VI. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
3.5 Xây dựng mơ hình tốn xác định vị trí và dung lƣợng bù tối ƣu
tụ điện trong LĐPPTA xét đến tải ngẫu nhiên
Nhƣ phân tích trong chƣơng 1, phụ tải điện là đại lƣợng mang tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào nhu cầu của khách hàng. Vì vậy, để nâng cao tính chính xác và kết quả đáp ứng đƣợc yêu cầu thực tiễn, nghiên cứu này xem xét tổng hợp phụ tải ngẫu nhiên trong mơ hình tính tốn.
Hơn nữa, nghiên cứu này còn xét đến sự phát triển của phụ tải trong tƣơng lai với thời gian tính tốn là T năm nhằm đảm bảo thơng số chế độ của hệ thống trong suốt thời gian tính tốn. Mơ hình gồm hàm mục tiêu và các ràng buộc nhƣ dƣới đây.
3.5.1 Hàm mục tiêu
Trong mơ hình này, ảnh hƣởng của tải ngẫu nhiên đƣợc xét đến và đƣợc biểu diễn bởi công suất tải và xác suất tƣơng ứng tại mỗi trạng thái xem xét. Hàm mục tiêu là cực tiểu tổng tổn thất điện năng trong thời gian tính tốn T
bao gồm tổn thất trên đƣờng dây Af t. và trong bản thân tụ bù Ac t. ở năm t nhƣ trình bày trong biểu thức (3.22).
. . 1 ( ) T f t c t t A A A (3.22)
Tổn thất điện năng trên đƣờng dây của LĐPP khi xét đến tải ngẫu nhiên ở năm t đƣợc xác định theo biểu thức (3.23) với xác suất tải ở trạng thái k là
k và Nk là số trạng thái tính tốn. . . 1 2 2 , , , , , , , , , , , 1 1 8760. . 1 . 2 . cos( ) 2 k N f t t k k k N N t k ij i t k j t k i t k j t k j k i k i j A P P G U U U U (3.23)
Trong đó: Pt k, là tổn thất công suất trong trạng thái k; Ui,t,k, i t k, , là modul và góc pha của điện áp nút i tại mỗi trạng thái; Gij là điện dẫn của đƣờng dây
ij và N là tổng số nút của LĐPP.
Tổn thất điện năng của bản thân tụ điện đƣợc xác định theo hệ số tổn thất phụ thuộc vào công suất của tụ nhƣ biểu thức sau [6][23].
. . , 1 8760. . c N c t b i t c i A Q k (3.24)
Trong đó: Qb i t. , là cơng suất bù tại nút i, năm t; kc là hệ số tổn thất công suất của bản thân tụ và Nc là số nút có thể lựa chọn bù.
3.5.2 Các ràng buộc
Thơng số chế độ của LĐPP đƣợc tính tốn bởi ràng buộc cân bằng công suất nút AC trong trạng thái tính tốn k nhƣ biểu thức (3.25) [5][22][19].
, , . , , , , , , , , , , , 1 , , . , , , , , , , , , , , 1 . . . .cos( ) . . .sin( ) N S i t k c b i t i t k ij i t k j t k ij j t k i t k j N S i t k b i t i t k ij i t k j t k ij j t k i t k j P k Q P Y U U Q Q Q Y U U (3.25)
Trong đó: , ,S i t k
P và S, , i t k
Q là công suất nhận từ nguồn; Yij, ij là modul và góc lệch của tổng dẫn nhánh. Ui t k, , , i t k, , là modul và góc pha của điện áp nút;
Pi,t,k và Qi,t,k là công suất của phụ tải i, xác định theo biểu thức (3.26) với hệ số
tải trong trạng thái k là kk. Pi t, và Qi t, là công suất của tải ở năm t với hệ số phát triển mỗi năm là kpt.
, , , , , , , , 1 , , 1 . ; . (1 ); (1 ) i t k i t k i t k i t k i t i t pt i t i t pt P P k Q Q k P P k Q Q k (3.26)
Công suất của tụ bù là những giá trị rời rạc, tiêu chuẩn hóa để giảm chi phí sản xuất. Do đó, nghiên cứu này đề xuất ràng buộc lựa chọn công suất bù theo các giá trị rời rạc với biến nhị phân j i t, ,, tại mỗi tải chỉ lựa chọn đầu tƣ một lần để giảm chi phí lắp đặt với ràng buộc nhƣ biểu thức (3.27). Trong đó,
* .
c j
Q là cơng suất tiêu chuẩn thứ j và Nj là tổng số công suất tiêu chuẩn của tụ.
* . , , , . , , 1 1 . ; 1 j N T b i t j i t c j j i t j t Q Q (3.27)
Để đảm bảo vận hành an tồn LĐPP, tránh q tải, cơng suất truyền tải trên đƣờng dây Sij t, cần thỏa mãn điều kiện giới hạn của đƣờng dây nhƣ biểu thức (3.28) với công suất giới hạn của đƣờng dây ij là *
, ij t S . * , , ij t ij t S S (3.28)
Ngoài ra, điện áp tại mỗi phụ tải thay đổi rất lớn theo chế độ làm việc của lƣới và giá trị của phụ tải. Vì vậy, độ lệch điện áp ở tất cả các nút đƣợc giới hạn nhƣ biểu thức (3.29) với điện áp tại các nút nguồn giả thiết luôn là hằng số. min , , max , , tan i t k L i t k S U U U i N U cons t i N (3.29)
Trong đó: Ui t k, , là điện áp nút ở mỗi trạng thái tính tốn; Umin,Umax là giới hạn điện áp; N NS, L là tổng số nút nguồn và nút tải.
Các mơ hình tính tốn trên đƣợc lập chƣơng trình tính tốn bằng ngơn ngữ lập trình The General Algebraic Modeling System (GAMS) [13] và đƣợc tính tốn áp dụng trong LĐPP qui mơ lớn nhƣ dƣới đây.
3.6 Cơng cụ tính tốn
3.6.1 Đặt vấn đề
Trong tính tốn thơng số chế độ và các bài toán bù của LĐPP hiện nay có thể sử dụng các phần mềm đã đƣợc thƣơng mại với độ tin cậy cao. Trong đó, phần mềm PSS/Adept là phần mềm đƣợc sử dụng phổ biến trong các cơng trình nghiên cứu cũng nhƣ trong các cơng ty điện lực để tính tốn thơng số chế độ cũng nhƣ bù CSPK và bảo vệ rơ le của LĐPP. Tuy nhiên, phần mềm này khơng xét đến thay đổi mang tính ngẫu nhiên của phụ tải nên nghiên cứu lập chƣơng trình tính tốn mới dựa trên mơ hình tốn đề xuất trong ngơn ngữ lập trình GAMS.
Vì vậy, trong nghiên cứu này sử dụng chƣơng trình lập trong GAMS theo mơ hình tốn đề xuất để lựa chọn vị trí và dung lƣợng bù tối ƣu. Sau đó, tính tốn kiểm tra thơng số chế độ của hệ thống bằng phần mềm PSS/Adept để đánh giá hiệu quả của thiết bị bù.
3.6.2 Giới thiệu phần mềm PSS/Adept
Phần mềm PSS/Adept đƣợc viết tắt từ Power System Simulator/Avancer Distribution Enginering Productivity tool. Đây là cơng cụ tính tốn mơ phỏng lƣới điện phân phối có độ tin cậy cao và đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành điện hiện nay [14].
Chức năng của PSS/Adept. 3.6.2.1
PSS/ADEPT gồm có các chức năng sau: - Phân bố cơng suất.
- Tính tốn ngắn mạch tại 01 điểm hay nhiều điểm. - Phân tích khởi động động cơ.
- Tính tốn xác định vị trí bù tối ƣu (ứng động hay cố định). - Tính tốn phân tích sóng hài.
- Phối hợp các thiết bị bảo vệ.
- Tính tốn xác định điểm dừng tối ƣu. - Phân tích đánh gia độ tin cậy.
PSS/Adept giúp phân tích và tính tốn lƣới điện. Tính tốn và hiển thị các thơng số về dịng (I), cơng suất (P, Q) của từng tuyến dây (đƣờng trục và nhánh rẽ), đáng giá tình trạng mang tải của tuyến dây thông qua chức năng phân bố công suất (Load Flow Analysis). Ngồi ra, có thể tính tốn xác định vị trí bù tối ƣu, tính các thơng số SAIFI, SAIDI, CAIFI, CAIDI, tính tốn dịng ngắn mạch, tính tốn phối hợp các thiết bị bảo vệ (Protection Coordination)…
Các bước thực hiện 3.6.2.2
Các bƣớc triển khai phần mềm PSS/Adept gồm các bƣớc sau [14], chi tiết trong PL1.
Hình 3.3: Sơ đồ các bƣớc thực hiện tính tốn bằng PSS/Adept
Thiết lập thông số lƣới điện Thiết lập sơ đồ Tính tốn Bƣớc 1 Bƣớc 2 Bƣớc 3 Hiển thị kết quả Bƣớc 3
3.6.3 Lập chương trình tính tốn vị trí và dung lượng bù tối ưu bằng ngơn ngữ lập trình GAMS
Trong thời gian gần đây, ngơn ngữ lập trình GAMS cho phép lập các bài tốn tối ƣu đƣợc phát triển và có những ứng dụng rộng rãi trong bài toán tối ƣu nói chung và trong qui hoạch HTĐ. GAMS có khả năng giải quyết tốt các bài toán tối ƣu trong HTĐ bằng các thuật toán giải đƣợc xây dựng sẵn trong chƣơng trình (solver). Do đó, nghiên cứu này sử dụng GAMS lập chƣơng trình tính tốn lựa chọn vị trí và dung lƣợng bù tối ƣu khi xét đến tính ngẫu nhiên của phụ tải. Chƣơng trình đƣợc xây dựng sẽ mang tính linh hoạt, đáp ứng yêu cầu ngƣời dùng hơn là những chƣơng trình ứng dụng có sẵn.
Giới thiệu ngơn ngữ lập trình GAMS 3.6.3.1
GAMS đƣợc phát triển để giải quyết vấn đề tối ƣu tốn học lớn và có thể giải quyết đƣợc nhiều bài toán tối ƣu nhƣ [13]:
- Bài tốn qui hoạch tuyến tính - LP (Linear Programming)
- Bài toán qui hoạch phi tuyến - NLP (Nonlinear Programming)
- Bài toán qui hoạch phi tuyến rời rạc - DNLP (Nonlinear Programming with Discontinuous derivatives)
- Bài toán qui hoạch nguyên thực hỗn hợp - MIP (Mixed Integer Programming), RMIP (Relaxed Mixed Integer Programming)
- Bài toán qui hoạch phi tuyến nguyên thực hỗn hợp - MINLP (Mixed Integer Nonlinear Programming), RMINLP (Relaxed Mixed Integer Nonlinear Programming)…
Cần phải nhấn mạnh rằng, GAMS khơng phải là một chƣơng trình ứng dụng sẵn trong HTĐ nhƣ PowerWorld, Etap, PSS/E, PSS/Adept… mà là một công cụ, một ngôn ngữ máy, để xây dựng các chƣơng trình tính tốn dựa trên sự hiểu biết đầy đủ về HTĐ.
Qua quá trình phát triển, GAMS đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và rất thành công trong lĩnh vực tính tốn qui hoạch, tối ƣu HTĐ. GAMS là chƣơng trình cho phép lập các bài tốn tối ƣu với những mơ hình lớn và phức tạp. Mơ hình đƣợc trình bày ngắn gọn và đơn giản, cho phép sử dụng những liên hệ đại số và miêu tả mơ hình độc lập với giải thuật tính tốn. Hơn
nữa, GAMS cung cấp một số thuật toán giải bài toán tối ƣu qua các solver đƣợc xây dựng sẵn nhƣ trong Bảng 3.2 [13].
Bảng 3.2: Modul các thuật toán giải trong GAMS
TT Loại bài toán Thuật toán giải (Solvers)
1 LP MINOS, ZOOM, MPSX, SCICONIC, OSL, XA,
CPLEX, SNOPT, BDMLP
2 NLP MINOS, CONOPT, GRP, NPSOL, PATHNLP
3 DNLP MINOS, CONO, SNOPT
4 MIP, RMIP BDMLP, CPLEX, CPLEXPAR, OSL, XA, ZOOM
5 MILP ZOOM, MPSX, SCICONIC, OSL, XA
6 MINLP, RMINLP DICOPT, SBB, MINOS, BONMIN
Cấu trúc chƣơng trình
Cấu trúc chƣơng trình lập trong GAMS gồm những thành phần cơ bản sau:
i) Set (khai báo kích thƣớc các mảng số liệu)
ii) Scalar, parameter, table (khai báo và nhập số liệu) iii) Variables (khai báo biến)
iv) Equations (khai báo và xây dựng các phƣơng trình tốn nhƣ hàm mục tiêu, ràng buộc, giới hạn…)
v) Model và Solver (xây dựng bài toán và gọi thuật toán giải) vi) Output (in kết quả)
Mọi bài tốn tối ƣu đều có thể lập trên GAMS bằng những thành phần cơ bản trên. Phần nhập số liệu đầu vào có thể thực hiện đơn giản dƣới dạng gán trực tiếp, dạng vector hoặc dƣới dạng bảng. Giống nhƣ các ngơn ngữ lập trình khác, GAMS có thể sử dụng các lệnh chuẩn nhƣ IF-THEN, WHILE, LOOP…
Phần linh hoạt nhất trong GAMS là phần xây dựng bài toán MODEL với một MODEL bao gồm hàm mục tiêu và các phƣơng trình ràng buộc. Ngƣời sử dụng có thể lập nhiều MODEL bằng cách thay đổi số phƣơng trình ràng buộc và hàm mục tiêu mà không phải thay đổi cấu trúc chƣơng trình. Tính năng này rất hữu dụng khi cần giải quyết một vấn đề với nhiều ràng buộc khác nhau.
Ứng dụng GAMS trong HTĐ
GAMS đã đƣợc ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực tính tốn qui hoạch và tối ƣu HTĐ với một số bài toán nổi bật nhƣ:
i) Qui hoạch nguồn và lƣới điện
ii) Lựa chọn vị trí và cơng suất tối ƣu của tụ điện, DG, hệ thống tích trữ năng lƣợng và thiết bị FACTS
iii) Vận hành tối ƣu các nhà máy điện iv) Vận hành tối ƣu HTĐ…
Thuật toán và solver BONMIN trong chương trình GAMS 3.6.3.2
GAMS cung cấp một ngơn ngữ, mơi trƣờng lập trình và các solver có tính năng, giải thuật sẵn cho phép thực hiện các thuật tốn để tìm kết quả tối ƣu với những mơ hình bài tốn mở đƣợc thiết lập bởi ngƣời lập trình.
BONMIN là solver đƣợc tích hợp trong ngn ngữ lập trình GAMS để giải các bài toán qui hoạch phi tuyến nguyên thực hỗn hợp (mixed-integer nonlinear programming - MINLP). Vì vậy, nó có khả năng tìm nghiệm tối ƣu đối với những bài tốn phi tuyến qui mơ lớn với các biến nguyên thực hỗn hợp và tỏ ra phù hợp với bài toán tối ƣu lớn trong HTĐ. Thuật toán nhánh cận (branch-and-bound) đƣợc sử dụng làm cơ sở để giải một bài toán qui hoạch phi tuyến liên tục ở mỗi nút của cây tìm kiếm và phân nhánh trong các biến ngun [12].
3.7 Ví dụ minh họa
Mơ hình và chƣơng trình tính tốn đƣợc kiểm tra trên sơ đồ LĐPP 33nút, điện áp 22kV nhƣ trên Hình 3.4. Phụ tải cực đại và thông số của lƣới điện trong PL2.
Hình 3.4: Sơ đồ LĐPP 33 nút
Giả thiết, xác suất của tải tuân theo hàm phân bố chuẩn nhƣ Hình 3.5. Từ đồ thị phân bố xác suất cho thấy, số lƣợng các trạng thái là rất lớn và việc lựa chọn số trạng thái tính tốn là rất quan trọng. Số lƣợng trạng thái nhỏ sẽ gây sai số lớn và ngƣợc lại số trạng thái lớn sẽ làm tăng khối lƣợng tính tốn. Do đó, để đảm bảo giữa tính chính xác và khối lƣợng tính tốn nghiên cứu lựa chọn số lƣợng trạng thái là 15, tƣơng ứng với hệ số tải thay đổi từ 0.3 đến 1 với mỗi bƣớc tăng là 0.05.
Hình 3.5: Phân bố xác suất của tải
02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 TBA 01 26 27 28 29 30 31 32 33 23 24 25 19 20 21 22 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Hệ số tải Xá c su ất
Công suất tiêu chuẩn của tụ bù bao gồm 150, 225, 300, 400, 450, 500, 600, 750, 900, 1200, 1500, 1800kVAR với kc = 0.15W/kVAR [6]. Điện áp U1 = 1.1pu, Umin = 0.9pu, Umax = 1.1pu. Hệ số phát triển của tải kpt = 3% và thời gian tính tốn là 5 năm.
Kết quả tính tốn, lựa chọn đƣợc vị trí bù tối ƣu là nút 18 ở năm đầu tiên và nút 33 năm thứ 2 với công suất tại mỗi nút là 1800kVAR, tổn thất điện năng là 2,92% trong trƣờng hợp 2 (TH2) nhƣ trình bày trên Bảng 3.3. Trƣờng hợp 1 (TH1) thực hiện tính tốn bù theo phƣơng pháp nâng cao hệ số công suất cos đã lựa chọn dung lƣợng bù rất lớn với tổng dung lƣợng bù là 8000kVAr, tăng 55%. Hơn nữa, phƣơng pháp này không xác định đƣợc vị trí bù. So sánh tổn thất điện năng trong hai trƣờng hợp trên với trƣờng hợp không bù (TH0) cho thấy, phƣơng pháp đề xuất cho hiệu quả bù rất cao với tổn thất điện năng nhỏ nhất là 2,92%, tƣơng ứng giảm 1,02% so với TH0 và 0,74% so với TH1 mặc dù công suất bù rất thấp chỉ 3600kVAr.
Bảng 3.3: So sánh các chỉ tiêu của LĐPPTA
TT Chỉ tiêu TH0 TH1 TH2
1 Công suất bù Qb.i,t (nút i; năm t),
kVAr - 8000 1800 (18; 1) 1800 (33; 2) 2 Tổn thất điện năng, % 3,99 3,66 2,92 3 So sánh tổn thất TH1 với TH0, % 0,33 4 So sánh tổn thất TH2 với TH0, % 1,02
Hình 3.6: Điện áp nút cực đại và cực tiểu
0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 Đi ệ n á p nút, pu Nút Umax Umin
Hơn nữa, điện áp lớn nhất và nhỏ nhất khi thực hiện bù đảm bảo yêu cầu trong mọi chế độ làm việc với giá trị nhỏ nhất là 0.92pu ở nút 18, năm thứ 5 và điện áp lớn nhất là 1.1pu nhƣ trình bày trên Hình 3.6.
Kết quả tính tốn kiểm tra cho thấy, mơ hình và chƣơng trình tính tốn phù hợp với LĐPP qui mô lớn trong thực tiễn. Khi xét đến tính ngẫu nhiên của phụ tải, tổn thất điện năng đƣợc đảm bảo giảm đồng thời điện áp nút luôn đảm bảo độ lệch cho phép trong mọi trạng thái vận hành và sự thay đổi của