Chương trình tính toán tối ưu lưới điện phân phối trung áp

Bài viết này giới thiệu chương trình tính toán tối ưu lưới điện phân phối trung áp được xây dựng bằng Matlab cho phép tính toán trực tiếp tổn thất điện năng của lưới điện. Bên cạnh đó, bù tối ưu công suất phản kháng và số lượng, vị trí đặt các thiết bị phân đoạn được tối ưu hóa bằng thuật toán di truyền.

422 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN TỐI ƯU LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP Trần Thanh Sơn, Trần Anh Tùng Đại học Điện lực, Hà Nội Tóm tắt: Hiện công ty điện lực chủ yếu sử dụng chương trình PSS/Adept để tính tốn lưới điện phân phối Chương trình cịn tồn số nhược điểm chưa tính tốn trực tiếp tổn thất điện năng, chưa tính tốn dung lượng bù tối ưu cơng suất phản kháng chưa tính tốn tối ưu số lượng vị trí đặt thiết bị phân đoạn sở nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Chính vậy, báo giới thiệu chương trình tính tốn tối ưu lưới điện phân phối trung áp xây dựng Matlab cho phép tính tốn trực tiếp tổn thất điện lưới điện Bên cạnh đó, bù tối ưu cơng suất phản kháng số lượng, vị trí đặt thiết bị phân đoạn tối ưu hóa thuật toán di truyền Cơ sở liệu giao diện chương trình xây dựng phù hợp với người sử dụng cơng ty điện lực Chương trình có tiềm ứng dụng cao nhằm phục vụ tính tốn thiết kế, quy hoạch vận hành lưới điện phân phối trung áp Từ khóa: Tổn thất điện năng; bù tối ưu; Thuật toán di truyền; Thiết bị phân đoạn; Độ tin cậy; Lưới điện phân phối GIỚI THIỆU Tính tốn tổn thất điện nhiệm vụ quan trọng hoạt động quản lý, phân phối điện công ty điện lực Hiện nay, tính tốn thường thực dựa cơng cụ PSS/ADEPT Kết tính tốn tổn thất điện hàng năm phân tích để hiểu rõ nguyên nhân gây tổn thất nhằm nâng cao hiệu vận hành lưới điện giai đoạn Bên cạnh đó, giảm tổn thất điện nhiệm vụ ưu tiên công ty điện lực Các biện pháp giảm tổn thất điện thường áp dụng tái cấu trúc lưới điện, tối ưu hóa vận hành, hay bù cơng suất phản kháng Trong đó, bù cơng suất phản kháng phương pháp áp dụng rộng rãi Tuy nhiên, việc tính tốn bù tối ưu công suất phản kháng công ty điện lực thường chưa xác Ngồi ra, việc cải thiện tiêu độ tin cậy cung cấp điện SAIDI, SAIFI nhiệm vụ quan trọng vận hành lưới điện phân phối Các giải pháp thường áp dụng phân đoạn lưới, trang bị recloser Tuy nhiên, việc tính tốn số lượng vị trí đặt chủng loại (liên quan đến giá thành) cách tối ưu toán phức tạp Chính vậy, báo có mục đích giới thiệu phần mềm giải tích lưới điện cho phép thực ba nhiệm vụ: PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 423  Tính tốn tổn thất điện  Tính tốn bù tối ưu cơng suất phản kháng  Tính tốn phương án sử dụng tối ưu thiết bị phân đoạn Phần mềm viết tảng Matlab, có giao diện Việt hóa, sở liệu (Input) kết đầu (Output) định dạng Excel phù hợp với hệ liệu công ty điện lực CÁC GIẢI THUẬT CỦA PHẦN MỀM 2.1 Thuật tốn dịng điện nút tương đương Thuật tốn dịng điện nút tương đương sử dụng ma trận dòng điện nút – dòng điện nhánh (DNDN) dòng điện nhánh điện áp nút (DNAN) để giải tốn trào lưu cơng suất lưới điện phân phối Lưu đồ thuật toán phương pháp giới thiệu Hình Đối với lưới điện phân phối, phụ tải nút i biểu diễn phương trình (1) dịng điện phụ tải nút i biểu diễn phương trình (2): = + =( / = , ,…, )∗ (1) (2) Đối với mơ hình lưới điện phân phối Hình 2, dịng điện nhánh biểu diễn dòng điện nút tương đương: = + = 3 = + (3) + (4) (5) Hệ phương trình viết lại dạng ma trận: = 0 1 1 (6) Đối với lưới điện phân phối có nhiều nhánh rẽ từ đường trục chính, nút đánh số từ nút nguồn hết nhánh rẽ trục sau đến nhánh rẽ nhánh cuối lưới điện, số nhánh quy ước theo cách tương tự 424 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Hình 1: Thuật tốn dịng điện nút tương đương Hình 2: Mơ hình lưới điện phân phối đơn giản Các phương trình dịng điện nhánh tổng qt hóa phương trình (7): [ ]=[ ][ ] (7) PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 425 Trong đó: B – véctơ dịng điện nhánh; DNDN – ma trận dòng điện nút – dòng điện nhánh; I – véctơ dòng điện nút Trong đó, ma trận DNAN biểu diễn mối quan hệ dòng điện nhánh điện áp nút Sự chênh lệch điện áp hai nút kề lưới điện giới thiệu hình tính tốn trực tiếp từ hệ phương trình: = − 12 (8) = − 23 (9) = − 34 (10) Thay biểu thức điện áp U2 U3 phương trình (8) (9) vào phương trình (10), ta biểu diễn phương trình điện áp U4 sau: = 1 − − 12 = − 23 − 12 12 23 0 12 23 34 34 [ ] (11) (12) Cuối ta có: [∆ ] = [ ][ ] (13) Cách thức xây dựng ma trận DNDN, DNAN tác giả trình bày chi tiết [1] Phân bố dịng cơng suất nhánh lưới điện tổn thất cơng suất tồn lưới tính tốn sau điện áp nút xác định theo lưu đồ thuật toán Bằng phương pháp này, tổn thất công suất lưới điện phân phối hình tia tính tốn dễ dàng nhanh chóng Mặt khác, tốc độ hội tụ phương pháp dòng điện nút tương đương nhanh so với phương pháp GaussSeidel [1], phương pháp thích hợp để áp dụng cho toán tối ưu chức khác phần mềm trào lưu công suất lưới điện phải giải nhiều lần 2.2 Thuật toán di truyền Thuật toán di truyền thuật toán tối ưu phổ biến có nhiều ưu điểm ứng dụng rộng rãi nhiều toán tối ưu hệ thống điện Trong phạm vi phần mềm này, thuật toán di truyền ứng dụng để tối ưu hóa bù cơng suất phản kháng tối ưu phương án sử dụng thiết bị phân đoạn 426 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Lưu đồ thuật tốn bù tối ưu cơng suất phản kháng giới thiệu Hình Các nút bù tiềm lựa chọn dựa hệ số độ nhạy tổn thất trào lưu công suất lưới điện giải lần Sau đó, thuật tốn di truyền áp dụng để xác định dung lượng bù tối ưu cho nút lựa chọn dựa cực tiểu hóa hàm mục tiêu Hàm mục tiêu bao gồm tổn thất điện lưới điện chi phí đầu tư, lắp đặt tụ bù Giải thích chi tiết bước thực tính tốn tác giả trình bày [2] Đọc liệu lưới điện Tính tốn trào lưu cơng suất thuật tốn dòng điện nút tương đương Lựa chọn nút bù tiềm hệ số độ nhạy tổn thất Tạo quần thể (dung lượng bù nút bù lựa chọn) Đánh giá hàm mục tiêu Đọc liệu lưới điện Tính tốn trào lưu cơng suất để kiểm tra dòng điện qua dao Tạo quần thể Đánh giá hàm mục tiêu Lựa chọn cá thể tốt Lựa chọn cá thể tốt Trực giao Trực giao Hoán chuyển Đột biến Lựa chọn Đánh giá hàm mục tiêu Sai Độ lệch hàm mục tiêu < Sai số Đúng Kết thúc Hình 3: Lưu đồ thuật tốn bù tối ưu cơng suất phản kháng thuật tốn di truyền Đánh giá hàm mục tiêu Độ lệch hàm mục tiêu < Sai số ú Kết thúc Hình 4: Lưu đồ thuật toán di truyền để tối ưu sử dụng dao phân đoạn PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 427 Bên cạnh đó, thuật tốn di truyền cịn ứng dụng chức tính tốn tối ưu phương án sử dụng thiết bị phân đoạn lưới điện phân phối Thực vậy, số độ tin cậy cung cấp điện SAIFI (tần suất điện trung bình), SAIDI (thời gian điện trung bình) hay ENS (lượng điện không cung cấp điện) phụ thuộc nhiều vào số lượng, vị trí đặt chủng loại thiết bị phân đoạn lưới Chính vậy, thuật toán di truyền đề xuất dựa việc tối thiểu hóa hàm mục tiêu gồm lượng điện thiếu hụt điện chi phí cho loại dao phân đoạn để tìm lời giải tối ưu số lượng, vị trí chủng loại thiết bị Lưu đồ thuật toán tối ưu sử dụng thiết bị phân đoạn thuật toán di truyền giới thiệu Hình GIAO DIỆN VÀ CÁC CHỨC NĂNG CỦA PHẦN MỀM 3.1 Giao diện Giao diện phần mềm giới thiệu Hình Các nút chức phân chia khối, việt hóa, dẫn rõ ràng nhiệm vụ tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng Cơ sở liệu đầu vào tổ chức định dạng Excel phù hợp với liệu sẵn có cơng ty điện lực Do đó, việc nhập liệu vào chương trình thực dễ dàng Cấu trúc liệu đầu vào máy biến áp minh họa Hình Hình 5: Giao diện phần mềm tối ưu lưới điện 428 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Hình 6: Dữ liệu Máy biến áp lưới điện 3.2 Các chức a Tổn thất điện Phần mềm có khối chức cho phép tính tốn tổn thất điện năng, đồng thời cho phép thông số lưới điện như: tổn thất công suất đường dây; tổn thất công suất máy biến áp; điện áp điểm nút; dòng điện nhánh Chức có vai trị quan trọng để nhà quản lý lưới điện đánh giá mức độ tổn thất điện năng, vị trí gây tổn thất cao chế độ điện áp lưới điện để từ giám sát vận hành lưới điện tốt Hình 7: Minh họa phân bố điện áp tổn thất công suất tác dụng lưới điện PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 429 b Bù tối ưu công suất phản kháng Khối chức tính tốn bù tối ưu cơng suất phản kháng sử dụng thụật toán di truyền để xác định vị trí đặt bù dung lượng bù tối ưu Hình 8: Minh họa tính tốn bù tối ưu cơng suất phản kháng c Tối ưu sử dụng thiết bị phân đoạn Chức tối ưu sử dụng thiết bị phân đoạn đề xuất phương án tối ưu số lượng, vị trí đặt chủng loại thiết bị phân đoạn (trong thư viện liệu nạp) nhằm cải thiện số độ tin cậy cung cấp điện SAIFI, SAIDI ENS Hình 9: Minh họa cải thiện số độ tin cậy cung cấp điện sau tối ưu sử dụng thiết bị phân đoạn d Ví dụ tính tốn tổn thất điện xuất tuyến 482E4.6 lưới điện trung áp thành phố Việt Trì – So sánh với phần mềm PSS/Adept Để kiểm chứng độ xác tin cậy chương trình tính tốn lưới điện tác giả đề xuất, kết tính tốn tổn thất điện xuất tuyến 482E4.6 lưới điện trung áp thành phố Việt Trì phần mềm so sánh với kết đạt phần mềm PSS/Adept Bảng giới thiệu kết tính tốn hai phần mềm Bảng kết tính tốn từ hai phần mềm hồn tồn tương đồng Từ đó, tác giả khẳng định độ xác, tin cậy phần mềm đề xuất 430 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Bảng Kết tính toán tổn thất điện xuất tuyến 482E4.6 phần mềm đề xuất phần mềm PSS/Adept Đối tượng Phần mềm tính tốn lưới điện nhóm tác giả Phần mềm PSS/Adept Tổn thất ΔP(kW) Tổn thất điện (kWh) Tổn thất ΔP(kW) Tổn thất điện (kWh) Đường dây 24.33 501077 24.33 501077 Máy biến áp 3.38 90815 3.38 90815 Xuất tuyến 482E4.6 27.70 591893 27.70 591893 KẾT LUẬN Phần mềm tối ưu lưới điện phân phối đem đến giải pháp hiệu quả, tin cậy đánh giá, chuẩn đoán chế độ vận hành lưới điện phân phối Tính đa chức cho phép người sử dụng tối ưu lời giải cho toán phức, đa mục tiêu hệ thống điện bù công suất phản kháng sử dụng thiết bị phân đoạn Phần mềm có giao diện thân thiện, đơn giản, hệ liệu phù hợp với sở liệu sẵn có cơng ty điện lực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Thanh Sơn, Trần Anh Tùng, “Tính tốn tổn thất điện cho lưới điện phân phối thuật tốn dịng điện nút tương đương,” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, số 11 (2015), tr 5761 [2] Trần Thanh Sơn, Trần Anh Tùng, “Bù tối ưu công suất phản kháng sử dụng thuật tốn dịng điện nút tương đương thuật tốn di truyền,” Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ Quân sự, số đặc san 07(2017), tr 2734 [3] Abdellatif Hamouda, Khaled Zehar, “Improved algorithm for radial distribution networks load flow solution,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Volume 33, Issue 3, March 2011, pp 508514 [4] Bhujel, D., Adhikary, B., Mishra, A.K., “A Load Flow Algorithm for Radial Distribution System with Distributed Generation,” Sustainable Energy Technologies (ICSET), 2012 IEEE Third International Conference on, vol., no., pp.375,380, 2427 Sept 2012 [5] S Ghosh and D Das, “Method for loadflow solution of radial distribution networks” IEE Proc.Gener Transm Distrib., Vol 146, No 6, November 1999 [6] JenHao Teng, “A Direct Approach for Distribution System Load Flow Solutions” IEEE Transactions On Power Delivery, vol 18, No 3, July 2003 [7] A.G Bhutad, S.V Kulkarni and S.A Khaparde, “Threephase Load Flow Methods for Radial Distribution Networks”  ... vận hành lưới điện tốt Hình 7: Minh họa phân bố điện áp tổn thất công suất tác dụng lưới điện PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 429 b Bù tối ưu công suất phản kháng Khối chức tính tốn bù tối ưu cơng suất... ? ?điện áp nút (DNAN) để giải tốn trào lưu cơng suất lưới điện phân phối Lưu đồ thuật toán phương pháp giới thiệu Hình Đối với lưới điện phân phối, phụ tải nút i biểu diễn phương trình (1) dịng điện. .. đoạn PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 427 Bên cạnh đó, thuật tốn di truyền cịn ứng dụng chức tính toán tối ưu phương án sử dụng thiết bị phân đoạn lưới điện phân phối Thực vậy, số độ tin cậy cung cấp điện