Quy hoạch hệ thống điện có xét đến tối ưu hóa độ dự trữ

Nghiên cứu này sẽ áp dụng phương pháp cận biên và nhánh để giải bài toán quy hoạch lưới điện; Phương pháp không chỉ giúp kiểm tra được độ ổn định cũng như tính tối ưu độ dự trữ nút của hệ thống sau khi quy hoạch, mà còn xác định tập hợp tối ưu các tuyến dây cần được mở rộng, đề xuất thứ tự ưu tiên đầu tư từng tuyến nhằm tăng tính kinh tế.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN SAIGON UNIVERSITY TẠP CHÍ KHOA HỌC SCIENTIFIC JOURNAL ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY Số 75 (03/2021) No 75 (03/2021) Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: http://sj.sgu.edu.vn/ QUY HOẠCH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ XÉT ĐẾN TỐI ƯU HÓA ĐỘ DỰ TRỮ Power system expansion planning in consideration of optimal reserve ThS Trần Hữu Tính(1), PGS.TS Võ Ngọc Điều(2), PGS.TS Quyền Huy Ánh(3) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Đại học Bách khoa TP.HCM (1),(3) (2)Trường TĨM TẮT Nhiệm vụ quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải xác định vị trí tối ưu, công suất thứ tự ưu tiên đầu tư đường dây, đảm bảo yêu cầu dự báo phụ tải dài hạn với tổng chi phí đầu tư thấp Nghiên cứu áp dụng phương pháp cận biên nhánh để giải toán quy hoạch lưới điện; Phương pháp không giúp kiểm tra độ ổn định tính tối ưu độ dự trữ nút hệ thống sau quy hoạch, mà xác định tập hợp tối ưu tuyến dây cần mở rộng, đề xuất thứ tự ưu tiên đầu tư tuyến nhằm tăng tính kinh tế Phương pháp đề xuất chứng minh hệ thống truyền tải cao áp thực tế với tổng số nút 24; Tỷ lệ độ dự trữ hệ thống điện đến 20% ứng với mức tăng 5% chi phí đầu tư tăng dần hệ thống truyền tải đáp ứng nhu cầu phụ tải Từ khoá: đánh giá độ tin cậy, hệ thống điện, hệ thống truyền tải, thuật toán cận biên nhánh, tỷ lệ độ dự trữ ABSTRACT The transmission system expansion planning problem aims to determine the optimal location, power, and the investment priority order of each line, ensuring long-term load prediction requirements with the objective of minimization of total investment cost The proposed method is known as an effective tool in assessing reliability as well as in estimating optimal reserve of the planned transmission system Moreover, the method helps to determine the optimal set of lines that need to be extended as well as to propose the investment priority order of each line in order to gain economic benefits The effectiveness of the method is tested on a practical 24-bus system; The optimal reserve of the power system is to 20% for each 5% increase, the investment cost also increases and the transmission system meets the load demand Keywords: reliability evaluation, power system, transmission system, branch and bound method, optimal reserve tải với độ tin cậy, chất lượng cao với giá thành thấp [1] Điều khó đạt giải pháp quy hoạch tối ưu toàn hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, máy biến áp, đường dây truyền tải, phân phối thành phần khác cách đồng Giới thiệu Nhiệm vụ cấp bách hệ thống điện đáp ứng yêu cầu phụ tải tăng với tốc độ nhanh, yêu cầu kỹ thuật cao lợi ích kinh tế Hệ thống điện cần mở rộng củng cố nhằm tăng khả đáp ứng yêu cầu phụ Email: thtinh.ncs@hcmute.edu.vn 89 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 75 (03/2021) thời Bởi vì, hệ thống điện hệ thống lớn nên thời gian tính tốn lớn Chính vấn đề quy hoạch hệ thống điện chia làm nhiều lĩnh vực quy hoạch hệ thống nguồn điện, hệ thống truyền tải hệ thống phân phối [2] Trong nhiều thập kỷ qua, quy hoạch phát triển hệ thống nguồn điện quan tâm phát triển mạnh mẽ phương pháp, giải thuật đầu tư Trong quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải chưa quan tâm mức Quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải nhiệm vụ quan trọng ngành điện, thường thực sau quy hoạch nguồn điện [3] Các thiết kế tối ưu quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải phần quan trọng nhiệm vụ quy hoạch tổng thể hệ thống điện thị trường điện cạnh tranh [1-5] Nghiên cứu áp dụng phương pháp cận biên nhánh để quy hoạch hệ thống truyền tải có xét đến điều kiện ràng buộc tối ưu hóa độ dự trữ cho hệ thống điện thực 24 nút Điều giải vấn đề phát triển hệ thống truyền tải điện tương lai Nghiên cứu quy hoạch hệ thống truyền tải có xét tối ưu hóa độ dự trữ 2.1 Hàm mục tiêu Thông thường quy hoạch hệ thống truyền tải làm tối thiểu tổng chi phí đầu tư với việc đầu tư đường dây máy biến áp mô tả như: minimize C T   m  x , y  i   i      C x, y U  x, y    x , y   i 1  m(x,y) số phần tử đưa vào x y; C xi , y  tổng chi phí lắp đặt phần tử từ đến i x y [VNĐx109]; i C ((xi ), y )   C ((xj,)y ) (2) j 1 ( j) Với C( x , y ) chi phí lắp đặt phần tử thứ j nối từ x y; U ((xi ), y ) biến nhị phân thay đổi theo đường dây (1 từ đến thứ i lắp đặt, cho trường hợp khác): (𝑖) 𝑈(𝑥,𝑦) ={ (0) (𝑖) (0) (𝑖) 1, 𝑘ℎ𝑖 𝑃(𝑥,𝑦) = 𝑃(𝑥,𝑦) + 𝑃(𝑥,𝑦) 0, 𝑘ℎ𝑖 𝑃(𝑥,𝑦) ≠ 𝑃(𝑥,𝑦) + 𝑃(𝑥,𝑦) (3) i P((xi,)y )   P((xj, y) ) (4) j 1 (i ) Với P( x , y ) tổng công suất nhánh x y; P((xj, )y ) Với công suất phần tử x y; P((x0, )y ) cơng suất có sẵn nối x y 2.2 Các điều kiện ràng buộc Hệ thống điện khơng thiếu cơng suất cung cấp có nghĩa tổng cơng suất nhánh lớn tổng công suất tải [5] Cũng tương tự cơng suất nút thắt cổ chai (hoặc dịng cực đại hệ thống) Vì điều kiện khơng thiếu công suất cung cấp mô tả công thức (5) sau: (1) Pc (S , T )  Lp Trong đó: CT tổng chi phí xây dựng phần tử mới; ρ tổng số nhánh (đường dây, máy biến áp); (s  S , t T ) (5) Trong đó: Pc(S,T) cơng suất mặt cắt tối thiểu; S T nút nguồn chứa s nút tải chứa t tương ứng tất nút bị chia mặt cắt tối thiểu 90 TRẦN HỮU TÍNH - VÕ NGỌC ĐIỀU - QUYỀN HUY ÁNH Điều kiện (5) mơ tả (6) với k số mặt cắt (k = 1,2,….,n), n số lượng mặt cắt TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN 200 17 33 183 18 31 48 19 31 275 20 24 Trong đó: 10 215 21 36 Lp tổng tải yêu cầu; 11 64 22 25 12 126 23 25 13 80 24 49  ( 0) m( x , y ) (i ) (i )  P( x, y )U ( x, y )   Lp (1  BRR / 100) (6)  P( x, y )   (x,y)(Sk ,Tk )  i 1  P(i)(x, y) tổng công suất nhánh x y; P(0)(x, y) công suất đường dây máy biến áp x y; 2.4 Các thông số đầu vào lưới điện Thông số đầu vào hệ thống để tính tốn quy hoạch cho lưới điện trình bày Bảng Trong : GN (Generators), TRF (Transformers), TRL (Transmission Lines) LD (Loads) đại diện cho máy phát điện, máy biến áp, đường dây truyền tải phụ tải tương ứng ; SB (Start Buses) EB (End Buses) nút nguồn thiết bị đầu cuối tương ứng ; T0i-j C0i-j chi phí đầu tư cơng suất tương ứng ứng viên đầu tư ; Tki-j Cki-j, k = số đường dây đầu tư song song với đường dây hữu, với i j số nút đầu nút cuối 2.5 Kết quy hoạch Cơng cụ giải tốn quy hoạch phần mềm CMEXPP.FOR Kết cho thấy, tăng độ dự trữ nút từ đến 20% hệ thống điện tin cậy, điều tăng đầu tư nhiều đường dây, chi phí đầu tư tăng theo Bảng Chính vì, u cầu độ dự trữ nút tăng chi phí đầu tư thực quy hoạch mở rộng lưới điện tăng theo trình bày Hình k số thứ tự mặt cắt (k =1, 2, …, n); m(x,y) tổng số nhánh nút x nút y; BRR (Bus Reserve Rate) độ dự trữ nút phụ tải (  AP  L ); L AP (Arrival Power) công suất cực đại đến tải 2.3 Giới thiệu hệ thống điện truyền tải Nghiên cứu áp dụng cho lưới điện có mức điện áp từ 110kV đến 220kV, sở kế hoạch xây dựng, vận hành hệ thống điện với phát triển hệ thống nguồn sử dụng kết dự báo nhu cầu phụ tải dài hạn Bảng Dự báo nhu cầu phụ tải Công Công suất Nút Nút phụ suất cực cực đại phụ tải đại (MW) tải (MW) 119 14 85 600 15 65 200 16 48 91 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 75 (03/2021) Bảng Thông số đầu vào quy hoạch lưới điện Tki-j: (MW) and C(*): (VNĐx109) L SB EB ID T0i-j T1i-j T2i-j T3i-j T4i-j C0i-j C1i-j C2i-j C3i-j C4i-j 1 GEN 800 0 0 0 0 2 GEN 1200 0 0 0 0 3 GEN 800 0 0 0 0 … … … … … … … … … … … … … … 6 TRF 250 250 250 250 0 10 10 10 7 TRF 500 250 250 250 0 10 10 10 8 TRF 125 250 250 250 0 10 10 10 … … … … … … … … … … … … … … 11 TRL 285 285 285 285 0 641 641 641 12 16 TRL 80 80 80 80 0 83 83 83 13 17 TRL 93 93 93 93 0 20 20 20 … … … … … … … … … … … … … … 32 25 LOD 119 0 0 0 0 33 25 LOD 600 0 0 0 0 34 25 LOD 200 0 0 0 0 … … … … … … … … … … … … … … 51 22 25 LOD 25 0 0 0 0 52 23 25 LOD 25 0 0 0 0 53 24 25 LOD 49 0 0 0 0 92 TRẦN HỮU TÍNH - VÕ NGỌC ĐIỀU - QUYỀN HUY ÁNH TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN Bảng Kết quy hoạch mở rộng lưới điện theo độ dự trữ BRR [%] ĐẦU TƯ THÊM Chi phí [VNĐx109] T3-81, T3-82, T3-41, T7-191, T7-192, T8-121, T20-211, T19-201, T8-211, T12-191, T10-151 2089 T3-81, T3-82, T3-83, T3-41, T7-191, T7-192, T8-121, T20-211, T19-201, T8-211, T12-191, T10-151 2099 10 T3-81, T3-82, T3-83, T3-41, T7-191, T7-192, T8-121, T20-211, T19-201, T8-211, T12-191, T10-151 2099 15 T3-81, T3-82, T3-83, T3-41, T7-191, T7-192, T8-121, T8-122, T12-191, T12-192, T10-151 2225 20 T3-81, T3-82, T3-83, T3-41, T7-191, T7-192, T7-193, T8-121, T8-122, T12-191, T12-192, T10-151 2381 25 T3-81, T3-82, T3-83, T3-41, T7-191, T7-192, T7-193, T8-121, T8-122, T12-191, T12-192, T10-151 2381 Chi phí [VNDx109 ] TH 2400 2350 2300 2250 2200 2150 2100 2050 10 15 20 25 Hình Đường cong tổng chi phí đầu tư theo yêu cầu độ dự trữ BRR[%] 30 BRR[%] Sơ đồ đơn tuyến hệ thống truyền tải mở rộng nhằm đáp ứng yêu cầu phụ tải tăng trình bày Hình 600 800 ~ 220KV 110kV 279 110kV 12 275 215 11 110kV 13 110kV 80 126 80 20 186 93 48 93 93 93 110kV 85 15 80 110kV 14 93 80 64 375 10 110kV 93 110kV 183 ~ 220KV 375 186 800 220KV 1T 125 MVA 220KV 500 208 200 ~ 285 220KV 250 800 200 ~ 80 1200 119 ~ 80 800 45 93 93 80 93 80 110kV 16 48 18 17 33 31 19 31 20 21 24 22 36 25 23 25 Hình Sơ đồ đơn tuyến hệ thống truyền tải (BRR=5%) 93 24 110kV 49 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 75 (03/2021) 90% hệ thống truyền tải có trường hợp bị tải Sau quy hoạch lại theo kết trình bày Bảng hệ thống truyền tải ổn định khơng có trường hợp bị tải vượt 90% Điều thể Hình 4, hệ thống truyền tải đầu tư mở rộng theo yêu cầu độ dự trữ BRR = 5% 2.6 Kiểm tra phân bố công suất phần mềm PowerWord Kiểm tra độ ổn định khả tải đường dây máy biến áp sau quy hoạch sử dụng phần mền PowerWord Hình thể hệ thống truyền tải trước quy hoạch, đường dây trạm biến áp mang tải Hình Hệ thống trước kiểm tra quy hoạch Hình Hệ thống sau kiểm tra quy hoạch với độ dự trữ BRR=5% 94 TRẦN HỮU TÍNH - VÕ NGỌC ĐIỀU - QUYỀN HUY ÁNH TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN thành cơng phương pháp tối ưu độ dự trữ quy hoạch hệ thống truyền tải mà cịn sử dụng cơng cụ phần mềm PowerWorld để kiểm tra hệ thống sau quy hoạch Giải thuật chứng minh tính khả thi quy hoạch dài hạn lưới điện cao áp Kết luận Việc áp dụng phương pháp cộng biên nhánh giải toán quy hoạch tối ưu xác định tập tối ưu đường dây đầu tư cho chi phí thấp nhất, vị trí theo độ dự trữ Nghiên cứu không áp dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Costa Jr, Luiz Carlos da, et al "Reliability-Constrained Power System Expansion Planning: A Stochastic Risk-Averse Optimization Approach." arXiv preprint arXiv:1910.12972 (2019) [2] Moreira, Alexandre, et al "A five-level milp model for flexible transmission network planning under uncertainty: A min–max regret approach." IEEE Transactions on Power Systems 33.1 (2017): 486-501 [3] Thome, Fernanda, et al “Stochastic Multistage Co-optimization of Generation and Transmission Expansion Planning.” arXiv preprint arXiv:1910.01640, 2019 [4] Heuberger, Clara F., et al "Power capacity expansion planning considering endogenous technology cost learning." Applied Energy 204 (2017): 831-845 [5] Gomes, Phillipe Vilaca, et al "Impact of decision-making models in Transmission Expansion Planning considering large shares of renewable energy sources." Electric Power Systems Research 174 (2019): 105852 Ngày nhận bài: 10/3/2020 Biên tập xong: 15/3/2021 95 Duyệt đăng: 20/3/2021 ... quy hoạch hệ thống truyền tải có xét đến điều kiện ràng buộc tối ưu hóa độ dự trữ cho hệ thống điện thực 24 nút Điều giải vấn đề phát triển hệ thống truyền tải điện tương lai Nghiên cứu quy hoạch. .. thời Bởi vì, hệ thống điện hệ thống lớn nên thời gian tính tốn lớn Chính vấn đề quy hoạch hệ thống điện chia làm nhiều lĩnh vực quy hoạch hệ thống nguồn điện, hệ thống truyền tải hệ thống phân... trọng ngành điện, thường thực sau quy hoạch nguồn điện [3] Các thiết kế tối ưu quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải phần quan trọng nhiệm vụ quy hoạch tổng thể hệ thống điện thị trường điện cạnh