CHƯƠNG 22. TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Hệ thống lưới điện phân phối là lưới điện chuyển tải điện năng trực tiếp đến khách hàng từ các trạm biến thế trung gian, nên đảm bảo vận hành tốt lưới điện này hết sức quan trọng. Các lưới điện phân phối trong khu vực thành thị luôn có mức độ phức tạp cao, vì vậy để tăng độ tin cậy của việc cung cấp điện, thông thường được thiết kế mạch vòng nhưng luôn vận hành với cấu trúc lưới hình tia hay còn gọi là vận hành hở.
Khi thay đổi các trạng thái các khoá điện thì cấu trúc lưới điện phân phối sẽ thay đổi. Sự thay đổi này để đạt được một mục tiêu nào đó như: Tổn thất công suất bé nhất, tổn thất điện năng bé nhất, chi phí vận hành bé nhất, cân bằng phụ tải … thì cấu trúc lưới điện vận hành cũng phải tránh được quá tải các máy biến thế chính và đường dây trong vận hành bình thường cũng như các thiết bị đóng cắt bảo vệ. Trong các trường hợp khẩn cấp như vận hành sự cố, hay chống quá tải thì mục tiêu là giảm tối đa các khách hàng bị mất điện. Nếu quan tâm đến khách hàng ưu tiên thì số phụ tải khách hàng ưu tiên bị mất điện phải bé nhất.
• Tổng tổn thất công suất bé nhất :
• Tổng tổn thất năng lượng bé nhất :
• Tổng chi phí vận hành bé nhất :
Các yêu cầu trong vận hành của lưới điện phân phối là:
Tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện trong trường hợp bình thường. Trong trường hợp sự cố thì phải tái lập được nhiều phụ tải nhất trong thời gian sớm nhất.
Điện áp vận hành tại các nút tải phân phối
Không qúa tải các phần tử trong hệ thống đang vận hành
Trong quá trình thiết kế lưới điện phân phối, vị trí các khoá điện, loại khoá điện cũng như phương thức điều khiển các khoá điện này được cân nhắc kỹ lưỡng để tạo không gian vận hành rộng lớn.
Các loại khoá điện thường gặp trên lưới phân phối thông thường là máy cắt (CB: Circuit Breaker), thiết bị tự đóng lại (Recloser), dao cắt có tải (LBS: Load Breaker Switch), dao cách ly (DS: Disconnect Switch)
Về mặt điều khiển vận hành lưới điện phân phối, các khoá điện sẽ được điều khiển từ xa tại trung tâm điều độ. Tuy nhiên, không phải lưới điện nào cũng được trang bị các loại khoá điện điều khiển từ xa hoàn toàn mà chỉ có một phần khóa điện này. Ngoài ra trên lưới phân phối còn có các khóa điện điều khiển bằng tay tại hiện trường để giảm mức đầu tư cho lưới điện phân phối. Chính vì lý do này mà hàm mục tiêu vận hành lưới điện phân phối, ngoài mục tiêu giảm tổn thất công suất tác dụng hay tổn thất năng lượng, còn phải xem xét đến mục tiêu giảm các thao tác thay đổi trạng thái khóa điện, đặt biệt là các khoá điện bằng tay tại hiện trường. 22.1.1. Tái cấu trúc lưới điện phân phối
Theo thống kê của điện lực Việt Nam thì tổng công suất tổn thất là 10-15% điện năng sản xuất ra, trong đó tổn hao trên đường dây là từ 3-5%. Vì vậy lượng điện tổn thất trên đường dây phân phối có giá trị lớn so với tổng tổn thất điện năng.
Qua thống kê cho thấy việc giảm tổn thất cho mạng phân phối là việc làm rất có ý nghĩa, vì chỉ cần giảm đi 1% tổn thất điện năng thì cũng có giá trị rất lớn. Việc giảm tổn thất điện năng góp phần làm giá thành điện năng hạ, và dẫn đến hạ giá thành các sản phẩm khác có sử dụng điện để sản xuất ra sản phẩm đó và thúc đẩy kinh tế phát triển, nhu cầu phục vụ nhân sinh ngày càng cao. Tuy nhiên không
phải việc giảm được tối thiểu tổn thất điện năng không phải lúc nào cũng đồng nghĩa với việc đạt kết quả cao trong trong việc vận hành kinh tế mạng phân phối. Nó tuỳ thuộc vào đặc điểm riêng của mạng phân phối đó. Như vậy giảm tổn thất điện năng trong mạng phân phối là một phần của bài toán chung nâng cao tính kinh tế trong vận hành mạng phân phối.
Trong mạng phân phối điện, tải trên mạng phân phối điện ngày càng tăng nhưng sự gia tăng tải nằm trong giới hạn cho phép, trong khi đó cấu trúc của mạng không thay đổi. Từ đó sẽ làm cho tổn thất của mạng phân phối điện tăng lên nếu cấu trúc mạng vẫn giử nguyên. Muốn giảm tổn thất người ta sẽ dùng các phương pháp như: Đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lưới điện … nhưng nếu làm như vậy sẽ đòi hỏi phải cần đầu tư rất nhiều mà hiệu quả giảm tổn thất điện năng lại không đáng kể. Vì vậy, khi tải tăng trong giới hạn cho phép của mạng phân phối ta có thể dùng phương pháp tái cấu trúc để làm giảm tổn thất trên đường dây. Có rất nhiều phương pháp để tái cấu trúc trên lưới phân phối để tổn thất là nhỏ nhất như: Phương pháp cổ điển nhưng không dùng trong mạng phân phối thực tế do không gian nghiệm lớn sẽ mất nhiều thời gian cho việc tìm kiếm cấu trúc tối ưu. Gần đây người ta áp dụng các phương pháp nhân tạo như: Giải thuật Heuristic, giải thuật mô phỏng luyện kim, giải thuật gen di truyền, giải thuật kiến…để giải bài toán tái cấu trúc cho mạng phân phối điện.
22.1.2. Các lý do vận hành hở lưới điện phân phối
Trong vận hành hở tổn thất năng lượng và chất lượng điện năng luôn kém hơn một lưới phân phối được vận hành kín. Hơn nữa khi có sự cố, cung cấp điện của lưới điện vận hành hở sẽ mất nhiều thời gian hơn do cần có thời gian chuyển tải qua các tuyến dây khác. Tuy nhiên lưới điện phân phối vẫn vận hành hở mặc dù có cấu trúc vòng kín.
Hai điểm khác nhau cơ bản giữa lưới điện phân phối và truyền tải là:
• Số lượng phần tử như lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù, phụ tải … lớn hơn nhiều lần lưới điện truyền tải.
• Khi có sự cố, mức độ thiệt hại do lưới điện phân phối gây ra bé hơn nhiều so với sự cố của lưới điện truyền tải.
Số lượng khách hàng cần cung cấp điện năng lớn, công suất tiêu thụ từng khách hàng bé và nằm trên diện rộng nên lưới điện phân phối cần vận hành hở mặc dù có cấu trúc mạch kín. Điều này có thể giải thích như sau:
Trong vận hành hở, hình tia, các relay bảo vệ chỉ cần dùng các loại relay đơn giản, rẻ tiền như relay quá dòng, thấp áp … mà không nhất thiết phải
trang bị các loại relay phức tạp như định hướng, khoảng cách, so lệch,… nên việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn và mức đầu tư sẽ giảm xuống. Chỉ cần dùng cầu chì tự rơi (FCO: Fuse Cut Out ) hay cầu chì tự rơi kết
hợp cắt có tải (LBFCO: Load Break Fuse Cut Out ) để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên cùng một đoạn trục mà không cần dùng đến Recloser khi yêu cầu cung cấp điện không cao.
Tổng trở của lưới điện phân phối vận hành với cấu trúc hở lớn hơn nhiều so với vận hành kín nên dòng ngắn mạch sẽ giảm khi có sự cố. Điều này cho phép không nhất thiết phải chọn các thiết bị đóng cắt có dòng ngắn mạch chịu đựng hay dòng cắt ngắn mạch cao, do đó làm mức đầu tư giảm đáng kể. Do được vận hành hình tia, mạch hở nên việc điều khiển điện áp trên
từng tuyến dây dễ dàng hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố.
Nếu chỉ xem xét giá trị xây dựng mới lưới điện phân phối thì phương án kinh tế là các lưới hình tia.
22.1.3. Thuật toán tổng quát
Hình 6.1. Xác định lại cấu trúc mạng điện
Nghiên cứu các phương pháp xác định lại cấu trúc để đem lại hiệu quả cao. Có hai nghiên cứu cơ bản được áp dụng.
Phương pháp thứ nhất: Sử dụng một biểu thức xác định dòng chuyển tải tối ưu để thực hiện việc giảm tổn thất, từ dòng chuyển tải tối ưu để xác định cặp khoá điện cần thao tác đóng/mở để thực hiện. Phương pháp này gọi là SEM (Switch Exchange Method). Một vòng sẽ có một cặp khoá điện để thao tác giảm tổn thất. Vòng nào thực hiện giảm tổn thất lớn nhất mà không bị vi phạm các ràng buộc về quá tải thì được thực hiện trước. Cứ lần lượt như thế, thực hiện chuyển tải ở các vùng còn lại đến khi nào không còn giảm được tổn thất thì ngưng.
Phương pháp thứ hai: Tất cả các khoá điện giao liên (mở) ban đầu được đóng lại và tính toán phân bố công suất, để hệ thống phải trở lại cấu trúc hình tia thì phải mở các khoá điện trong các vòng. Khi chạy phân bố công suất xác định nhánh có dòng điện nhỏ nhất trong vòng sẽ là nhánh được ưu tiên mở của vòng và xem xét các vòng nhánh nào có dòng bé nhất sẽ được mở sau đó. Chạy lại phân bố công
suất và thực hiện tương tự đối với các vòng còn lại. Phương pháp này còn gọi là SSOM (Sequential Switch Opening Method).
CHƯƠNG 23. TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH ĐIỂM DỪNG TỐI ƯU - TOPO BẰNG PHẦN MỀM PSS/ADEPT
23.1.1. VI.2.1. Giới thiệu
Bài toán TOPO (Tie Open Point Optimization) sẽ phân tích, tính toán, định hình hệ thống hình tia để có tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất, đóng khoá để hình thành mạng vòng trong hệ thống, tách riêng điện kháng trong mạng vòng và giải hệ thống điện, mở khoá mạng vòng với dòng nhỏ nhất. TOPO thực hiện cho đến khi mở khoá cũng như đóng khoá.
Nếu quá tải trong quá trình phân tích, thì thuật toán sẽ lưu lại cho đến khi đạt đến điều kiện không có điểm nào quá tải. Nếu trong hệ thống ban đầu có các nhánh quá tải thì hệ thống sau khi giải xong cũng chứa các nhánh quá tải.
TOPO tối ưu hoá từng phần hệ thống hình tia nối với nút gốc. Vì thế, trong tất cả mọi cấu hình mạng hình tia, TOPO định ra cấu hình có tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất. Hiện tại TOPO chỉ tính được cho hệ thống mạng điện hình tia, nút gốc thường là nút nguồn đầu tiên, nhưng ta có thể chỉ định nút khác bằng cách chọn Network\Properties từ Menu chính.
Giải thuật điểm dừng tối ưu sử dụng phương pháp Heuristic dựa trên sự tối ưu phân bố công suất. Một đặc tính của giải thuật này là nó không định ra điểm dừng tối ưu thứ hai, thứ ba được. Thực ra nó cũng không thể chứng minh được lời giải điểm dừng tối ưu là lời giải tốt nhất. Những bằng chứng đưa ra dựa trên việc khảo sát tất cả những khả năng kết hợp các mạng hình tia, nên đây là số lượng rất lớn.
Khoá điều khiển TOPO được mô tả, bất kỳ khoá nào, ban đầu đều ở trạng thái mở, và khi đóng thì tạo thành mạch vòng. Nếu chúng không tạo thành mạch vòng thì hoặc là chúng đứng tách biệt hoặc là nối với một mạng tách biệt. Các khoá không tạo thành mạng vòng sẽ bị chương trình TOPO loại bỏ trước khi phân tích và chương trình chỉ tính cho các khóa có tạo thành mạng vòng khi đóng. Như thế, khoá điều khiển là một bộ phận của lưới điện trên cây nút gốc, các khoá ở các mạng tách biệt sẽ bị loại bỏ.
Với các loại tải nhanh (snapshot) và không có nhánh quá tải nào, thì chương trình tính điểm dừng tối ưu hoạt động đơn giản theo trình tự sau:
Hình 6.2. Hình VI.1: Thuật toán xác định điểm mở tối ưu TOPO
Bắt đầu với hệ thống hình tia ban đầu, TOPO đóng một trong các khoá điều khiển để hình thành mạch vòng, thủ tục tối ưu phân bố công suất được thực hiện trong mạch vòng để xác định việc mở khoá nào là tốt nhất và chuyển mạng điện trở về lại dạng hình tia. Tiến trình này tiếp tục cho đến khi khoá mở ra luôn là khoá đã đóng, khi đó TOPO ngừng lại. Kết quả mạng có được là mạng hình tia có tổn hao công suất thực bé nhất.
TOPO xuất ra giá trị tổn thất công suất ban đầu và tổn thất công suất sau cùng của mạng điện và số tiền tiết kiệm được trong một năm từ việc giảm tổn thất công suất đó bằng cách sử dụng giá trị ta chỉ định trong mục Network\Economics
từ Menu chính.
23.1.2. VI.2.2. Thiết đặt thông số kinh tế cho bài toán TOPO
Tính kinh tế của mạng điện được sử dụng trong quá trình phân tích để tính chi phí năng lượng và nhu cầu: Giá điện, giá năng lượng phản kháng, giá nhu cầu điện và giá nhu cầu năng lượng phản kháng.
Để đặt tuỳ chọn kinh tế (Economics): Ta chọn Menu Network\Economics. Thông số kinh tế trong bài toán TOPO cũng giống như trong bài toán CAPO. Cả hai bài toán sử dụng cùng những thông số này để tính toán.