Đối với lƣới điện có cấu trúc là đƣờng dây trên không, thì phần lớn sự cố trong hệ thống phân phối điện là sự cố thoáng qua. Chính vì vậy, để tăng độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải, thay vì sử dụng máy cắt ngƣời ta sử dụng máy cắt có
trang bị đóng lại (Recloser). Recloser thực chất là máy cắt tự đóng lại kèm theo hệ thống bảo vệ và điều khiển cho phép cài đặt các giá trị chỉ định theo yêu cầu. Ngoài ra Recloser còn sử dụng để đo và lƣu trữ một số đại lƣợng cần thiết nhƣ: U, I, P và lƣu trữ các giá trị sự cố cũng nhƣ sự kiện.
Chu trình hoạt động của Recloser nhƣ sau: Khi xuất hiện sự cố trên lƣới
Recloser mở ra (Cắt mạch) sau thời gian t1 nó sẽ tự đóng mạch. Nên sự cố còn tồn
tại nó sẽ cắt mạch, sau thời gian t2 Recloser sẽ tự đóng lại mạch. Và chu trình cứ
nhƣ vậy theo giá trị cài đặt số lần đóng lặp lại trong bộ điều khiển của Recloser. Đối với đƣờng dây trên không tỷ lệ sự cố thoáng qua rất cao do phóng điện chuỗi sứ khi quá điện áp khí quyển, phóng điện giữa các pha, cây cối, vật lạ rơi vào, đƣờng dây và máy biến áp bị cắt ra do các thiết bị bảo vệ làm việc không chọn lọc….Vì vậy tự đóng lại (TĐL) có xác suất thành công cao, đƣợc sử dụng hiệu quả với các lƣới phân phối trung thế trên không.
Với việc sử dụng TĐL khi có các sự cố thoáng qua lƣới sẽ đƣợc khôi phục cung cấp điện trong thời gian tối thiểu, do đó thiệt hại kinh tế, ngừng cung cấp điện đƣợc giảm đáng kể. Ngoài ra TĐL còn tăng độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống điện, việc lắp đặt, thao tác và vận hành TĐL lại tƣơng đối dễ dàng nên đƣợc sử dụng phổ biến trên lƣới phân phối trung thế ở Việt Nam.
3.1.2.6. Hệ thống tự động phân phối (Distributed Automation System - DAS)
Lƣới điện phân phối sử dụng DAS để hạn chế vùng mất điện, giảm số khách hàng bị mất điện, giảm thời gian mất điện do sự cố. Do DAS có chi phí đầu tƣ lớn nên chỉ đƣợc lắp đặt cho các phụ tải loại 1. Hiện nay DAS mới đƣợc lắp đặt ở giai đoạn thử nghiệm.
DAS dựa trên cơ sở phát hiện và tách điểm sự cố trên mạng phân phối để đƣa ra cách sử lý nhằm nhanh chóng phục hồi cung cấp điện. Có 2 mức tác động của DAS là:
- Cấp 1: Tác động trên bản thân mang phân phối. Cấp 1 chỉ đòi hỏi cấp điện cho từng xuất tuyến phân phối, xuất tuyến có thể là hình tia (1 nguồn) hoặc mạch vòng (2 nguồn)
- Cấp 2: Xử lý trên toàn hệ thống phân phối của một trạm nguồn hoặc của 1 khu vực. Cấp 2 yêu cầu hệ thống thông tin hoạt động theo thời gian thực để nhận dạng và điều khiển mạng phân phối (đóng, mở, chuyển sơ đồ….) theo mục tiêu là loại bỏ phần tử sự cố, phục hồi một cách nhanh chóng việc cung cấp điện bình thƣờng. Cấp 2 chỉ thực hiện đƣợc khi cấp 1 đã hoàn tất.
Các đặc điểm cơ bản của hệ DAS:
- Hệ thống phát hiện và tách điểm sự cố theo một chu trình kín, tự tác động, không cần có phần mềm điều khiển và đƣờng truyền thông tin. Đây là ƣu điểm rất lớn của hệ DAS.
- Chỉ có phần sự cố bị cô lập ra khỏi hệ thống lƣới điện đang vận hành. Nếu là sự cố ở các nhánh thì chỉ có nhánh bị sự cố đƣợc tách ra.
- Thời gian quá độ để sử lý, tách điểm bị sự cố tối đa là 48 - 50s, thời gian vẫn còn cao, tuy nhiên hiện tại vẫn cho phép đối với các hệ thống lƣới phân phối hiện tại.
- Các máy cắt đầu nguồn phải cắt và tự đóng lại 2 lần cho một chu kỳ xử lý sự cố.
- Đối với các mạng phân phối mạch vòng thì việc trang bị hệ thống DAS phải trang bị thêm rơ le đóng nguồn dự phòng ở trạng thái mở vòng. Đồng thời cũng xảy ra sự phân bố lại công suất trong mạch vòng.
3.1.3. Một số cấu trúc lƣới phân phối
3.1.3.1. Lƣới phân phối trung thế hình tia, không phân đoạn
Thanh cái
Hình 3.1 Lưới phân phối trung thế một nguồn không phân đoạn
Lƣới phân phối trung thế một nguồn không phân đoạn là lƣới điện có dạng hình tia vận hành đơn giản. Trong quá trình vận hành, khi có sự cố hay hỏng hóc bất kì phần tử nào trên lƣới phân phối một nguồn không phân đoạn thì cũng gây mất điện cho toàn bộ đƣờng dây do máy cắt đầu nguồn phải cắt ra. Việc cung cấp điện
chỉ đƣợc phục hồi khi có sự cố đƣợc loại trừ. Do vậy lƣới phân phối một nguồn không phân đoạn thƣờng đƣợc sử dụng cho phụ tải không quan trọng, chi phí đầu tƣ cho lƣới này nhỏ.
3.1.3.2. Lƣới phân phối trung thế một nguồn, có phân đoạn
Thanh cái
Hình 3.2 Lưới phân phối trung thế một nguồn có thiết bị phân đoạn
Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, lƣới phân phối hình tia đƣợc phân thành nhiều đoạn bằng các thiết bị đóng cắt có thể là dao cách ly thƣờng hoặc tự động, máy cắt, LBS… Khi xảy ra sự cố ở một phân đoạn nào đó máy cắt đầu nguồn sẽ tác động tạm thời cắt toàn bộ lƣới phân phối sau khi nhân viên vận hành sẽ xác định phần tử sự cố và cô lập bằng các thiết bị phân đoạn. Cuối cùng nguồn đƣợc đóng lại tiếp tục cấp điện cho phần đoạn nằm trƣớc phân đoạn sự cố về phía nguồn.
Nhƣ vậy, so với lƣới phân phối một nguồn không phân đoạn, ở lƣới phân phối một nguồn có phân đoạn khi xảy ra sự cố các phụ tải nằm trƣớc phân đoạn sự cố về phía nguồn chỉ mất điện trong thời gian tìm kiếm và cô lập sự cố. Độ tin cậy của lƣới có thiết bị phân đoạn tăng đáng kể so với lƣới phân phối một nguồn không có thiết bị phân đoạn.
Đối với lƣới phân phối đoạn bằng dao cách ly, máy cắt có điều khiển từ xa thì thời gian phân đoạn sẽ đƣợc rút ngắn do đó việc khôi phục cung cấp điện cho các phân đoạn trƣớc sự cố nhanh hơn.
Tuy nhiên khi xảy ra sự cố và đã phân đoạn xong thì toàn bộ các phụ tải từ khu vực điểm sự cố trở về cuối nguồn đều mất điện cho dù các thiết bị trên lƣới điện trong vùng này vẫn có vận hành tốt. Đây chính là nhƣợc điểm của dạng lƣới này.
3.1.3.3. Lƣới phân phối trung thế hai nguồn, có phân đoạn
Hình 3.3 Lưới phân phối trung thế hai nguồn có thiết bị phân đoạn
Lƣới phân phối mạch vòng do hai hay nhiều nguồn cung cấp sẽ khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của các dạng sơ đồ trên. Khi xảy ra sự cố, lƣới mạch vòng có nhiều nguồn cung cấp sẽ khôi phục cung cấp điện nhanh hơn (chỉ mất điện các phụ tải nằm trong phạm vi giữa các thiết bị phân đoạn có sự cố), độ tin cậy cung cấp điện đƣợc nâng cao.
Sơ đồ lƣới điện phân phối hai nguồn phân đoạn bằng dao cách ly có ƣu điểm là độ tin cậy cung cấp điện cao, do có hai nguồn cung cấp nên khi xảy ra sự cố một trong hai nguồn điện hoặc sự cố trên một phân đoạn thì các phụ tải thuộc các phân đoạn còn lại trên lƣới chỉ mất điện trong thời gian tìm kiếm và cách ly sự cố.
3.2. Tổn thất điện năng trong lƣới phân phối
Lƣới điện phân phối các đặc điểm về thiết kế và vận hành khác với lƣới điện truyền tải. lƣới điện phân phối phân bố trên diện rộng, thƣờng vận hành không đối xứng và có tổn thất lớn hơn. Vấn đề tổn thất trên lƣới phân phối liên quan chặt chẽ tới các vấn đề kỹ thuật và lƣới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành. Do đó trên cơ sở các số liệu về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lƣợng vận hành của lƣới điện phân phối.
Trong những năm gần đây, lƣới điện phân phối của nƣớc ta phát triển mạnh, các công ty điện lực cũng đƣợc phân cấp mạnh về quản lý. Chất lƣợng vận hành của lƣới phân phối đƣợc nâng cao rõ rệt, tỷ lệ tổn thất điện năng giảm mạnh. Tổn thất trên lƣới điện phân phối bao gồm tổn thất phi kỹ thuật (tổn thất thƣơng mại) bao gồm bốn dạng tổn thất nhƣ sau:
Trộm điện (câu, móc trộm)
Sai sót tính toán tổn thất kỹ thuật
Sai sót thống kê phân loại và tính hóa đơn khách hàng
Tổn thất phi kỹ thuật phụ thuộc vào cơ chế quản lý, quy trình quản lý
hành chính, hệ thống công tơ đo đếm và ý thức của ngƣời sử dụng. Tổn thất phi kỹ thuật cũng một phần chịu ảnh hƣởng của năng lực và công cụ quản lý của bản thân các điện lực, trong đó có phƣơng tiện máy móc, máy tính, phần mềm quản lý.
Tổn thất kỹ thuật trên lƣới điện phân phối chủ yếu trên dây dẫn và các máy biến áp phân phối. Tổn thất kỹ thuật bao gồm tổn thất công suất tác dụng và tổn thất công suất phản kháng. Tổn thất công suất phản kháng do từ thông rò và gây từ trong các máy biến áp và cảm kháng trên đƣờng dây. Tổn thất công suất phản kháng chỉ làm lệch góc và ít ảnh hƣởng đến tổn thất điện năng. Tổn thất công suất tác dụng có ảnh hƣởng đáng kể đến tổn thất điện năng. Thành phần tổn thất điện năng do tổn thất công suất tác dụng đƣợc tính toán nhƣ sau:
ΔA = t P(t).dt
0 (3.1)
Trong đó, ΔP là tổn thất công suất tác dụng trên đƣờng dây và máy biến áp tại thời điểm t.
3.3. Mô hình toán học bài toán tái cấu trúc lƣới điện phân phối
Trong mạng lƣới phân phối điện, công suất tải trên mạng phân phối điện ngày càng tăng nhƣng sự gia tăng công suất tải phải nằm trong giới hạn cho phép, trong khi đó cấu trúc của mạng lại không thay đổi. Từ đó sẽ làm cho tổn thất của mạng phân phối điện tăng lên nếu cấu trúc mạng vẫn giữ nguyên. Muốn giảm tổn thất ngƣời ta sẽ dùng các phƣơng pháp nhƣ: đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lƣới điện…. nhƣng nếu làm nhƣ thế sẽ đòi hỏi đầu tƣ rất nhiều mà hiệu quả giảm tổn thất điện năng lại không đáng kể.
Một trong những biện pháp hiệu quả mà ta có thể dùng là phƣơng pháp tái cấu trúc để làm giảm tổn thất trên đƣờng dây. Có rất nhiều phƣơng pháp để tái cấu trúc lƣới phân phối đã nêu ở chƣơng 2 để tổn thất là nhỏ nhất nhƣ: Phƣơng pháp cổ điển cho kết quả chính xác tuy nhiên lại không dùng đƣợc trong mạng phân phối
thực tế do không gian nghiệm lớn sẽ mất nhiều thời gian cho việc tìm kiếm cấu trúc tối ƣu. Ngoài các phƣơng pháp tính toán theo cách cổ điển, thì các phƣơng pháp giải quyết thông qua việc sử dụng các quy luật kinh nghiệm, kết hợp các phƣơng pháp cổ điển để giải bài toán tái cấu trúc lƣới điện phân phối nhƣ: Giải thuật Meta - Hueristic, giải thuật SA,… các giải thuật này để giảm bớt đƣợc việc tính toán trong các phƣơng pháp cổ điển, tuy nhiên giá trị đạt đƣợc các hàm mục tiêu chƣa đƣợc tốt. Ngày nay, một số phƣơng pháp tiên tiến áp dụng các giải thuật trong trí tuệ nhân tạo nhƣ giả thuật Gen di truyền (GA), giải thuật kiến (ACS)… đƣợc sử dụng nhằm giải quyết các bài toán này. Kết quả của các hƣớng nghiên cứu cho tập nghiệm, giá trị hàm mục tiêu tốt hơn, và tốc độ sử lý nhanh hơn.
Để xây dựng bài toán tái cấu trúc lƣới điện phân phối, trƣớc tiên phải xây dựng hàm mục tiêu. Khi thay đổi tái cấu trúc lƣới điện có rất nhiều các hàm mục tiêu khác nhau, nhƣ tối ƣu hóa tổn thất công suất trên toàn hệ thống, mục tiêu đảm bảo chất lƣợng điện áp…
Vấn đề tái cấu trúc hệ thống cũng tƣơng tự nhiều bài toán tối ƣu khác nhau, nhƣ bài toán tính toán phân bố tối ƣu công suất, tính toán tìm vị trí, dung lƣợng bù tối ƣu… Tuy nhiên yêu cầu một khối lƣợng tính toán của bài toán tái cấu trúc là lớn do có nhiều biến số tác động đến các trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành nhƣ: Lƣới điện phân phối phải vận hành hở, không quá tải máy biến áp, đƣờng dây, thiết bị đóng cắt…và sụt áp tại các hộ tiêu thụ nằm trong giới hạn cho phép.
Mạng phân phối đặc trƣng là mạng vòng nhƣng vận hành hở có nghĩa là mạng vận hành phải là mạng hình tia. Vấn đề tiếp theo là phải đóng mở các khóa trong mỗi vòng sao cho tổn thất công suất trên mạng phân phối đặc trƣng là nhỏ nhất. Để làm đƣợc điều này ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm kiếm cấu trúc cho tổn thất công suất là nhỏ nhất. Về mặt toán học, tái cấu trúc lƣới điện là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc theo dòng công suất chạy trên các nhánh.
Hàm mục tiêu:
Plosse = ∑ ∑ Rj - 1,j [( Pj2 + Q2j ) / Vj2 ] => min (3.2) Thỏa mãn các điều kiện giằng buộc:
∑n i = 1 Si j = Sj (3.3) Si j ≤ Si j max (3.4) ΔVi j ≤ ΔV i j max (3.5) nftSft Sft (3.6) ft ft 1 (3.7) Trong đó:
n: Số núi tải có trên lƣới
Si j : Dòng công suất trên nhánh ij
Sj: Nhu cầu công suất điện tại nút j
ΔVij: Sút áp trên nhánh ij
Sƒt : Dòng công suất trên đƣờng dây ƒt
ƒt : Các đƣờng dây cung cấp điện từ máy biến áp t
λƒt : Có giá trị là 1 nếu đƣờng dây ƒt làmviệc, là 0 nếu đƣờng dây ƒt không làm việc.
Hàm mục tiêu thể hiện tổng tổn thất công suất trên toàn lƣới phân phối, có thể đơn giản hóa hàm mục tiêu bằng cách xét dòng công suất nhánh chỉ có thành phần công suất tải và điện áp các núi tải là hằng số. Biểu thức (3.3) đảm bảo cung cấp đủ công suất theo nhu cầu của các phụ tải. Biểu thức (3.4) và (3.5) là điều kiện chống quá tải trạm trung gian và sụt áp tại nơi tiêu thụ. Biểu thức (3.6) đảm bảo rằng các trạm biến thế hoạt động trong giới hạn công suất cho phép. Biểu thức (3.7) đảm bảo mạng điện đƣợc vận hành với cấu hình tia. Với mô tả trên, tái cấu trúc hệ thống lƣới điện phân phối là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc. Hàm mục tiêu bị gián đoạn, rất khó để giải bài toán tái cấu trúc bằng phƣơng pháp giải tích toán học truyền thống và điều này còn gặp khó khăn hơn khi lƣới điện không cân bằng.
CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG TÁI CẤU TRÚC LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI HUYỆN PHÚ BÌNH ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG
4.1. Giới thiệu chung về lƣới điện phân phối huyện Phú Bình.
Huyện Phú Bình là một huyện thuộc vùng trung du miền núi nằm ở phía nam tỉnh Thái nguyên, huyện gồm 18 xã và 01 thị trấn. Hiện tại toàn huyện Phú Bình đƣợc cấp điện bởi lƣới điện 10KV và 35KV đến các xã. Lƣới điện 35KV gồm có hai đƣờng dây 35KV 373 và 375 cấp từ trạm 110KV Gò Đầm, hai đƣờng dây này cấp điện cho các xã Thƣợng Đình, Đồng liên, Hà Châu, Tân Đức và trạm trung gian Phú Bình. Ngoài ra lƣới điện 35KV còn có lộ 371 từ Trại Cau cấp sang cho một số xóm thuộc xã Tân Thành.
Trạm trung gian Phú Bình công suất 2x4000KVA-35/10KV cấp điện cho các xã, thị trấn còn lại bằng 3 đƣờng dây 10KV 971.972 và 974 với tổng chiều dài là 63.5km, tổng số trạm phân phối 10/0,4KV là 63 trạm với công suất lắp đặt là 11.080KVA, trong đó:
- Đƣờng dây 971 có tổng chiều dài là 26,2km cấp điện cho 35 trạm biến áp phân phối với tổng công suất đặt là 6290KVA.
- Đƣờng dây 972 có tổng chiều dài là 23,3km cấp điện cho 17 trạm biến áp phân phối với tổng công suất đặt là 2840KVA .
- Đƣờng dây 974 có tổng chiều dài là 14,1km cấp điện cho 11 trạm biến áp