Tối ưu vị trí đặt của recloser trong hệ thống điện phân phối có phát điện phân bố

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ HOÀNG PHƯƠNG TỐI ƯU VỊ TRÍ ĐẶT CỦA RECLOSER TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ PHÁT ĐIỆN PHÂN BỐ Chuyên ngành : Thiết Bị, Mạng Nhà Máy Điện LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày……tháng…….năm…… Lời cảm ơn Để đạt thành ngày hôm nay, trước tiên em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến tất Thầy, Cô Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Khoa Điện – Điện Tử tận tình dạy, truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm quí báu suốt khoảng thời gian học tập Trường thời gian qua Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Cô Phan Thị Thanh Bình tận tình dẫn cho em kiến thức, chia sẻ kinh nghiệm q báu để hoàn thành đề tài luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến tất người thân, bạn bè, đồng nghiệp động viên, ủng hộ, tạo điều kiện cho em vật chất tinh thần suốt khoảng thời gian em học tập Trường suốt quãng thời gian thực luận văn tốt nghiệp Trân trọng Lê Hồng Phương Trang TĨM TẮT LUẬN VĂN `Ngày độ tin cậy Hệ thống điện ngày quan tâm giới Ở Việt Nam, chưa đánh giá mức, tương lai, thị trường điện hình thành, có nghĩa người tiêu dùng lựa chọn nhà cung cấp điện vấn đề chất lượng điện năng, có độ tin cậy cung cấp điện, tiêu chí để khách hàng sử dụng điện lựa chọn nhà cung cấp điện Trong mạng điện phân phối, độ tin cậy quan tâm mạng truyền tải hư hỏng mang tính cục bộ, địa phương Nhưng khảo sát gần cho thấy tỉ lệ hư hỏng mạng phân phối cao nhiều so với mạng truyền tải mạng điện áp thấp Điều cho thấy việc đánh giá độ tin cậy cung cấp điện mạng phân phối cần thiết Hệ thống phát điện phân bố (DG) kỹ thuật áp dụng mạng phân phối nhằm tận dụng nguồn lượng tái tạo thay cho nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện khác trường hợp vị trí đặt máy phát Một cố điện, dù xảy khoảng thời gian ngắn gây nên thiệt hại lớn mặt kinh tế Do mà hệ thống điện nào, vấn đề nâng cao độ tin cậy cung cấp điện hệ thống, giảm thiểu tối đa thời gian điện hệ thống vấn đề nhận nhiều quan tâm chuyên gia lĩnh vực Giải pháp dùng máy phát điện phân bố (DG) kết nối với mạng lưới được xem giải pháp kinh tế xu hướng phát triển quan tâm Tuy nhiên, việc bổ sung thêm máy phát phân bố (Distributed Generators - DG) vào lưới gây vấn đề ổn định, nhiễu tần số, ảnh hưởng đến dịng phân bố cơng suất hệ thống, ảnh hưởng đến thiết bị đóng ngắt bảo vệ hệ thống … Một giải pháp khác để nâng cao độ tin GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hồng Phương Trang cậy hệ thống giảm thiểu thời gian ngắt điện thiết bị tự đóng lại (reclosers) đa phần cố xảy hệ thống cố thoáng qua Tuy nhiên, việc lựa chọn vị trí đặt recloser mạng lưới, đặc biệt với xu hướng phát triển hệ thống phát điện phân bố vấn đề cần giải Trong khuôn khổ luận văn này, trình bày phương pháp tính tốn lựa chọn vị trí đặt tối ưu recloser hệ thống có phát điện phân phối thuật tốn giải thuật gen di truyền phần mềm mơ tốn học Matlab nhằm mục đích cải thiện độ tin cậy mạng phân phối GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hồng Phương Trang MỤC LỤC Trang Tóm tắt luận văn Mục lục CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu 1.2 Đối tượng nghiên cứu .6 1.3 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 2.2 2.3 Hệ thống phát điện phân phối (DG) 2.1.1 Hệ thống DG gì? 2.1.2 Các dạng hệ thống DG 2.1.3 Ứng dụng phát điện phân bố 15 2.1.4 Ưu khuyết điểm phát điện phân bố 16 2.1.5 Ảnh hưởng DG lên hệ thống 17 Độ tin cậy hệ thống điện 18 2.2.1 Các tiêu độ tin cậy 18 2.2.2 Phương pháp đánh giá, tính tốn độ tin cậy 21 2.2.3 Các biện pháp cải thiện độ tin cậy 22 Hệ thống điện phân phối 23 2.3.1 Hệ thống điện phân phối hình tia 23 2.3.2 Hệ thống phân phối có nguồn lân cận 23 2.3.3 Hệ thống phân phối có nguồn lân cận máy phát phân bố 24 CHƯƠNG TỐI ƯU VỊ TRÍ ĐẶT RECLOSER TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ PHÁT ĐIỆN PHÂN BỐ 3.1 Giới thiệu 25 3.2 Ảnh hưởng Recloser đến độ tin cậy lưới phân phối có DG 27 3.3 Tối ưu vị trí đặt Recloser Giải thuật gen di truyền 29 CHƯƠNG THUẬT TOÁN GEN DI TRUYỀN TRONG MATLAB 4.1 Giới thiệu thuật toán gen di truyền 36 GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hồng Phương Trang 4.2 4.1.1 Tính chất đặc thù thuật tốn gen di truyền 36 4.1.2 Các phép toán thuật toán gen di truyền 36 4.1.3 Cấu trúc tổng quát thuật toán gen di truyền 38 Tối ưu thuật toán gen di truyền Matlab 7.0 .39 4.2.1 Giới thiệu Matlab .39 4.2.2 Tối ưu thuật toán gen di truyền Matlab 7.0 .40 CHƯƠNG LẬP TRÌNH TÍNH TỐN 5.1 Ví dụ cho mơ hình mạng phân phối tính tốn .55 5.2 Xây dựng hàm thích nghi tính tốn 60 5.3 Mã hóa biểu diễn vị trí Recloser lưới .61 5.4 Lập trình tính tốn cho tốn tối ưu GA 64 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT .68 Tài liệu tham khảo 78 PHỤ LỤC .79 PHỤ LỤC .81 PHỤ LỤC .85 GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hồng Phương Trang CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu Mạng phân phối thường vận hành hình tia, phần tử bị cắt dẫn đến ngừng cung cấp điện cho phụ tải Vấn đề cần quan tâm độ tin cậy mạng phân phối khoảng thời gian điện số lượng khách hàng bị điện Phí tổn ngừng cung cấp điện tăng khơng tuyến tính theo khoảng thời gian điện Hàm phân bố xác suất thời gian điện ảnh hưởng lớn đến phí tổn gây Cần lưu ý thời gian phục hồi cung cấp điện phụ thuộc vào vị trí mạng điện, phí tổn ngừng cung cấp điện khác đáng kể theo vị trí khác mạng phân phối Để đảm bảo tin cậy cung cấp điện cho khách hàng, mạng điện phải có độ tin cậy hệ thống để tránh tình trạng cắt phần tử gây nên điện, dẫn đến tổn thất thương mại, dịch vụ phúc lợi Do mà hệ thống điện nào, vấn đề nâng cao độ tin cậy cung cấp điện hệ thống, giảm thiểu tối đa thời gian điện hệ thống vấn đề nhận nhiều quan tâm chuyên gia lĩnh vực Giải pháp dùng máy phát điện phân bố (DG) kết nối với mạng lưới được xem giải pháp kinh tế xu hướng phát triển quan tâm Tuy nhiên, việc bổ sung thêm máy phát phân bố (Distributed Generators - DG) vào lưới gây vấn đề ổn định, nhiễu tần số, ảnh hưởng đến dịng phân bố cơng suất hệ thống, ảnh hưởng đến thiết bị đóng ngắt bảo vệ hệ thống … Một giải pháp khác để nâng cao độ tin cậy hệ thống giảm thiểu thời gian ngắt điện thiết bị tự đóng lại (reclosers) đa phần cố xảy hệ thống cố thống qua Tuy nhiên, việc lựa chọn vị trí đặt recloser mạng lưới, đặc biệt với xu hướng phát triển hệ thống phát điện phân bố vấn đề cần giải Trong khn khổ luận văn này, trình bày phương pháp tính tốn lựa chọn vị trí đặt tối ưu GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hồng Phương Trang recloser hệ thống có phát điện phân phối cách dùng công cụ giải thuật gen di truyền phần mềm mơ tốn học Matlab, với mục đích cải thiện độ tin cậy hệ thống 1.2 Đối tượng nghiên cứu Luận văn nghiên cứu số vấn đề sau: + Sự ảnh hưởng vị trí đặt recloser đến thông số độ tin cậy hệ thống điện phân phối + Sự ảnh hưởng máy phát phân bố (DG) đến thông số độ tin cậy hệ thống điện phân phối + Ứng dụng giải thuật gen di truyền Matlab để tìm vị trí tối ưu recloser lưới điện phân phối có DG để nâng cao độ tin cậy hệ thống 1.3 Phương pháp nghiên cứu + Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống điện phân phối có DG + Lập trình tính tốn giải thuật gen di truyền Matlab để khảo sát ảnh hưởng vị trí đặt recloser đến độ tin cậy phân bố công suất hệ thống phân phối có DG * Mục tiêu hướng đến khn khổ đề tài tìm vị trí tối ưu đặt recloser lập trình tính tốn giải thuật gen di truyền Matlab nhằm mục đích cải thiện độ tin cậy hệ thống điện GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hoàng Phương Trang CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ thống phát điện phân phối (DG) 2.1.1 Hệ thống DG gì? Máy phát phân bố mát phát công suất nhỏ (từ vài kW đến 10MW) đặt gần nơi tiêu thụ, để đáp ứng nhu cầu đặc biệt khách hàng, để vận hành kinh tế lưới điện phân phối hữu hai trường hợp Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện chất lượng điện đến với khách hàng, hiệu suất sử dụng nhiên liệu tăng nhờ tận dụng nhiệt từ máy phát Máy phát phân bố có khả kết nối với hệ thống điện hữu cung cấp trực tiếp nơi tiêu thụ khách hàng Các nguồn phát tập trung theo kiểu truyền thống thiết kế với công suất định, khó thay đổi để đáp ứng với nhu cầu phụ tải thay đổi Nguồn tập trung truyền thống bao gồm nhà mát điện công suất lớn kết hợp với lưới truyền tải lưới phân phối để phân phối điện Cả hai đòi hỏi vốn đầu tư lớn nhiều thời gian muốn tăng khả tải Nguồn phát phân bố có ưu điểm so với nguồn phát tập trung sau: + Sự lựa chọn vốn đầu tư thấp để đáp ứng nhu cầu tăng cường phụ tải + Không cần nâng cấp mạng truyền tải mạng phân phối cách đặt nguồn phát nơi có nhu cầu + Một số dạng nguồn phát nâng thêm công suất cách dễ dàng + Rất linh hoạt việc chuyển công suất thừa từ người sử dụng lên lưới điện để hỗ trợ công suất cao điểm Ngoài ưu điểm mặt kỹ thuật kinh tế, máy phát phân bố ảnh hưởng đến mơi trường, số dạng nguồn phát sử dụng lượng sạch, hồn tồn khơng có khí thải Máy phát phân bố đem đến cho công ty cung cấp GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hồng Phương Trang 73 125 0.07651 * Kết mô sau dùng giải thuật GA theo cấu trúc hàm tối ưu (Phụ lục 3) là: X= Columns through 13 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 Columns 14 through 26 1 0 Columns 27 through 35 0 0 FVAL = 0.0765 REASON = Optimization terminated: stall generations limit exceeded OUTPUT = randstate: [35x1 double] randnstate: [2x1 double] generations: 125 funccount: 2500 message: 'Optimization terminated: stall generations limit exceeded.' POPULATION = Columns through 13 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hoàng Phương Trang 74 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 Columns 14 through 26 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hoàng Phương Trang 75 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 Columns 27 through 35 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hồng Phương Trang 76 0 0 0 1 SCORES = 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.0765 0.1634 0.0765 0.0765 0.0765 Ỉ Như vậy, vị trí tối ưu cần đặt Recloser tính tốn tại: + X= ‘0000000 00011 0011 000 0000 0000 000 00111’ tương ứng recloser nằm nút: Nút (1-3 & 1-4), (1-4 & 1-5), (2-2 & 23), (2-3 & 2-4), (7-2 & 7-3), (7-3 & 7-4), (7-4 & 7-5) + Tại vị trí tối ưu X giá trị hàm thích nghi FVAL=0.0765 GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hồng Phương Trang 77 + REASON=Optimization terminated: stall generations limit exceeded: nghĩa điều kiện dừng chương trình tính tốn giá trị hàm thích nghi hội tụ khơng thay đổi sau số lần lặp qui ước định (ở khai báo 50 lần) + Kết OUTPUT: cho ta nhìn tổng quát q trình tính tốn, chẳng hạn số hệ tính tốn (generations) 125 hệ, tổng số hàm thực (funccount) 2500 hàm, điều kiện dừng,… + POPULATION cho ta giá trị quần thể cuối q trình tính tốn Và tương ứng giá trị hàm thích nghi tương ứng cá thể quần thể cuối * Nhận xét: So sánh kết thu với sơ đồ mạch phân bố cơng suất lưới kết phù hợp Nhận thấy rằng, lưới phân phối có DG cơng suất DG phù hợp với nhu cầu phụ tải việc đặt Recloser lưới giúp tăng độ tin cậy hệ thống Mặt khác, nhận thấy số lượng recloser nhánh có DG nhiều, điều khơng phù hợp nhiên khuôn khổ đề tài xét đến thông số độ tin cậy SAIFI, SAIDI MAIFI mà không xét đến tiêu khác kinh tế, tổn thất công suất,… nên kết mô phù hợp 6.2 Kết luận Như vậy, nói vị trí đặt số lượng recloser lưới phân phối làm ảnh hưởng đến tiêu tin cậy hệ thống Ngồi ra, vị trí cơng suất DG làm ảnh hưởng đến tiêu tin cậy Như vậy, việc ứng dụng phương pháp giải thuật gen di truyền vào tốn tính tốn tối ưu mở phương pháp tính tốn việc chọn vị trí số lượng recloser hệ thống Tuy nhiên, để tốn trở nên hồn thiện thiết thực việc ứng dụng cần phải xét đến tiêu kinh tế-kỹ thuật khác mở rộng trường hợp cấu hình mạng Đó hướng nghiên cứu phát triển đề tài sau GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hồng Phương Trang 78 GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hồng Phương Trang 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dan Zhu, “Power System Reliability Analysis with Distributed Generators”, Blacksburg, VA, May-2003 [2] C.R.Houck, J A Joines, and M G Kay , “A Genetic Algorithm for Function Optimization: A MATLAB Implementation”, NCSU-IE Technical Report, 1995 [3] Ken Darrow, Bruce Hedman, Thomas Bourgeois, Daniel Rosenblum, “The Role of Distributed Generation in Power Quality and Reliability”, Energy and Environmental Analysis Inc, Arlington, VA and Pace Energy Project, NY [4] TS Nguyễn Hoàng Việt, Sách “Đánh giá độ tin cậy hệ thống điện”, ĐH Quốc gia Tp.HCM, trường ĐH Bách khoa, 2004 [5] Suchismita Sujaya Duttagupta, “A Reliability Assessment Methodology for Distribution Systems with Distributed Generation”, Office of Graduate Studies of Texas A&M University, 2006 [6] R Raineri B., S Ríos M., R Vásquez L., “Business Opportunities and Dynamic Competition through Distributed Generation in Primary Electricity Distribution Networks” [7] TrueWind Solutions, LLC, Albany, NY prepared for The World Bank Asia Alternative Energy Program, “Wind Energy Resource Atlas Of Southeast Asia”, Septemper 2001 XW GVHD: PGS.TS Phan Thị Thanh Bình HV: Lê Hồng Phương Trang 80 PHỤ LỤC 1: Chương trình khai báo nhập thơng số đầu vào mạng phân phối tính tốn %Thong so dau vao cua cac thiet bi clc clear R_Line=0.02; %Cuong hong hoc cua duong day (lan/nam/km) R_CB=0.01; %Cuong hong hoc cua CB (lan/nam) R_SW=0.01; %Cuong hong hoc cua Dao cách ly (lan/nam) R_Fuse=0.01; %Cuong hong hoc cua Fuse (lan/nam) R_Recloser=0.01; %Cuong hong hoc cua Recloser (lan/nam) T_Line=1; %Thoi gian sua chua cua duong day (gio/km/nam) T_CB=4; %Thoi gian sua chua cua CB (gio/nam) T_SW=4; %Thoi gian sua chua cua Dao cách ly (gio/nam) T_Fuse=4; %Thoi gian sua chua cua Fuse (gio/nam) T_Recloser=4; %Thoi gian sua chua cua Recloser (gio/nam) fprintf('NHAP CAU HINH LUOI\n'); snut=input('Nhap so nut cua nhanh chinh: '); %So nut cua nhanh phan phoi chinh (cung la so nhanh phu) F(1)=snut; F_dau(1)=1; %Tai dau nhanh chinh dung CB L0(1,1)=R_CB; U0(1,1)=L0(1)*T_CB; for i=2:snut+1 fprintf('Nhap chieu dai duong day (km) giua nut %d-%d va %d-%d: ',i-2,0,i-1,0) L(1,i-1)=input('') %Chieu dai duong dây giua nut nhanh chinh L0(1,i)=L(1,i-1)*R_Line; %Cuong hong hoc cua cac doan duong day nhanh chinh U0(1,i)=L0(1,i)*T_Line; %Thoi gian mat dien cua cac doan duong day nhanh chinh fprintf('Nhap cong suat (kVA) tai nut %d-%d cua nhanh chinh: ',i-1,0) P(1,i-1)=input('') %Cong suat tai moi nut chinh end for i=2:snut+1 fprintf('Nhap so nut cua nhanh phu thu %d tai nut %d-%d:',i-1,i-1,i-i) F(i)=input('') %So nut cua moi nhanh F_dau(i)=4; %Thong so gia de chay vong lap while while (F_dau(i)>3)|(F_dau(i)1)|(F_DG(i-1)