.K.Goswami, 3a 3b                            V.Glamocanin, Merlin Back, Shirmohammadi, T.P.Wagner, Giải thuật Merlin Back – kỹ thuật vịng kín Giải thuật Merlin Back đơn giản:”Đóng tất khố điện lại-tạo thành lưới kín, sau giải tốn phân bố công suất tiến hành mở khố có dịng chạy qua bé lưới điện dạng hình tia” Ở Merlin Back cho với mạch vòng, lưới điện phân phối ln có mức tổn thất cơng suất bé Vì để có lưới điện phân phối vận hành hình tia, Merlin Back loại bỏ nhánh có tổn thất cơng suất nhỏ nhất, q trình chấm dứt lưới điện đạt trạng thái vận hành hở Các giải thuật tìm kiếm nhánh biên ứng dụng luật heuristic nhiều thời gian có khả xảy đến 2n cấu trúc có n đường dây trang bị khố điện Hình thể giải thuật Merlin Back, Shirmohammadi bổ sung Giải thuật khác so với giải thuật nguyên thủy Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2015 Merlin Back chỗ có xét đến điện trạm trung gian yếu tố 100 liên quan đến dòng điện Hình 1: Giải thuật Merlin Back Shirmohammadi chỉnh sửa Shirmohammadi tác giả theo hướng sử dụng kỹ thuật sử dụng kỹ thuật bơm vào rút túy dựa giải thuật heuristics Các lượng công suất không đổi để mơ giải thuật có đặc điểm sử thao tác chuyển tải lưới điện phân dụng công thức thực nghiệm để đánh phối hoạt động hở mặt vật lý giá mức độ giảm tổn thất liên quan đến mặt toán học mạch vịng thao tác đóng cắt giới thiệu số Dịng cơng suất bơm vào rút qui luật nhằm giảm số lượng xem xét đại lượng liên tục Sau chỉnh sửa, kỹ khóa điện Các qui tắc heuristics dựa thuật bộc lộ nhiều nhược giả định việc giảm tải thiết điểm, liệt kê sau: bị nguồn phát đồng nghĩa với giảm - Mặc dù áp dụng luật tổn thất Mặc dù có nhiều nghiên cứu heuristics, giải thuật cần theo hướng chưa tìm nhiều thời gian để tìm cấu trúc giải thuật tỏ thực khả thi giảm tổn thất công suất a Giải thuật Civanlar cộng - Tính chất khơng cân – kỹ thuật đổi nhánh nhiều pha chưa mô đầy đủ Khác với giải thuật Liu, giải - Tổn thất thiết bị đường thuật Civanlar dựa heuristics để dây chưa xét đến giải thuật tái cấu trúc lưới điện phân phối, lưu đồ mơ tả giải thuật trình bày hình 4.2 Các giải thuật túy dựa Giải thuật Civanlar đánh giá heuristics Bản chất phi tuyến rời rạc cao nhờ: toán tái cấu trúc lưới điện phân phối - Xác định hai qui luật để tạo tiền đề cho nỗ lực nghiên cứu giảm số lượng khóa điện cần xem xét Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2015 Nguyên tắc chọn khóa đóng : việc giảm tổn thất đạt có chênh lệch đáng kể điện áp khoá mở Nguyên tắc chọn khóa mở : việc giảm tổn thất đạt thực chuyển tải phía có độ sụt áp lớn sang phía có sụt áp bé - Xây dựng hàm số mô tả mức giảm tổn thất cơng suất tác dụng có thay đổi trạng thái cặp khóa điện trình tái cấu trúc * P(t)  Re2  I i E M  E N     R loop  I i (1-1)   iD  iD 101 Trong D : Tập nút tải dự kiến chuyển tải Ii : Dòng điện tiêu thụ nút thứ i EM : Tổn thất điện áp thành phần điện trở gây nút M EN : Tổn thất điện áp thành phần điện trở gây nút N Rloop : Tổng điện trở vịng kín đóng khố điện mở - Biểu thức (1-1) rút từ phân tích mơ hình tải phân bố tập trung Biểu thức tỏ xác ứng dụng cho lưới mẫu nhỏ chưa kiểm chứng lưới điện lớn Hình : Lưu đồ giải thuật Civanlar cộng Kỹ thuật đổi nhánh thể - Nhanh chóng xác định phương án trình thay 01 khóa mở 01 tái cấu trúc có mức tổn thất nhỏ khố đóng vịng để giảm cách giảm số liên kết đóng cắt nhờ tổn thất cơng suất Vịng chọn để qui tắc heuristics sử dụng cơng thức đổi nhánh vịng có cặp khố đóng/mở thực nghiệm để xác định mức độ giảm có mức giảm tổn thất cơng suất lớn tổn thất tương đối Quá trình lặp lại khơng - Việc xác định dịng tải tương đối thể giảm tổn thất xác Giải thuật Civanlar có ưu Tuy nhiên, giải thuật điểm sau : nhiều nhược điểm cần khắc phục: Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2015 - Mỗi bước tính tốn xem xét 01 cặp khóa điện 01 vịng - Chỉ đáp ứng nhu cầu giảm tổn thất, chưa giải tốn cực tiểu hóa hàm mục tiêu - Việc tái cấu trúc hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc xuất phát ban đầu Kết luận 5.1 Các toán tái cấu trúc lƣới Hàm mục tiêu điều khiển LĐPP Có nhiều tốn tái trúc lưới điện phân phối ứng với hàm mục tiêu điều khiển khác Mỗi tốn có phạm vi áp dụng định, phù hợp cho lưới điện cụ thể Tuy nhiên, chúng có nét giống nhau: - Phần lớn toán tái cấu trúc theo mục tiêu khác nhau, sử dụng tốn 3a Vì việc tìm phương pháp giải tốn 3b cần thiết có nhiều ý nghĩa thực tế Chắc chắn việc giải tốn 3b modul cho nghiên cứu sau - Phần lớn toán tái cấu trúc theo mục tiêu khác nhau, sử dụng toán 3a – xác định cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất tác dụng làm modul suốt q trình giải lặp - Khi giải toán 3a, giải thuật dựa phương án tìm kiếm theo kỹ thuật đổi nhánh Civanlar hay kỹ thuật vịng kín Merlin Back nên hay bị rơi vào cực tiểu địa phương - Các giải thuật toán 3a tìm phương án giảm trực tiếp giá trị hàm tổn thất cơng suất tác dụng tính cho toàn lưới, nên tiêu tốn nhiều thời 102 gian phải giải tốn phân bố cơng suất nhiều lần trình lặp 5.2 Các kỹ thuật giải toán tái cấu trúc lƣới - Khi tiếp cận toán tái cấu trúc lưới, nhà khoa học cho phương pháp giải tích tốn học khơng hiệu giải thuật tìm kiếm - Các giải thuật tìm kiếm sử dụng tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối chia thành hướng sau: giải thuật tìm kiếm heuristic kết hợp với giải thuật tối ưu; giải thuật dùng qui tắc heuristic hệ chuyên gia; sử dụng trí tuệ nhân tạo bao gồm có hệ chuyên gia, giải thuật gien, mạng noron… - Hầu hết giải thuật tái cấu trúc lưới không cấu trúc lưới có cực tiểu tổn thất cơng suất, khơng chứng tỏ điểm tìm điểm cực tiểu tồn cục 5.3 Lợi ích việc giải tốn 3b Có thể sử dụng tốn 3b _ Tái Cấu Trúc giảm tổn thất công suất tác dụng điều kiện tải không đối xứng modul để giải toán khác lưới có phụ tải khơng đối xứng Giải tốn tái cấu trúc lưới giảm tổn thất cơng suất tác dụng điều kiện tải không đối xứng thông qua việc giảm hàm F Trong hàm F mô tả đầy đủ quan hệ tải hệ thống điều tránh cực trị địa phương Số lần tính tốn giải thuật điều có lợi hệ thống lớn Về mặt thực tiễn việc tái cấu trúc lưới điều kiện tải không đối Thông báo Khoa học Công nghệ * Số 1-2015 xứng thực tế, điều mang lại nhiều lợi ích q trình vận hành lưới thực tế nhằm mang lại hiệu cao mặt kinh tế Vì thực tế cho thấy khác biệt cấu trúc đề nghị phụ tải cân không cân khác Vì thực tế áp dụng nghiên cứu điều kiện tải cân cho lưới không cân bằng, lưới thực tế ln khơng cân Điều cho thấy cần thiết việc nghiên cứu nhiều lưới không cân 103 Minh chứng khác việc tái cấu trúc cho vấn đề tải cân tải không cân hồn tồn khác khơng thể áp dụng nghiên cứu đề nghị chuyển tải điều kiện chuyển tải cân cho chường hợp tải không cân Hay nói cách khác nghiên cứu tái cấu trúc lưới điều kiện tải cân khơng thể áp dùng vào thực tế hệ thống phân phối vận hành điều kiện tải không đối xứng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Đình Thành – Trương Việt Anh “ Tái cầu trúc lưới phân phối điều kiện tải không cân để giảm tổn thất điện năng”, 10 - 2006 - thư viện Trường Đại học Kỹ Thuật TP.HCM [2] Trương Việt Anh – Quyền Huy Ánh – Nguyễn Bội Khuê “ Giải thuật heuristic cực tiểu tổn thất công suất lưới điện phân phối”, tạp chí Khoa học công nghệ số 41/2003 [3] Trương Việt Anh – Quyền Huy Ánh – Nguyễn Bội Khuê “Khảo sát phương pháp vận hành hệ thống điện” , Hội nghị khoa học công nghệ lần thứ 8, 7-2002 Trường Đại học Kỹ thuật TP.HCM [4] Trương Việt Anh – Quyền Huy Ánh – Nguyễn Bội Khuê “ Hàm F giải thuật heuristic vịng kín tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất cơng suất”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ số 48+49/2004 [5] Trương Việt Anh – Quyền Huy Ánh – Nguyễn Bội Khuê, “Tái cấu trúc lưới điện quan hệ mờ”, tạp chí Khoa học & Công nghệ số 40+41/2003 [6] Baran, M E and F F Wu, “Network Reconfiguration in Distribution Systems for Loss Reduction and Load Balancing”, IEEE Transactions on Power Delivery, 4-2, April 1989, pp 1401- 1407 [7] Castro C.A vaø Watanabe A.A , “An efficient reconfiguration algorithm for loss reduction of distribution system”, Ecletric Power System Research 19, 1990 137-144 [8] Civanlar, S., J J Grainger, Y Yin and S S Lee, “Distribution Feeder Reconfiguration for Loss Reduction”, IEEE Transactions on Power Delivery, 3-3, July 1988, pp 1217-1223 [9] Hsu, Y.-Y., J.-H Yi, S S Liu, Y W Chen H C Feng and Y M Lee, “Transformer and Feeder Load Balancing Using Heuristic Search Approach”, IEEE Transactions on Power Systems, 8-1, February 1993, pp 184-190  ... Ii : Dòng điện tiêu thụ nút thứ i EM : Tổn thất điện áp thành phần điện trở gây nút M EN : Tổn thất điện áp thành phần điện trở gây nút N Rloop : Tổng điện trở vịng kín đóng khố điện mở - Biểu... lưới phân phối để giảm tổn thất điều kiện tải không đối xứng” cần thiết giúp điều độ viên trình vận hành lưới điện nhằm giảm chi phí vận hành Các lý vận hành hở lƣới điện phân phối Lý vận hành hở... tế hệ thống phân phối vận hành điều kiện tải không đối xứng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngơ Đình Thành – Trương Việt Anh “ Tái cầu trúc lưới phân phối điều kiện tải không cân để giảm tổn thất điện năng? ??,