1
Đặt vấn đề
Điện năng đóng vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước Việc xử lý hiệu quả các vấn đề kinh tế và kỹ thuật trong thiết kế, vận hành nhà máy điện, hệ thống điện và lưới điện cần được chú trọng một cách triệt để.
Hệ thống điện cần đảm bảo cung cấp đủ điện năng cho các hộ tiêu thụ theo kế hoạch, với chất lượng đạt yêu cầu và giá thành hợp lý Để thực hiện nhiệm vụ này, việc lựa chọn phương án tối ưu là điều cần thiết nhằm đạt được mục tiêu đề ra.
Trong những năm gần đây, phụ tải điện đã phát triển liên tục, dẫn đến việc các phần tử của lưới điện như đường dây và máy biến áp không còn đáp ứng đủ yêu cầu, gây ra tình trạng quá tải và chất lượng điện áp không đảm bảo Để khắc phục vấn đề này, cần thực hiện cải tạo lưới điện nhằm nâng cao khả năng tải và đạt hiệu quả kinh tế Có nhiều phương pháp để tăng khả năng tải, bao gồm tăng tiết diện dây dẫn, xây dựng mới đường dây, nâng công suất trạm biến áp hiện hữu, hoặc lắp đặt thêm trạm biến áp mới Ngoài ra, sự xuất hiện của các phụ tải mới tại những khu vực chưa có điện cũng đòi hỏi các giải pháp cung cấp điện phù hợp Tất cả những biện pháp này tạo thành một phương án quy hoạch phát triển lưới điện bền vững.
Tối ưu hóa trong quy hoạch hệ thống điện là một vấn đề quan trọng do tính phức tạp và quy mô lớn của các bài toán này Các bài toán thường mang tính tổ hợp phi tuyến với các số nguyên hỗn hợp, dẫn đến số lượng giải pháp cần đánh giá tăng theo cấp số nhân khi kích thước hệ thống tăng Điều này tạo ra một bài toán phi đa thức, khiến việc xấp xỉ theo thời gian trở nên khó khăn, đặc biệt khi có nhiều giải pháp tối ưu địa phương, làm cho không gian giải pháp trở nên quá lớn.
Bản chất tự nhiên của quy hoạch yêu cầu phân chia vấn đề thành các bài toán con để giải quyết hiệu quả Do đó, có thể tham khảo những vấn đề phức tạp liên quan để tìm ra giải pháp tối ưu.
- Quy hoạch mở rộng nguồn phát trong dài hạn, kết quả là một kế hoạch bổ sung dung lượng phát của hệ thống
Quy hoạch mở rộng mạng lưới điện, bao gồm cả cấp truyền tải và phân phối, thường áp dụng mô hình phân bố công bằng DC để đánh giá dòng công suất Điều này giúp xác định các kế hoạch mở rộng và tăng cường lưới điện một cách hiệu quả.
Quy hoạch công suất phản kháng là một phần quan trọng trong việc đầu tư cho các nguồn phản kháng mới tại các nút tải Điều này không chỉ phù hợp với lưới truyền tải mà còn với lưới phân phối, nhấn mạnh tầm quan trọng ngày càng cao của các máy phát phân tán trong hệ thống điện.
Học viên quyết định nghiên cứu quy hoạch bù công suất phản kháng cho lưới điện nhằm phát triển hệ thống điện hiệu quả hơn Đề tài “Quy hoạch phát triển lưới điện” được chọn để tập trung vào các giải pháp cải thiện lưới điện, đáp ứng các vấn đề cấp thiết hiện nay.
Lịch sử phát triển lưới điện Việt Nam và các công trình nghiên cứu quy hoạch phát triển lưới điện nổi bật
hoạch phát triển lưới điện nổi bật
1.2.1 Lịch sử phát triển lưới điện Việt Nam
Con người đã nghiên cứu về điện từ hàng ngàn năm, nhưng vẫn chưa xác định được bản chất chính xác của nó Theo lý thuyết hiện nay, điện được hiểu là dòng chuyển động của các electron hoặc các hạt mang điện khác.
Từ điện trong tiếng Anh (electricity) bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp "electron"
Hổ phách, từ thời Hy Lạp cổ đại khoảng năm 600 trước Công Nguyên, đã được biết đến với khả năng hút mẩu giấy khi được cọ xát Trước năm 1672, nghiên cứu về điện chưa có tiến bộ đáng kể Tuy nhiên, vào năm 1672, Otto Fon Gerryk phát hiện ra sự tích điện khi đặt tay gần quả cầu lưu huỳnh đang quay Đến năm 1729, Stefan Grey xác định rằng một số chất, bao gồm kim loại, có khả năng dẫn điện, trong khi các chất như thuỷ tinh, lưu huỳnh, hổ phách và sáp được phân loại là chất cách điện.
Bước tiến quan trọng trong nghiên cứu về dòng điện diễn ra vào năm 1733 khi Duy Phey, một nhà khoa học người Pháp, phát hiện ra vật tích điện dương và âm, mặc dù ông cho rằng chúng là hai loại điện khác nhau Benjamin Franklin là người đầu tiên giải thích về dòng điện, cho rằng tất cả các chất tự nhiên đều chứa "chất lỏng điện", và khi hai chất va chạm, một phần "chất lỏng" sẽ chuyển từ chất này sang chất khác Hiện nay, chúng ta hiểu rằng "chất lỏng" này được cấu tạo từ các điện tử mang điện tích âm Ngành khoa học nghiên cứu điện đã phát triển mạnh mẽ từ năm 1880 khi Alexandro Volta phát minh ra pin, cung cấp nguồn năng lượng liên tục và dẫn đến nhiều phát minh quan trọng trong lĩnh vực này Việt Nam cũng đã trải qua nhiều bước ngoặt trong lịch sử ngành điện.
1.2.1.1 Cơ quan quản lý Nhà nước đầu tiên chuyên trách lĩnh vực điện
Ngày 21/7/1955, Bộ trưởng Bộ Công Thương ban hành Quyết định số 169-BCT/ND/KB, chính thức thành lập Cục Điện lực thuộc Bộ Công Thương, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong công tác quản lý nhà nước về điện lực Tiếp theo, vào ngày 21/2/1961, Bộ Thủy lợi và Điện lực đã ra Quyết định số 86-TLĐL/QĐ chuyển đổi Cục Điện lực thành Tổng cục Điện lực Đến ngày 28/12/1962, Hội đồng Chính phủ quyết định tách Tổng cục Điện lực ra khỏi
Bộ Thủy lợi và Điện lực đã được chuyển về trực thuộc Bộ Công nghiệp nặng và sau đó đổi tên thành Cục Điện lực Vào ngày 6/10/1969, Bộ Điện và Than đã ban hành Quyết định số 106/QĐ/TC thành lập Công ty Điện lực, hiện nay là Công ty Điện lực 1, với nhiệm vụ sản xuất và kinh doanh điện năng theo chế độ hạch toán kinh tế Đến năm 1981, Bộ Điện lực chính thức ra đời.
1.2.1.2 Tổng công suất đƣợc nâng lên gấp 2 lần trong năm 1954
Vào tháng 10/1954, công suất điện của Việt Nam chỉ đạt 31,5 MW với sản lượng khoảng 53 triệu kWh/năm Từ năm 1956 đến 1958, sau khi củng cố và nâng cấp các nhà máy và đường dây do Pháp để lại, ba nhà máy nhiệt điện mới đã được khởi công, gồm Nhà máy Điện Vinh (8 MW), Nhà máy Điện Thanh Hóa (6 MW) và Nhà máy Điện Lào Cai (8 MW), giúp tổng công suất nguồn tăng gấp đôi so với năm 1954 Đây là bước khởi đầu quan trọng cho sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống nguồn và lưới điện Việt Nam trong những năm tiếp theo.
1.2.1.3 Thành lập đường dây trung áp 35 kV đầu tiên
Vào tháng 01 năm 1958, tuyến đường dây 35 kV đầu tiên giữa Hà Nội và Phố Nối đã được khởi công và chính thức khánh thành, đóng điện thành công trong quý III cùng năm Trước đó, các tuyến đường dây 30,5 kV cũ chỉ được cải tạo và nâng cấp lên 35 kV, trong khi các đường dây tải điện như Hà Nội - Hà Đông, Hà Nội - Sơn Tây, Hà Nội - Phố Nối, Thái Bình - Nam Định cũng đã được phục hồi để đưa vào sử dụng.
1.2.1.4 Xây dựng nhà máy Nhiệt điện Uông Bí công suất lớn nhất đầu tiên ở miềm Bắc
Ngày 19/5/1961, Nhà máy Nhiệt điện Uông Bí với công suất 48 MW được khởi công xây dựng Năm 1963 khánh thành và đi vào hoạt động
Nhà máy Nhiệt điện Uông Bí, khánh thành vào năm 1963 với công suất 48 MW, là nhà máy nhiệt điện lớn nhất miền Bắc trong giai đoạn đầu xây dựng chủ nghĩa xã hội Được Liên Xô hỗ trợ xây dựng, cung cấp thiết bị và đào tạo nhân lực, nhà máy này đã trở thành một trong những nguồn cung cấp điện chủ lực cho công cuộc xây dựng CNXH ở miền Bắc Sau đó, công suất của nhà máy đã được nâng lên.
153 MW Tháng 05/2002, dự án Nhà máy Nhiệt điện Uông Bí mở rộng công suất
300 MW (1 tổ máy) được khởi công do EVN làm chủ đầu tư, với mức đầu tư trên
Nhà máy Nhiệt điện Uông Bí mở rộng 2, với công suất 300 MW, đã chính thức phát điện thương mại sau khi được đầu tư 300 triệu USD EVN hiện đang tiếp tục đẩy mạnh đầu tư cho dự án này.
1.2.1.5 Xây dựng tuyến đường dây 110 kV đầu tiên của miền Bắc
Vào năm 1962, tuyến đường dây 110 kV đầu tiên của miền Bắc, nối Đông Anh với Việt Trì và Uông Bí với Hải Phòng, đã được khởi công và hoàn thành vào quý IV/1963 Sau đó, nhiều nhà máy điện, tuyến đường dây và trạm biến áp 110 kV, 35 kV đã được xây dựng, với 9 trong số 12 nhà máy điện được kết nối qua hệ thống đường dây.
110 kV, tạo thành một hệ thống điện hoàn chỉnh của miền Bắc
1.2.1.6 Xây dựng Thủy điện Thác Bà
Ngày 19/8/1964, Nhà máy Thủy điện Thác Bà (Yên Bái) với công suất 108 MW đã được khởi công xây dựng và chính thức khánh thành vào ngày 5/10/1971 Đây là công trình thủy điện lớn đầu tiên của Việt Nam, được xây dựng với sự hỗ trợ của Liên Xô Sau chiến tranh, Thủy điện Thác Bà đã được khôi phục hoàn chỉnh, và đến đầu năm 1973, cả 3 tổ máy đã quay trở lại hoạt động.
1.2.1.7 Xây dựng tuyến đường dây 220 kV đầu tiên
Tháng 03/1979, tuyến đường dây 220 kV Hà Đông - Hòa Bình được khởi công xây dựng và đến tháng 5/1981 đưa vào vận hành Đây là đường dây truyền tải
Dự án 220 kV đầu tiên tại miền Bắc đã nâng cao khả năng truyền tải và cung cấp điện, đồng thời tạo nền tảng kỹ thuật cho việc xây dựng đường dây siêu cao áp 500 kV Bắc - Nam trong tương lai.
1.2.1.8 Xây dựng Thủy điện Hòa Bình
Vào ngày 06/11/1979, hàng vạn cán bộ công nhân viên Việt Nam cùng 186 chuyên gia Liên Xô đã tham gia Lễ khởi công Thủy điện Hòa Bình, công trình thủy điện lớn nhất Việt Nam thời bấy giờ với tổng công suất 1,920 MW Sau hơn 3 năm, vào lúc 9h00 ngày 12/1/1983, Lễ ngăn sông đợt 1 được tổ chức trọng thể với sự hiện diện của Thủ tướng Phạm Văn Đồng và các lãnh đạo Đảng, Nhà nước Tiếp theo, vào ngày 09/1/1986, diễn ra lễ ngăn sông Đà đợt 2.
Vào ngày 30 tháng 12 năm 1988, tổ máy 1 với công suất 240 MW đã chính thức phát điện và hòa vào lưới điện quốc gia Từ đó, hàng năm, từ 1 đến 2 tổ máy tiếp theo được hoàn thành và đưa vào vận hành Đến ngày 20 tháng 12 năm 1994, công trình Thủy điện Hòa Bình đã được khánh thành, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong ngành năng lượng Việt Nam.
Hình 1.2.Cửa xả Nhà máy Thủy điện Hòa Bình
1.2.1.9 Xây dựng tuyến đường dây siêu cao áp 500 kV
Ngày 05/4/1992, đường dây siêu cao áp 500 kV Bắc - Nam (mạch 1) dài 1,487 km được khởi công xây dựng và ngày 27/5/1994 đã khánh thành, đóng điện vận hành
Hệ thống điện quốc gia Việt Nam được xây dựng dựa trên việc kết nối lưới điện giữa các khu vực Bắc, Trung và Nam, với đường dây 500 kV đóng vai trò là trục xương sống.
Mục đích nghiên cứu
Đề tài "Quy hoạch phát triển lưới điện" tập trung khảo sát tuyến 476 Orion trong lưới điện Việt Nam Mục tiêu là đề xuất các biện pháp quy hoạch cho tuyến 476 Orion, đồng thời nghiên cứu phương pháp quy hoạch bù công suất phản kháng để đánh giá tính phù hợp của các thông số kỹ thuật với yêu cầu thực tiễn.
Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu
Bài toán quy hoạch phát triển lưới điện là một phần thiết yếu trong quy hoạch năng lượng Sau quá trình nghiên cứu nhiều phương pháp quy hoạch, học viên xác định rằng tuyến 476 Orion cần được quy hoạch và phát triển Luận văn sẽ tập trung vào việc thí nghiệm để tìm ra các thông số đánh giá kỹ thuật của tuyến Orion 476, từ đó thu thập dữ liệu và đề xuất giải pháp nhằm cải thiện lưới điện trong tương lai.
Các công việc thực hiện trong đề tài:
- Tìm hiểu về quy hoạch phát triển lưới điện và các phương pháp giải bài toán quy hoạch phát triển lưới điện
- Tìm hiểu bài toán quy hoạch và phát triển lưới điện
- Tìm hiểu phương pháp quy hoạch bù công suất phản kháng trong lưới điện
- Áp dụng bài toán quy hoạch và phát triển lưới điện cho tuyến dây 476 Orion
- Tìm hiểu phần mềm PSS/ADEPT
- Xây dựng sơ đồ tuyến 476 Orion trên phần mềm PSS/ADEPT
- Ứng dụng phần mềm PSS/ADEPT giải bài toán quy hoạch bù công suất phản kháng cho lưới điện
Phần mềm PSS/ADEPT được sử dụng để tính toán phân bố công suất, tổn thất công suất và độ tin cậy trên lưới điện, từ đó đề xuất các biện pháp phát triển lưới điện một cách hiệu quả và phù hợp.
- Thu thập các kết quả, so sánh, tổng kết, báo cáo
Dựa trên kết quả thu được từ lưới điện thực tế, học viên tiến hành phân tích dữ liệu để tìm ra các giải pháp cải thiện và phát triển lưới điện, đặc biệt là đối với tuyến 476 Orion.
Phương pháp nghiên cứu
Ứng dụng kiến thức chuyên môn trong lưới điện và hệ thống điện là rất quan trọng Bài viết này sẽ tập trung vào việc tích hợp hệ thống điện với các phương pháp cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả cung cấp điện.
- Nghiên cứu các tài liệu, luận văn, bài báo có sẵn trong và ngoài nước
- Phân tích hạn chế của lưới điện từ đó đưa ra phương pháp quy hoạch và phát triển phù hợp
- Thiết lập mô phỏng thông số lưới điện trước và sau khi quy hoạch phát triển lưới điện trên phần mềm PSS/ADEPT
- Đánh giá các thông số lưới điện trước và sau khi quy hoạch phát triển
- Từ những thông số, dữ liệu đó, tiến hành đánh giá nhận xét kết quả, đưa ra kiến nghị.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.6.1 Ý nghĩa khoa học Đề tài hoàn thành là bước khởi đầu định hướng được các vấn đề cần giải quyết của bài toán quy hoạch lưới điện Cụ thể là bước khởi đầu định hướng cho việc quy hoạch phát triển tuyến 476 Orion trong tương lai Đồng thời có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu làm tài liệu cho các công trình nghiên cứu sau này
1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn Đề tài đưa ra hướng quy hoạch và phát triển tuyến 476 Orion trong tương lai Các phương pháp tính toán, kết quả tính toán, nghiên cứu của luận văn có thể dùng để tính toán, thiết kế lưới điện một cách nhanh chóng
Đề tài này không chỉ giúp đánh giá các chỉ tiêu chất lượng và kinh tế trong quy hoạch phát triển lưới điện, mà còn tạo nền tảng cho việc xác định phương án quy hoạch hợp lý hơn cho các tuyến lưới điện tương tự.
1.7 Tóm lƣợc nội dung luận văn
Luận văn gồm 5 chương với cấu trúc như sau:
Trong chương này, tác giả cung cấp cái nhìn tổng quan về lưới điện Việt Nam cùng với các công trình nổi bật trong và ngoài nước Bên cạnh đó, tác giả cũng trình bày các phương pháp quy hoạch phát triển lưới điện, từ đó làm cơ sở cho việc lựa chọn tên đề tài và nêu rõ ý nghĩa của nó.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này cung cấp cơ sở lý thuyết về quy hoạch phát triển lưới điện, bao gồm các lợi ích và phương pháp quy hoạch hiệu quả cho lưới điện.
Chương 3: Quy hoạch bù cưỡng bức cho phụ tải tăng dần đều
Trong chương này, tác giả trình bày bài toán quy hoạch bù cưỡng bức cho phụ tải tăng dần đều Sử dụng phần mềm MATLAB để thực hiện các phép tính, tác giả đánh giá kết quả thu được trước và sau khi bù, từ đó đưa ra nhận xét và biện pháp quy hoạch phát triển hợp lý.
Chương 4: Tính toán quy hoạch phát triển lưới điện trên phần mềm
Trong chương này, tác giả trình bày cơ sở lý thuyết về phần mềm
Tác giả đã phát triển tuyến 476 Orion dựa trên cơ sở PSS/ADEPT và thực hiện tính toán quy hoạch phát triển bù cho lưới điện Qua kết quả thu được, tác giả đánh giá tính khả thi của phương pháp và đề xuất hướng phát triển cho lưới điện.
Chương 5: Kết luận, kiến nghị và hướng phát triển
Trong chương này, tác giả tóm tắt những thành tựu đã đạt được trong luận văn, đồng thời đưa ra các kiến nghị và hướng phát triển cho đề tài trong tương lai Ngoài ra, tác giả cũng chỉ ra những hạn chế cần khắc phục trong nghiên cứu.
Tóm lược nội dung luận văn
2.1 Khái niệm về quy hoạch lưới điện [1]
Quy hoạch phát triển lưới điện là yếu tố thiết yếu trong quy hoạch hệ thống năng lượng, với nhiệm vụ xác định cấu hình tối ưu cho sự tăng trưởng phụ tải Đồng thời, nó cần xây dựng sơ đồ quy hoạch nguồn phù hợp với thời gian quy hoạch, đảm bảo việc phân phối điện năng an toàn và kinh tế.
Quy hoạch lưới điện gắn liền với quy hoạch nguồn điện, dựa trên sơ đồ quy hoạch nguồn nhưng cũng tác động đến sự mở rộng của quy hoạch nguồn điện Nó có thể điều chỉnh sơ đồ quy hoạch nguồn điện ban đầu để phù hợp hơn với thực tế.
Quy hoạch nguồn điện và lưới điện sẽ được phát triển dựa trên phân tích và phối hợp nhằm tối ưu hóa toàn bộ hệ thống năng lượng.
Sau khi xác định vị trí các nhà máy điện và trung tâm phụ tải, bước tiếp theo là quy hoạch lưới điện với nhiều cấp điện áp khác nhau Điều này nhằm mục đích truyền tải và phân phối điện năng từ các nhà máy đến tay người tiêu dùng một cách hiệu quả.
Nguyên tắc chính trong quy hoạch lưới điện là tối ưu hóa cấu trúc lưới và giảm thiểu chi phí vận hành, đồng thời đảm bảo việc phân phối điện năng an toàn và đáng tin cậy đến các trung tâm tiêu thụ.
So với quy hoạch nguồn, quy hoạch lưới điện phức tạp hơn nhiều, vì cần phải xem xét sơ đồ mạng thực tế Quy hoạch lưới điện thường được thực hiện qua hai bước chính: lập sơ đồ và tính toán giá trị của nó.
Quy hoạch lưới điện đóng vai trò thiết yếu trong chiến lược năng lượng dài hạn của mỗi quốc gia Thông thường, quy hoạch này được xây dựng cho kế hoạch 5-10 năm ở cấp quốc gia, trong khi quy hoạch mạng điện địa phương thường có thời gian từ 5-7 năm Quy hoạch cũng cần xem xét sự phát triển trong tương lai và các kế hoạch ngắn hạn từ 2-3 năm.
15
Khái niệm về quy hoạch lưới điện
Quy hoạch phát triển lưới điện đóng vai trò then chốt trong quy hoạch hệ thống năng lượng, nhằm xác định cấu hình tối ưu để đáp ứng sự tăng trưởng của phụ tải Đồng thời, nó cũng đề ra sơ đồ quy hoạch nguồn cho thời gian quy hoạch, đảm bảo phân phối điện năng một cách an toàn và kinh tế.
Quy hoạch lưới điện gắn liền với quy hoạch nguồn điện, dựa trên sơ đồ quy hoạch nguồn nhưng cũng tác động trở lại đến sự mở rộng của quy hoạch nguồn điện Điều này cho phép quy hoạch lưới điện điều chỉnh sơ đồ quy hoạch nguồn điện ban đầu một cách hiệu quả.
Quy hoạch nguồn điện và lưới điện sẽ được phát triển dựa trên việc phân tích và phối hợp nhằm tối ưu hóa toàn bộ hệ thống năng lượng.
Sau khi xác định vị trí các nhà máy điện và trung tâm phụ tải, cần tiến hành quy hoạch lưới điện với nhiều cấp điện áp khác nhau Việc này nhằm mục đích truyền tải và phân phối điện năng từ các nhà máy điện đến các hộ tiêu thụ.
Nguyên lý cơ bản của quy hoạch lưới điện là tối thiểu hóa cấu trúc lưới và chi phí vận hành, nhằm đảm bảo phân phối điện năng một cách an toàn và tin cậy đến các trung tâm phụ tải.
So với quy hoạch nguồn, quy hoạch lưới điện có độ phức tạp cao hơn do cần xem xét sơ đồ mạng thực tế Quy hoạch lưới điện thường được thực hiện qua hai bước chính: lập sơ đồ và tính toán giá trị của hệ thống.
Quy hoạch lưới điện đóng vai trò thiết yếu trong chiến lược năng lượng dài hạn của mỗi quốc gia Thông thường, quy hoạch dài hạn ở cấp quốc gia được xây dựng cho kế hoạch từ 5-10 năm, trong khi quy hoạch mạng điện địa phương thường có thời gian từ 5-7 năm, chú trọng đến sự phát triển trong tương lai và xem xét các kế hoạch ngắn hạn trong 2-3 năm tới.
Hình 2.1: Cấu trúc của quy hoạch hệ thống năng lượng
Quy hoạch lưới điện gồm các nhiệm vụ quan trọng như sau:
- Dự báo nhu cầu phụ tải trong tương lai xa có xét đến định hướng phát triển kinh tế
- Xác định tỉ lệ tối ưu của các nguồn năng lượng
Xác định khả năng xây dựng và điều kiện sử dụng các loại nhà máy điện là rất quan trọng để đảm bảo cân bằng công suất trong hệ thống điện khu vực và quốc gia Việc này giúp tối ưu hóa nguồn năng lượng, đảm bảo cung cấp điện ổn định và hiệu quả cho nhu cầu tiêu thụ.
- Xây dựng các nguyên tắc cơ bản về phát triển hệ thống điện truyền tải và phân phối trên quan điểm kinh tế kỹ thuật
- Ước tính mức độ đầu tư – nhu cầu vốn – hướng giải quyết.
Lợi ích của việc quy hoạch lưới điện
Nếu lưới điện không được quy hoạch phát triển hợp lý, sẽ dẫn đến lãng phí kinh tế và làm cho việc vận hành hệ thống điện trở nên khó khăn, phức tạp hơn.
Quy hoạch mạng điện địa phương hợp lý giúp định hướng sử dụng điện hiệu quả, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quy hoạch điện quốc gia một cách toàn diện.
Các phương pháp quy hoạch phát triển lưới điện
Bản chất tự nhiên của quy hoạch yêu cầu phân chia vấn đề thành các bài toán con để dễ dàng giải quyết Do đó, có thể tham khảo các vấn đề phức tạp liên quan.
- Quy hoạch mở rộng nguồn phát trong dài hạn, kết quả là một kế hoạch bổ sung dung lượng phát của hệ thống
Quy hoạch mở rộng mạng lưới điện, bao gồm cả cấp truyền tải và phân phối, thường áp dụng mô hình phân bố công bằng DC để đánh giá dòng công suất Qua đó, việc lên kế hoạch mở rộng và tăng cường lưới điện được thực hiện một cách hiệu quả.
Quy hoạch công suất phản kháng là yếu tố quan trọng trong việc đầu tư vào các nguồn phản kháng mới tại các nút tải, phù hợp cho cả lưới truyền tải và lưới phân phối, nhất là với sự gia tăng của các máy phát phân tán Tuy nhiên, việc giải quyết các vấn đề này bằng mô hình toán học chỉ đạt kết quả hạn chế và không luôn khả thi trong thực tiễn Hiện nay, các giải thuật heuristic đang được áp dụng để mô phỏng chính xác hơn các đặc tính hệ thống, điều kiện ràng buộc và mục tiêu của các nhà chức trách, đồng thời có khả năng đáp ứng yêu cầu tối ưu.
Giải thuật meta-heuristic đã tạo ra cơ hội cho các phương pháp nghiệm suy phát triển trong các vấn đề thực tiễn nhờ vào tính hợp lý của lời giải Đồng thời, các thuật toán tiến hóa mang lại độ tin cậy cao trong việc hội tụ ngẫu nhiên của bài toán tối ưu, đồng thời cung cấp nền tảng toán học để giải thích quá trình hội tụ và cải thiện tốc độ hội tụ.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ khám phá các mô hình được đề xuất để giải quyết các vấn đề quy hoạch phát triển lưới, bao gồm những mô hình đã được áp dụng thực tế và mang lại kết quả tích cực.
Quy hoạch mở rộng nguồn phát (GEP) là một quyết định quan trọng để đảm bảo cung cấp điện Trong khi trước đây hệ thống điện hoạt động theo chiều dọc và do các công ty điện lực quản lý, thì hiện nay, trong bối cảnh thị trường điện, GEP vẫn giữ vai trò thiết yếu Nó không chỉ là phương tiện phát triển hệ thống mà còn ảnh hưởng đến việc xây dựng các nhà máy điện mới, phụ thuộc vào sự khởi xướng của các nhà đầu tư tư nhân.
Mục tiêu của GEP là phát triển một kế hoạch bổ sung nguồn phát với chi phí thấp nhất để đáp ứng nhu cầu dự báo theo tiêu chuẩn độ tin cậy thông qua lập kế hoạch chiến lược Trong những thập kỷ qua, nhiều phương pháp đã được áp dụng thành công để giải quyết vấn đề GEP Masse và Gilbrat đã sử dụng quy hoạch tuyến tính, yêu cầu xấp xỉ tuyến tính cho hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc Bloom áp dụng kỹ thuật lập trình toán học, giải quyết bài toán trong không gian liên tục Park cùng cộng sự đã sử dụng nguyên lý cực đại Pontryagin, cũng cho ra kết quả trong không gian liên tục Tuy nhiên, các phương pháp quy hoạch toán học này vẫn gặp phải những nhược điểm như xử lý biến quyết định trong không gian liên tục và không đảm bảo tối ưu toàn cục do bài toán không nằm trên mặt lồi.
Quy hoạch động (Dynamic programming - DP) là một thuật toán phổ biến trong GEP, nhưng khi áp dụng trực tiếp, chiều không gian thường bị gián đoạn Để khắc phục vấn đề này, Wasp và Egeas đã sử dụng kỹ thuật đường hầm Heuristic để tối ưu hóa DP, giúp xác định trạng thái và tạo ra các đường hầm nhằm đạt được tối ưu cục bộ David và Zhao cũng phát triển một giải thuật Heuristic dựa trên DP và lý thuyết tập mờ để giảm số trạng thái Gần đây, Fukuyama, Chiang và nhóm của Park đã áp dụng thuật toán di truyền (GA) để giải quyết các vấn đề GEP mẫu với kết quả khả quan Tuy nhiên, vẫn chưa có phương pháp hiệu quả nào được phát triển đồng bộ để vượt qua bẫy tối ưu cục bộ và vấn đề chiều không gian trong GEP.
Về mặt toán học, giải quyết vấn đề GEP với chi phí thấp nhất đồng nghĩa với việc tìm kiếm một tập hợp các vector quyết định tối ưu thông qua lập kế hoạch chiến lược nhằm tối thiểu hóa hàm mục tiêu có nhiều ràng buộc Vấn đề GEP được phân tích thông qua các công thức cụ thể.
Thỏa điều kiện ràng buộc:
Trong kế hoạch chiến lược, T đại diện cho số năm, J là số loại nhiên liệu, và Ωj là chỉ số cho nhà máy loại nhiên liệu thứ j Vector công suất lũy kế X t (MW) thể hiện công suất của các nhà máy điện trong năm t, trong khi x i t chỉ ra công suất lũy kế của nhà máy thứ I trong cùng năm U t là vector công suất bổ sung (MW) từ các nhà máy trong năm t, và U t cũng thể hiện công suất xây dựng (MW) cực đại Công suất bổ sung của nhà máy thứ i trong năm t được ký hiệu là u i t Khả năng mất tải (LOLP) được mô tả bằng LOLP(X t ) trong năm t, trong khi R(X t ) thể hiện độ dự trữ Tiêu chuẩn độ tin cậy ɛ được diễn tả trong LOLP, với R là mức dự trữ trên và R là mức dự trữ dưới.
M t là mức trên và dưới của loại nhiên liệu thứ j trong năm t, f t 1
Chi phí lắp đặt U t ($) được khấu trừ kết hợp với khả năng bổ sung U t trong năm t Đồng thời, f t 2 (X t) là khấu trừ cho chi phí nhiên liệu, vận hành và bảo dưỡng.
– maintenance - O&M) ($) kết hợp với khả năng cộng thêm U t trong năm t, f t 3 (U t ) là giá trị còn lại được giảm giá ($) kết hợp với khả năng cộng với U t trong năm t
Hàm mục tiêu trong một kế hoạch chiến lược đại diện cho tổng chi phí chiết khấu của ba bên, bao gồm chi phí khấu hao, chi phí đầu tư, chi phí nhiên liệu và chi phí vận hành và bảo trì (O&M) Để đánh giá vòng đời của đầu tư, cần chú ý đến các hao mòn Bài viết này xem xét năm loại ràng buộc khác nhau, với biểu thức 2.2 là biểu thức trạng thái cho quy hoạch động lực Biểu thức 2.3 và 2.4 liên quan đến tiêu chuẩn độ tin cậy LOLP và biên độ dự trữ Khả năng phối hợp sử dụng các loại nhiên liệu được phân tích trong biểu thức 2.5, trong khi biểu thức 2.6 phản ánh các ràng buộc vật lý của các loại nhà máy và khả năng xây dựng hàng năm.
2.3.2 Mở rộng mạng truyền tải
Mục tiêu của quy hoạch mở rộng mạng lưới là xác định kế hoạch tối ưu để phát triển mạng lưới điện, với các nhánh đảm bảo điều kiện vận hành phù hợp nhằm đáp ứng nhu cầu tăng cường phụ tải theo dự báo trong kế hoạch mở rộng máy phát cụ thể.
Mở rộng mạng lưới điện, bao gồm lưới phân phối và lưới truyền tải, có thể được nghiên cứu qua mô hình tĩnh hoặc động Mô hình tĩnh giúp xác định sơ đồ mạng điện tối ưu với chi phí vận hành và lắp đặt thấp nhất cho các kịch bản nguồn phát và tải trong dài hạn Trong khi đó, mô hình động phức tạp hơn không chỉ xác định vị trí và loại thiết bị cần lắp đặt mà còn lập kế hoạch thời gian cho việc mở rộng mạng điện, từ đó tạo ra chiến lược đầu tư cho giai đoạn tiếp theo.
Nghiên cứu về quy hoạch mạng lưới truyền tải bắt đầu từ những năm 1960 với việc áp dụng các phương pháp heuristic để tối ưu hóa Mặc dù các phương pháp này dễ lập trình, hiệu quả và nhanh chóng, nhưng chúng gặp hạn chế về chất lượng giải pháp trong các hệ thống phức tạp Đến những năm 1970 và 1980, các kỹ thuật heuristic đã được cải tiến đáng kể, với nhiều ứng dụng mới được phát triển để giải quyết các vấn đề khó khăn Các phương pháp này cũng được sử dụng để tạo ra các sơ đồ lưới ban đầu có chất lượng cao, phục vụ cho các kỹ thuật tối ưu hóa như meta-heuristic và thuật toán nhánh và biên.
2.3.3 Phát triển lưới điện phân phối
Nội dung quy hoạch phát triển lưới điện phân phối
Bước 5: Kiểm tra nghiệm âm Nếu có nghiệm âm tại nút k, điều này cho thấy nút k không cần bù, vì vậy Qbù,k bằng không Tiếp theo, loại bỏ hàng và cột tương ứng với nút k trong hệ phương trình và lặp lại từ bước 3 đến bước 5 Nếu có hai nghiệm âm trở lên, nên lựa chọn nghiệm âm có trị số tuyệt đối lớn nhất để không cần bù cho nút này.
2.4 Nội khi quy hoạch phát triển lưới điện phân phối Để tiến hành quy hoạch phát triển lưới điện phân phối, ta cần quan tâm những yếu tố sau:
2.4.1 Đánh giá hiện trạng lưới điện trung áp
- Nguồn điện cấp điện cho khu vực
Thống kê lưới điện hiện trạng theo các cấp điện áp và chủ sở hữu bao gồm các thông tin quan trọng như tiết diện và chiều dài của đường dây, số lượng trạm biến áp, số máy, cũng như dung lượng của từng trạm.
Thống kê tình hình vận hành lưới điện, bao gồm thông số kỹ thuật và mang tải các đường dây và trạm biến áp theo các cấp điện áp;
Thống kê tình hình sự cố lưới điện 5 năm gần đây;
Diễn biến tiêu thụ điện năng qua các năm theo các thành phần phụ tải
- Tình hình cung cấp và tiêu thụ điện:
Đánh giá tình hình cung cấp điện;
Đánh giá tình hình sử dụng điện
- Đánh giá tình hình thực hiện giai đoạn trước;
Tổng hợp nhu cầu điện, tốc độ tăng trưởng, khối lượng lưới điện và vốn đầu tư thực hiện giai đoạn trước, so sánh với quy hoạch;
Đánh giá việc thực hiện của quy hoạch trước
- Nhận xét và đánh giá chung:
Nhận xét về hiện trạng nguồn và lưới điện;
Ưu, nhược điểm chính việc thực hiện quy hoạch giai đoạn trước;
Khả năng liên kết lưới điện khu vực
2.4.2 Đánh giá điểm chung và phương hướng phát triển Kinh tế - xã hội
Vị trí địa lý, đặc điểm tự nhiên;
Địa hình, khí hậu, thủy văn
- Hiện trạng kinh tế - xã hội:
Tình hình phát triển các ngành nông - lâm - thủy sản, công nghiệp - xây dựng, thương mại - dịch vụ
- Phương hướng phát triển kinh tế - xã hội:
Dự báo tình hình phát triển dân số, các khu đô thị mới, tình hình đô thị hóa nông thôn, các khu vực kinh tế;
Phát triển nông - lâm - thủy sản, các hệ thống tưới tiêu phục vụ nông nghiệp;
Phát triển công nghiệp - xây dựng;
Các vấn đề khác liên quan đến phát triển kinh tế - xã hội và phát triển điện lực
2.4.3 Dự báo nhu cầu điện và phân vùng phụ tải
- Số liệu dự báo theo Quy hoạch phát triển hệ thống điện 110kV
- Cập nhật dự báo nhu cầu điện:
Các yếu tố phát sinh;
Tính toán, cập nhật dự báo nhu cầu điện
- Phân vùng phụ tải và tính toán cơ cấu tiêu thụ điện
2.4.4 Thiết kế sơ đồ cải tạo và phát triển lưới điện
Trong giai đoạn quy hoạch trạm 110kV, cần thực hiện tính toán nhu cầu công suất và điện năng, cũng như cân bằng công suất cho từng năm trong mười năm đầu tiên Đối với giai đoạn tiếp theo, các mốc năm cần được xác định mỗi năm 5 năm một lần để đảm bảo sự phát triển bền vững và hiệu quả của hệ thống điện.
- Thiết kế sơ đồ lưới điện trung áp chi tiết sau các trạm biến áp 110kV:
Những nguyên tắc cơ bản khi thiết kế sơ đồ cung cấp điện;
Thiết kế sơ đồ lưới điện trung áp chi tiết sau các trạm biến áp 110kV;
Danh mục các đường dây trung áp và trạm biến áp phân phối cần đầu tư xây dựng trong giai đoạn quy hoạch.
Bài toán quy hoạch phát triển lưới điện
Quy hoạch và phát triển lưới điện trong tương lai là một vấn đề quan trọng để làm cơ sở cho việc thiết kế lưới điện
Hàm mục tiêu trong bài toán quy hoạch lưới điện nhằm tối thiểu hóa tổng chi phí đầu tư cho đường dây và máy biến áp Biểu thức được thể hiện như sau: minimize: C T ( , ) ( ) ( ) ( , ) ( , ).
C T : Tổng chi phí xây dựng mới
P : tổng số nhánh (đường dây, trạm biến áp) m(x,y) : Phần tử giữa x và y
C x y : tổng chi phí lắp đặt phần tử mới từ 1 đến I giữa x và y
: chi phí lắp đặt phần tử thứ j nối từ x và y
U x y : biến thay đổi theo đường dây (1 nếu từ 1 đến thứ I được lắp đặt, 0 cho các trường hợp khác)
P x y : Tổng dung lượng các nhánh mới giữa x và y
: Dung lượng 1 phần tử mới giữa x và y
P : Dung lượng có sẵn nối giữa x và y
2.5.2 Các trường hợp trong hệ thống điện
STT Trường hợp Ghi chú
1 F m = L ≤ G Không thiếu nguồn, không cần mở rộng
2 F m = L > G Thiếu nguồn phát, cần quy hoạch mở rộng nguồn
3 F m < L ≤ G Dây truyền tải bị quá tải, cần mở rộng hệ thống truyền tải
4 F m < L < G Thiếu nguồn và quá tải, cần mở rộng cả hệ thống
Bảng 2.1: Các trường hợp trong hệ thống điện
G : tổng công suất phát; L : tổng công suất tải; F m : dòng công suất cực đại.
