Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
Mục tiêu của luận văn là phát triển một công thức toán học rõ ràng nhằm tái cấu hình lưới điện phân phối, từ đó nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp điện Luận văn sẽ giải quyết các vấn đề liên quan đến việc tối ưu hóa cấu trúc lưới điện và cải thiện hiệu suất cung cấp điện.
Tìm hiểu các giải thuật và bài toán tái cấu hình lực lượng sản xuất (LĐPP) đã được áp dụng, đồng thời nghiên cứu độ tin cậy, các yếu tố ảnh hưởng và các phương pháp đánh giá liên quan.
+ Xây dựng công thức toán học và hàm đa mục tiêu để tìm ra cấu hình tối ưu cho LĐPP nâng cao độ tin cậy cung cấp điện
+ Từ công thức toán học và hàm đa mục tiêu để tìm ra phương pháp tái cấu hình LĐPP nâng cao độ tin cậy cung cấp điện
+ Sử dụng phần mềm PSS – ADEPT để tìm ra cấu hình tối ưu cho LĐPP (TOPO) và đánh giá độ tin cậy (DRA)
+ Kiểm chứng trên một số lưới điện mẫu của IEEE và lưới điện thực tế nếu có nhằm đánh giá tính đúng đắn của ý tưởng.
Hướng giải quyết bài toán
Sử dụng các phương pháp toán học để xây dựng công thức tường minh giúp tìm ra phương pháp tái cấu hình lực lượng sản xuất, từ đó nâng cao độ tin cậy trong quá trình hoạt động.
Xây dựng hàm đa mục tiêu nhằm tìm ra cấu hình tối ưu cho lưới điện phân phối (LĐPP) giúp giảm thiểu chi phí vận hành và chi phí ngưng cung cấp điện, đồng thời nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp điện.
+ Áp dụng để tái cấu hình một số lưới điện mẫu của IEEE và lưới điện thực tế.
Điểm mới của luận văn
Xây dựng công thức toán học và hàm đa mục tiêu nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành và chi phí ngưng cung cấp điện, đồng thời nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp điện.
Giá trị thực tiễn của luận văn
+ Tái cấu hình và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho các LĐPP
+ Tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về LĐPP.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hệ thống điện
Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, trạm biến áp, đường dây truyền tải và các thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ, tạo thành một mạng lưới hoàn chỉnh để sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng Lưới điện chủ yếu bao gồm các trạm biến áp và đường dây truyền tải điện.
+ Lưới hệ thống: nối các nhà máy điện với nhau và với các nút phụ tải khu vực
+ Lưới truyền tải: phần lưới từ trạm trung gian khu vực đến thanh cái cao áp cung cấp điện cho trạm trung gian địa phương
+ Lưới phân phối: từ các trạm trung gian địa phương đến các trạm phụ tải (trạm phân phối)
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điện
Lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối kết nối các trạm trung gian địa phương đến hộ tiêu thụ, với các đường dây thường có điện áp từ 4kV.
Lưới điện phân phối (LĐPP) 35kV cung cấp điện cho một khu vực địa lý xác định với cấu hình mạch vòng hoặc mạng hình tia, hoạt động ở trạng thái hở Cấu hình này mang lại nhiều ưu điểm như độ tin cậy cao trong cung cấp điện, khả năng điều chỉnh điện áp và phân bố công suất dễ dàng, cùng với dòng sự cố nhỏ giúp bảo vệ lưới hiệu quả Hơn nữa, việc vận hành ở trạng thái hở cho phép dễ dàng cô lập các nhánh gặp sự cố và nhanh chóng tái cung cấp điện cho khách hàng sau khi sự cố được khắc phục Quá trình khôi phục hoặc cô lập sự cố được thực hiện thông qua việc đóng hoặc mở các khóa điện trên lưới, do đó lưới điện có rất nhiều khóa điện để đảm bảo tính linh hoạt trong quản lý.
Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng là đường dây phân phối, thường là dây trần, phục vụ nhiều loại phụ tải trên diện rộng Đường dây này chịu tác động trực tiếp từ môi trường và con người, dẫn đến tình trạng quá tải do phụ tải phát triển không ngừng Để khắc phục tình trạng này, các điều động viên cần thay đổi cấu hình lưới điện một cách tối ưu bằng cách điều chỉnh các khóa điện Hiện nay, việc này có thể thực hiện dễ dàng qua hệ thống máy tính nhờ vào công nghệ SCADA, giúp giám sát và theo dõi hệ thống hiệu quả hơn Tuy nhiên, khi cấu hình hệ thống LĐPP, cần đảm bảo đáp ứng các yêu cầu nhất định.
Cấu hình hình tia LĐPP cần được đảm bảo liên tục trong mọi tình huống, đồng thời kết nối với phụ tải phải luôn được duy trì để đảm bảo rằng phụ tải luôn nhận được nguồn điện ổn định.
+ Điện áp, dòng điện nằm trong giới hạn cho phép
+ Máy biến áp, đường dây không được quá tải
Vận hành LĐPP hiệu quả giúp giảm chi phí vận hành và hạn chế sự cố, đồng thời cho phép cô lập và khắc phục sự cố nhanh chóng Điều này tối ưu hóa chi phí vận hành và chi phí ngưng cung cấp điện, với mục tiêu chính là nâng cao hiệu quả kinh tế trong quá trình vận hành LĐPP.
Các bài toán tái cấu trúc LĐPP ở góc độ vận hành
+ Áp dụng để tái cấu hình một số lưới điện mẫu của IEEE và lưới điện thực tế
1.5 Điểm mới của luận văn
Xây dựng công thức toán học và hàm đa mục tiêu nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành và chi phí ngưng cung cấp điện, đồng thời nâng cao độ tin cậy trong cung cấp điện.
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn
+ Tái cấu hình và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho các LĐPP
+ Tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về LĐPP
Luận văn được bố cục gồm các chương:
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN
Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, trạm biến áp, đường dây truyền tải và các thiết bị như thiết bị điều khiển, tụ bù, và thiết bị bảo vệ, kết nối với nhau để sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng Lưới điện chủ yếu bao gồm các trạm biến áp và đường dây truyền tải điện.
+ Lưới hệ thống: nối các nhà máy điện với nhau và với các nút phụ tải khu vực
+ Lưới truyền tải: phần lưới từ trạm trung gian khu vực đến thanh cái cao áp cung cấp điện cho trạm trung gian địa phương
+ Lưới phân phối: từ các trạm trung gian địa phương đến các trạm phụ tải (trạm phân phối)
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điện
Lưới điện phân phối là hệ thống kết nối giữa các trạm phân phối địa phương và các hộ tiêu thụ Các đường dây trong lưới điện này thường hoạt động ở mức điện áp từ 4 kV, đảm bảo cung cấp điện năng hiệu quả cho người tiêu dùng.
Hệ thống LĐPP 35kV cung cấp điện cho một khu vực địa lý cụ thể với cấu hình mạch vòng hoặc mạng hình tia, hoạt động ở trạng thái hở Điều này mang lại nhiều lợi ích như độ tin cậy cao trong cung cấp điện, khả năng điều chỉnh điện áp và phân bố công suất dễ dàng, cùng với dòng sự cố nhỏ giúp bảo vệ lưới hiệu quả Ngoài ra, việc vận hành ở trạng thái hở cho phép dễ dàng cô lập các nhánh có sự cố và nhanh chóng khôi phục cung cấp điện cho khách hàng Quá trình này được thực hiện thông qua việc đóng hoặc mở các khóa điện trên lưới, do đó có nhiều khóa điện được lắp đặt trên hệ thống.
Một yếu tố quan trọng trong LĐPP ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng là đường dây phân phối, thường là dây trần và phục vụ nhiều loại phụ tải khác nhau Đường dây này chịu tác động từ môi trường và con người, dẫn đến tình trạng quá tải khi phụ tải phát triển không ngừng Để khắc phục, các điều động viên cần tối ưu hóa cấu hình lưới điện bằng cách điều chỉnh các khóa điện Hiện nay, việc này được thực hiện dễ dàng qua hệ thống máy tính nhờ vào SCADA, giúp giám sát và theo dõi hệ thống hiệu quả hơn Tuy nhiên, việc cấu hình hệ thống LĐPP vẫn phải đáp ứng các yêu cầu nhất định trong quá trình vận hành.
Cấu hình hình tia LĐPP cần được duy trì liên tục trong mọi tình huống Điều này đảm bảo rằng kết nối với phụ tải luôn được duy trì, tức là phụ tải phải nhận được nguồn điện ổn định.
+ Điện áp, dòng điện nằm trong giới hạn cho phép
+ Máy biến áp, đường dây không được quá tải
Việc vận hành LĐPP hiệu quả giúp giảm chi phí vận hành, hạn chế sự cố và cô lập nhanh chóng khi có sự cố xảy ra, từ đó dễ dàng khắc phục Mục tiêu chính trong quá trình này là tối ưu hóa chi phí vận hành và chi phí ngưng cung cấp điện.
Mặc dù LĐPP có cấu hình mạch vòng hoặc mạch hình tia, nhưng nó lại được vận hành hở, dẫn đến tổn thất điện năng lớn và chất lượng điện năng kém Việc này cũng làm tăng thời gian tái cung cấp điện do cần phải đóng mở các khóa điện cho các tuyến đường dây.
Số lượng phần tử trong lưới phân phối, bao gồm các lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù và phụ tải, cao gấp 5-7 lần so với lưới truyền tải, trong khi mức đầu tư chỉ cao hơn từ 2-2,5 lần.
Nhiều khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ và phân bố rộng rãi, do đó, khi xảy ra sự cố, thiệt hại từ việc gián đoạn cung cấp điện ở lưới điện phân phối thường thấp hơn so với sự cố ở lưới điện truyền tải.
Do những đặc trưng trên, LĐPP cần vận hành hở dù có cấu hình mạch vòng vì các lý do như sau:
Tổng trở đường dây của lưới điện phân phối hoạt động hở cao hơn nhiều so với lưới điện vòng kín, dẫn đến dòng ngắn mạch nhỏ hơn khi xảy ra sự cố Do đó, chỉ cần lựa chọn thiết bị đóng cắt có khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch và dòng cắt ngắn mạch thấp, giúp giảm đáng kể mức đầu tư.
Trong vận hành hở, việc sử dụng các relay bảo vệ đơn giản và tiết kiệm như relay quá dòng và relay thấp áp giúp giảm thiểu chi phí đầu tư Không cần trang bị các loại relay phức tạp như relay định hướng, relay khoảng cách hay relay so lệch, điều này làm cho việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn.
Sử dụng cầu chì tự rơi (FCO) hoặc cầu chì tự rơi kết hợp cắt có tải (LBFCO) là giải pháp hiệu quả để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên cùng một đoạn trục, đồng thời phối hợp với Recloser giúp ngăn chặn sự cố thoáng qua.
Khi xảy ra sự cố, việc vận hành hở giúp ngăn chặn sự cố lan rộng sang các phụ tải khác, đồng thời tạo điều kiện dễ dàng hơn trong việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây Điều này cũng giảm thiểu phạm vi mất điện trong thời gian xử lý sự cố Nếu chỉ xét đến chi phí xây dựng mới lưới phân phối, phương án kinh tế hiệu quả nhất là xây dựng các lưới hình tia.
2.4 Các bài toán tái cấu hình LĐPP ở góc độ vận hành
Các bài toán vận hành lưới điện phân phối mô tả các hàm mục tiêu tái cấu hình lưới điện như sau:
+ Bài toán 1: Xác định cấu hình lưới điện tại một thời điểm để tổn thất công suất là bé nhất
+ Bài toán 2: Xác định cấu hình lưới điện không thay đổi trong thời gian khảo sát để cực tiểu chi phí vận hành
+ Bài toán 3: Xác định cấu hình lưới điện tại 1 thời điểm để cực tiểu chi phí vận hành
Bài toán 4 đề cập đến việc xác định cấu hình lưới điện cân bằng tải giữa các đường dây và máy biến thế nguồn tại các trạm biến áp Nghiên cứu này xem xét ảnh hưởng của các nguồn điện phân tán nhằm nâng cao khả năng tải của lưới điện.
Các nghiên cứu khoa học về bài toán tối ưu cấu trúc LĐPP
Để tái cấu hình LĐPP một cách hiệu quả, cần xây dựng mô hình toán cho LĐPP và từ đó xác định hàm mục tiêu cụ thể Trong bài toán 7, hàm mục tiêu được thiết lập nhằm tối thiểu hóa chi phí vận hành và tối đa hóa độ tin cậy cung cấp điện Công việc này rất phức tạp do có nhiều biến số và yếu tố tác động, bao gồm yêu cầu lưới điện phải luôn hoạt động hở, sụt áp phải nằm trong giới hạn cho phép, tổn thất công suất cần được giảm thiểu, và không được tái máy biến áp và đường dây quá mức.
Về mặt toán học, tái cấu hình LĐPP là bài toán phi tuyến rời rạc phân bố công suất trên các nhánh, tại [1]:
Cij: Hệ số trọng lượng của tổn thất trên nhánh ij
Lij: Tổn thất của nhánh nối từ nút i đến nút j Thỏa mãn điều kiện:
Trong đó: n Số nút tải có trên lưới
Sij, DVij Dòng công suất, Sụt áp trên nhánh ij
Dj Nhu cầu công suất điện tại nút j f t
S Dòng công suất trên đường dây ft ft Các đường dây được cung cấp điện từ máy biến áp t f t
Giá trị của đường dây ft là 1 nếu hoạt động và 0 nếu không Hàm mục tiêu (2.1) thể hiện tổng tổn thất trên toàn lưới phân phối, có thể được đơn giản hóa bằng cách xem xét dòng công suất nhánh với thành phần công suất tải và điện áp các nút tải là hằng số Biểu thức (2.2) đảm bảo cung cấp đủ công suất theo nhu cầu của các phụ tải, trong khi điều kiện chống quá tải tại trạm trung gian và sụt áp tại nơi tiêu thụ được trình bày qua (2.3) và (2.4) Cuối cùng, biểu thức (2.6) đảm bảo các trạm biến thế t hoạt động trong giới hạn công suất cho phép, và mạng phân phối hình tia được đảm bảo qua biểu thức (2.5).
Tái cấu hình LĐPP là một bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc với hàm mục tiêu bị gián đoạn Việc giải quyết bài toán này bằng các phương pháp tính toán thông thường gặp nhiều khó khăn, ngay cả khi áp dụng các giả thiết nhất định.
+ Không xét đến thiết bị bù công suất phản kháng
+ Thao tác đóng/cắt để chuyển tải không gây mất tính ổn định của hệ thống điện
+ Điện áp tại các nút tải không thay đổi và có giá trị gần bằng Uđm
+ Khi giải quyết bài toán phân bố công suất trên lưới hình tia, bỏ qua việc tổn thất công suất
+ Độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối được xem là không đổi khi cấu hình lưới thay đổi
Các nhà khoa học nghiên cứu tái cấu hình LĐPP thường áp dụng các phương pháp tối ưu hóa như phương pháp Heuristic, Hệ chuyên gia và Thuật toán di truyền để đạt được kết quả tốt hơn và dễ thực hiện hơn.
2.5.1 Giải thuật vòng kín của Merlin và Back
Giải thuật Merlin và Back rất đơn giản: Đầu tiên, tất cả các khóa điện được đóng lại để tạo thành một lưới kín Sau đó, bài toán phân bố công suất được giải quyết, và các khóa có dòng chạy qua nhỏ nhất sẽ được mở lần lượt cho đến khi lưới điện chuyển thành dạng hình tia.
LĐPP có mức tổn thất công suất thấp nhất, vì vậy để xây dựng lưới điện phân phối dạng tia, Merlin và Back loại bỏ các nhánh có công suất nhỏ nhất Quá trình này kết thúc khi tất cả phụ tải được cung cấp điện và lưới điện hoạt động hiệu quả.
Những ưu điểm của phương pháp này:
Cấu hình lưới cuối cùng không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của các khóa điện, và quá trình thực hiện phương pháp này sẽ đạt được kết quả tối ưu hoặc gần tối ưu theo hàm mục tiêu.
Nhược điểm của phương pháp này:
+ Mất nhiều thời gian do có khả năng xảy ra 2 n cấu hình nếu có n đường dây được trang bị khóa điện
2.5.2 Phương pháp trao đổi nhánh của Civanlar và các cộng sự
Phương pháp trao đổi nhánh của Civanlar nhằm giảm tổn thất công suất bằng cách vận hành đồng thời một cặp khóa điện, trong đó một khóa được đóng và khóa còn lại được mở Phương pháp này dựa trên hai quy luật giúp giảm số lượng khóa điện cần xem xét.
+ Nguyên tắc chọn khóa đóng: việc giảm tổn thất chỉ có thể đạt được nếu như có sự chênh lệch đáng kể về điện áp tại khóa đang mở
Nguyên tắc chọn khóa mở là giảm tổn thất bằng cách chuyển tải từ phía có độ sụt áp lớn sang phía có độ sụt áp nhỏ hơn.
Xây dựng hàm số để mô tả mức giảm tổn thất công suất tác dụng khi có sự thay đổi trạng thái của cặp khóa điện trong quá trình tái cấu hình lưới là rất quan trọng Việc này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của lưới điện, giảm thiểu tổn thất và nâng cao độ tin cậy trong cung cấp điện.
Kỹ thuật đổi nhánh là quá trình thay thế một khóa mở bằng một khóa đóng trong cùng một vòng nhằm giảm thiểu tổn thất công suất Vòng được lựa chọn để thực hiện đổi nhánh là vòng có cặp khóa đóng/mở mang lại mức giảm tổn thất công suất lớn nhất Quá trình này được lặp lại cho đến khi không còn khả năng giảm tổn thất nữa.
Những ưu điểm của phương pháp này:
+ Đơn giản, việc xác định dòng tải tương đối chính xác
Nhanh chóng xác định phương án tái cấu hình với tổn thất tối thiểu bằng cách giảm số lượng liên kết đóng cắt thông qua quy tắc heuristics và áp dụng công thức thực nghiệm để đánh giá mức độ giảm tổn thất tương đối.
Nhược điểm của phương pháp này:
+ Mỗi bước tính toán chỉ xem xét 01 cặp khóa điện trong 01 vòng
+ Chỉ đáp ứng được nhu cầu giảm tổn thất, chứ chưa giải quyết được bài toán cực tiểu hóa hàm mục tiêu
+ Các tái cấu hình hệ thống cuối cùng phụ thuộc vào cấu hình xuất phát ban đầu
2.5.3 Thuật toán di truyền – Genetic Algorithm (GA)
Giải thuật di truyền (GA), được D.E Goldberg đề xuất vào năm 1968 và sau đó được phát triển bởi L Davis và Z Michalevicz, là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý tiến hóa tự nhiên Thuật toán này mô phỏng quá trình tiến hóa của sinh vật, coi đây là hình thức tối ưu hoàn hảo nhất trong tự nhiên.
Các bước quan trọng trong thuật toán di truyền GA được thực hiện như sau: Bước 1: Khởi tạo quần thể bao gồm các chuỗi nhiễm sắc thể
Bước 2: Xác định giá trị mục tiêu cho từng nhiễm sắc thể tương ứng
Bước 3: Lựa chọn một cặp NST từ quẩn thể làm NST như là cặp cha mẹ
Bước 4: Lai ghép là quá trình kết hợp một hoặc nhiều đoạn gen từ hai nhiễm sắc thể (NST) của cha mẹ để tạo ra NST mới, mang đặc tính của cả cha và mẹ, nhằm đảm bảo việc trao đổi thông tin đầy đủ giữa các NST.
Đột biến là quá trình mà một hoặc nhiều tính trạng của nhiễm sắc thể (NST) con không được thừa hưởng từ NST của cha mẹ Trong quá trình này, các đột biến có lợi sẽ được giữ lại, trong khi các đột biến có hại sẽ bị loại bỏ.
Bước 6: Quần thể NST mới được tạo ra và sẽ được đánh giá bằng hàm thích nghi
PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN
Đặt vấn đề
Tái cấu hình lưới điện phân phối (LĐPP) là một giải pháp hiệu quả với vốn đầu tư ban đầu thấp, giúp đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật và kinh tế Quá trình này bao gồm việc thay đổi trạng thái của các khóa điện, đảm bảo các điều kiện ràng buộc kỹ thuật và tối thiểu hóa tổn thất công suất trên lưới điện, từ đó giảm chi phí vận hành Mục tiêu chính của tái cấu hình LĐPP là tìm ra cấu hình lưới điện với chi phí ngưng cung cấp điện thấp nhất, đồng nghĩa với việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Khi LĐPP đạt được các tiêu chí này, cả nhà cung cấp điện và khách hàng đều hưởng lợi, bởi vậy việc tối ưu hóa cấu hình LĐPP nhằm giảm thiểu chi phí vận hành và chi phí ngưng cung cấp điện là rất quan trọng.
Bài toán tái cấu hình LĐPP
Xét LĐPP có cấu hình đơn giản như hình 3.1:
Hình 3.1 Lưới điện phân phối
Chi phí cho tổn hao công suất trên lưới điện [2]:
Với: Cthcs là chi phí tổn hao công suất trên toàn lưới điện
C1 là đơn giá bán điện thông thường của một phụ tải ($/Kw)
∆𝑃 là tổng tổn thất công suất trên lưới điện
𝑅 𝑖 là tổng trở của nhánh i
𝐼 𝑖 là dòng điện của nhánh i
Chi phí ngưng cung cấp điện [2]:
Với: Cnccd là chi phí ngưng cung cấp điện
C2 là mức giá điện áp dụng khi ngừng cung cấp điện, còn được gọi là đơn giá vi phạm hợp đồng cung cấp điện cho phụ tải ($/kwh) Đơn giá C2 thường cao gấp nhiều lần so với giá bán điện thông thường C1.
𝑖 là tần suất sự cố tại nút i
𝐼 𝑖 là dòng điện của nhánh i
𝑡 𝑖 là thời gian khắc phục sự cố tại nút i
Bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cần xem xét cả chi phí tổn hao công suất và chi phí ngưng cung cấp điện Do đó, việc xây dựng hàm mục tiêu phải bao gồm cả hai yếu tố này để đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình vận hành.
Xét LĐPP đơn giản như hình 3.1, chiều dương được xác định theo hướng ngược chiều kim đồng hồ Khi khóa KMN đóng, LĐPP hoạt động ở chế độ mạch vòng, trong khi khi khóa KMN mở, LĐPP chuyển sang chế độ vận hành hình tia Dòng điện trên các nhánh thứ i được ký hiệu là Ii với i = 1, 2, 3.
Khi khóa KMN được đóng, lưới điện LĐPP trở thành kín Giả sử dòng điện trên các nhánh OM giảm đi IMN, thì dòng điện trên các nhánh ON sẽ tăng lên tương ứng với lượng IMN Tại thời điểm này, chúng ta có hàm mục tiêu cho từng trường hợp cụ thể.
Khi chưa mở khóa KMN, LĐPP ở chế độ mạch vòng [2]:
+ 𝑀𝑁 𝑡 𝑀𝑁 𝐼 𝑀𝑁 (3.4) Đối với lưới điện kín thì ∑ 𝑛 𝑖=1 𝑖 𝑡 𝑖 𝐼 𝑖
+ 𝑀𝑁 𝑡 𝑀𝑁 𝐼 𝑀𝑁 = 0 vì khi có sự cố trên nhánh thì không có phụ tải nào mất điện Vậy ta có [2]:
Khi mở khóa KMN, LĐPP ở chế độ hình tia [2]:
Để tối ưu hóa vận hành LĐPP, cần giảm thiểu chi phí vận hành và chi phí ngưng cung cấp điện, nhằm đạt được giá trị hàm mục tiêu 𝐹 𝑚𝑖𝑛 nhỏ nhất.
So sánh hàm mục tiêu của LĐPP khi vận hành kín và vận hành hình tia:
Xét lưới thuần trở nên theo định luật K2:
+ 𝑅 𝑀𝑁 : tổng điện trở các nhánh trong lưới điện kín
Lấy đạo hàm hàm theo 𝐼 𝑀𝑁 ta được:
Độ lệch tổn hao công suất trên lưới điện phân phối kín và hở phụ thuộc vào giá trị 𝐼 𝑀𝑁 2 𝑅 𝑙𝑜𝑜𝑝, trong đó tổn hao trên lưới điện hở bằng tổn hao trên lưới điện kín khi dòng IMN = 0 Điều này cho thấy tổn hao trên lưới điện hở là nhỏ nhất Tuy nhiên, trong thực tế, việc đạt được tình huống này rất khó khăn do sự phân bố công suất trên lưới, khiến cho dòng IMN = 0 khó xảy ra Do đó, tổn hao trên lưới điện hở chỉ có thể gần bằng tổn hao trên lưới điện kín trong một số trường hợp nhất định.
Khi vận hành lưới điện phân phối kín, độ tin cậy cung cấp điện đạt mức tối đa, vì không có phụ tải nào bị mất điện khi xảy ra sự cố Đồng thời, tổn thất công suất cũng ở mức thấp nhất, dẫn đến chi phí vận hành lưới điện phân phối kín là nhỏ nhất Để giảm chi phí vận hành lưới điện phân phối hở đến mức tối ưu, cần đảm bảo rằng sự chênh lệch chi phí (𝐹) là nhỏ nhất, giúp chi phí vận hành lưới điện phân phối hở gần bằng với lưới điện phân phối kín.
Trong quá trình vận hành LĐPP hở, mục tiêu là mở các khóa điện sao cho giá trị 𝐹l đạt mức nhỏ nhất và vẫn đảm bảo các điều kiện vận hành với cấu hình hở Để xác định cách mở khóa điện một cách hiệu quả, cần tìm dòng điện IMN phù hợp với biểu thức 3.9 Nhánh nào có dòng điện thỏa mãn biểu thức này sẽ được mở khóa Tuy nhiên, thực tế cho thấy không có nhánh nào có dòng điện hoàn toàn thỏa mãn biểu thức 3.9, do đó, nhánh có dòng điện làm cho giá trị biểu thức 3.9 gần bằng 0 nhất sẽ được ưu tiên mở khóa.
Hàm mục tiêu
Mục tiêu chính của bài toán là tối ưu hóa chi phí vận hành và chi phí ngừng cung cấp điện cho LĐPP, từ đó thiết lập hàm mục tiêu cho bài toán.
Với: C1 là đơn giá bán điện thông thường của một phụ tải ($/Kw)
∆𝑃 𝑗 là tổng tổn thất công suất trên lưới điện tại thời điểm j m là số ngày khảo sát trong năm
C2 là mức giá điện áp dụng khi ngừng cung cấp điện, hay còn gọi là đơn giá vi phạm hợp đồng cung cấp điện của phụ tải, được tính bằng ($/kwh) Mức giá này thường cao gấp nhiều lần so với đơn giá bán điện thông thường C1.
𝑖 là tần suất sự cố tại nút i
𝑃 𝑖 là công suất trung bình của nhánh i
𝑡 𝑖 là thời gian khắc phục sự cố tại nút i n là số phụ tải trong lưới điện
Nếu khảo sát trong 1 năm thì hàm mục tiêu là [2]:
Vận hành LĐPP hở với mục tiêu cực tiểu chi phí vận hành và ngưng cung cấp, còn phải thỏa mãn các điều kiện sau:
+ Điện áp tại mỗi nút phải nằm trong giá trị cho phép [2]:
𝑉 𝑖,𝑚𝑖𝑛 ≤ |𝑉 𝑖 | ≤ 𝑉 𝑖,𝑚𝑎𝑥 (3.12) + Dòng điện trên mỗi nhánh luôn nằm trong giới hạn cho phép của đường dây [2]:
|𝐼 𝑘 | ≤ 𝐼 𝑘,𝑚𝑎𝑥 (3.13) + Cấu hình lưới phải là hình tia
+ Tất cả phụ tải phải được cung cấp điện
Với: 𝑉 𝑖 là điện áp tại nút thứ i
𝑉 𝑖,𝑚𝑖𝑛 , 𝑉 𝑖,𝑚𝑎𝑥 là điện áp nhỏ nhất và điện áp lớn nhất tại nút thứ i
𝐼 𝑘 là dòng điện trên nhánh thứ k
𝐼 𝑘,𝑚𝑎𝑥 là khả năng mang dòng lớn nhất của đường dây trên nhánh thứ k.
Phương pháp đề nghị
Giả sử xét LĐPP 7 bus cấu hình mạch kín như hình 3.2:
Hình 3.2: Lưới điện 7 bus Với thông số phụ tải như sau:
Bảng 3.1: Bảng giá trị phụ tải lưới điện 7 bus
Giả sử chiều dài đường dây của các nhánh là 1km và lưới điện là lưới thuần trở, giá trị r0 (/km) cụ thể như sau:
Bảng 3.2: Bảng giá trị r0 (/km) và chiều dài đường dây các nhánh (km)
Hệ số phụ tải của lưới điện trong một ngày được trình bày tại bảng 3.3:
Bảng 3.3: Bảng hệ số phụ tải trong một ngày của lưới điện 7 bus t(h) bus 0 – 3 3 – 6 6 – 9 9 – 12 12 – 15 15 – 18 18 – 21 21 – 24
Giả sử tần suất sự cố () và thời gian khắc phục sự cố (t) như sau:
Bảng 3.4: Bảng giá trị tần suất sự cố () và thời gian khắc phục sự cố (t)
Cấu hình LĐPP 7 bus được thiết kế nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành và ngừng cung cấp điện, đồng thời nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp điện.
+ Phân bố công suất trên lưới kín bằng phần mềm PSS-ADEPT, ta được giá trị dòng điện trên các nhánh:
Bảng 3.5: Bảng giá trị dòng điện trên các nhánh lưới 7 bus
+ Thay giá trị dòng điện tại bảng 3.5 lần lượt cho IMN của biểu thức 3.9, ta được giá trị đạo hàm 𝜕 𝐹
Bảng 3.6: Bảng giá trị đạo hàm của biểu thức 3.9
Từ kết quả của bảng 3.6, dễ dàng nhận thấy giá trị đạo hàm theo biểu thức 3.9 của nhánh 3-4 có giá trị nhỏ nhất (hay gần bằng 0 nhất)
+ Tiếp theo lần lượt mở các khóa điện trên các nhánh và tính hàm mục tiêu theo thức 3.11 với thời gian khảo sát lưới điện là 1 năm và C1 = 0.1$/kW,
Bảng 3.7: Bảng giá trị hàm mục tiêu theo biểu thức 3.11
Theo bảng 3.7, giá trị hàm mục tiêu của lưới điện đạt giá trị nhỏ nhất khi mở khóa S3 trên nhánh 3-4 Do đó, cấu hình lưới điện với việc mở khóa S3, như minh họa trong hình 3.3, sẽ mang lại chi phí vận hành và ngưng cung cấp điện thấp nhất, đồng thời đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao.
Hình 3.3: Cấu hình lưới điện 7 bus vận hành hở
Nhận xét: Từ kết quả tính toán trên, có thể thấy với giá trị đạo hàm 𝜕 𝐹
Khi mở khóa điện trên nhánh có 𝜕𝐼 𝑀𝑁 (biểu thức 3.9) nhỏ nhất, hàm mục tiêu F sẽ đạt giá trị tối thiểu Điều này cho phép cấu hình lưới điện với chi phí vận hành và ngưng cấp điện thấp nhất, đồng thời đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao.
Phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối (LĐPP) nhằm giảm thiểu chi phí vận hành và ngưng cung cấp điện, đồng thời nâng cao độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện được thực hiện qua các bước cụ thể.
Bước 1: Nhập thông số lưới điện trên phần mềm PSS-ADEPT (Thông số nút, nhánh, tần suất và thời gian sự cố)
Bước 2: Phân bố công suất lưới điện kín trên phần mềm PSS-ADEPT
Để lưới điện vận hành hình tia, bước đầu tiên là xác lập trạng thái ban đầu của lưới điện Tiếp theo, đóng một khóa điện để hình thành mạch vòng kín, trong khi giữ nguyên các khóa điện còn lại Cuối cùng, phân bố công suất trên mạch vòng kín và tính toán biểu thức 3.9 dựa trên giá trị dòng điện của mạch kín vừa được tạo ra.
Bước 5: Mở khóa điện của nhánh nào có giá trị dòng điện làm cho biểu thức
3.9 gần bằng 0 nhất hay nhỏ nhất
Bước 6: Tiếp tục thực hiện bước 4 và bước 5 cho các mạch vòng kín còn lại của lưới điện
Bước 7: Kiểm tra lưới điện đã thõa mãn điều kiện vận hành hình tia Nếu không thỏa mãn thì quay lại bước 6
Bước 8: Phân bố công suất lưới điện hình tia trên phần mềm PSS-ADEPT Bước 9: Tính chi phí vận hành lưới điện theo hàm mục tiêu
Lưu đồ chi tiết được trình bày:
Nhập thông số lưới điện trên phần mềm PSS-ADEPT (Thông số nút, nhánh, tần suất và thời gian sự cố)
Phân bố công suất lưới điện kín trên phần mềm PSS-ADEPT
Xác lập trạng thái ban đầu lưới điện để lưới điện vận hành hình tia Đóng 1 khóa điện để tạo 1 mạch vòng kín
Tính biểu thức 3.9 với giá trị dòng điện của mạch kín vừa tạo
Mở khóa điện của nhánh nào có giá trị dòng điện làm cho biểu thức 3.9 gần bằng 0 nhất
Tiếp tục thực hiện cho các mạch kín còn lại của lưới điện
Tính chí phí vận hành lưới điện theo hàm mục tiêu
Phân bố công suất lưới điện trên phần mềm PSS-ADEPT
Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật chi tiết
Phần mềm PSS-ADEPT
Phần mềm PSS-ADEPT (The Power System Simulator/Advanced Distribution
Công cụ Năng suất Kỹ thuật (Engineering Productivity Tool) của công ty Shaw Power Technologies, Inc được phát triển để hỗ trợ các kỹ sư và nhân viên kỹ thuật trong ngành điện PSS/ADEPT là một công cụ mạnh mẽ và hữu ích, chuyên dùng để thiết kế và phân tích lưới điện phân phối, mang lại nhiều tính năng nổi bật cho người dùng.
PSS/ADEPT là phiên bản nâng cấp của phần mềm PSS/U, đã có từ lâu, nhưng khác biệt lớn nhất là PSS/ADEPT được phát triển trên hệ điều hành Windows, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với PSS/U chạy trên môi trường DOS.
PSS/ADEPT cung cấp giao diện đồ họa trực quan, cho phép người dùng dễ dàng thiết kế, chỉnh sửa và phân tích sơ đồ lưới cùng các mô hình lưới điện trực tiếp trên màn hình.
Khả năng tính toán không bị giới hạn số lượng nút nhờ vào việc tận dụng các tính năng quản lý bộ nhớ mạnh mẽ của hệ điều hành Windows Hiệu suất tính toán phụ thuộc vào cấu hình phần cứng, bao gồm CPU và RAM, hơn là vào khả năng của phần mềm.
+ Có thể trao đổi dữ liệu với các phần mềm khác cùng chạy trên môi trường của Windows như Word, Excel, …
+ Các môdul và tiện ích hỗ trợ của phần mềm PSS/ADEPT rất đầy đủ cho công tác quản lý lưới điện phân phối
3.5.1 Các chức năng ứng dụng
Phần mềm PSS/ADEPT trang bị đầy đủ công cụ cần thiết cho việc thiết kế và phân tích lưới điện cụ thể, giúp người dùng tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện.
+ Vẽ sơ đồ và cập nhật lưới điện trong giao diện đồ họa
+ Việc phân tích mạng điện sử dụng nhiều loại nguồn và không hạn chế số nút
+ Hiển thị kết quả tính toán ngay trên sơ đồ lưới điện
+ Xuất kết quả dưới dạng report sau khi phân tích và tính toán
3.5.2 Các chức năng của phần mềm PSS/ADEPT
Phần mềm PSS/ADEPT được cung cấp với các chức năng tính toán thông qua các module tùy chọn.Các phân hệ bao gồm :
3.5.2.1 Bài toán tính phân bố công suất (Load Flow)
Phân tích và tính toán điện áp, dòng điện, và công suất cho từng nhánh và phụ tải cụ thể là rất quan trọng Phương pháp lặp được áp dụng để giải các phương trình liên quan đến điện áp và công suất thông qua ma trận tổng dẫn tổng trở của hệ thống Phương pháp này cũng được sử dụng để phân bố công suất cho các lưới điện trong luận văn.
3.5.2.2 Bài toán tính ngắn mạch (All Fault)
Tính toán ngắn mạch tại tất cả các nút trên lưới, bao gồm các loại ngắn mạch như ngắn mạch 1 pha, 2 pha và 3 pha
3.5.2.3 Bài toán khởi động động cơ (MSA-Motor Starting Analysis)
Hỗ trợ phân tích sụt áp khi khởi động động cơ công suất lớn trong hệ thống Phương pháp này bao gồm việc giải bài toán phân bố công suất để tính toán điện áp tại các nút trước và trong quá trình khởi động động cơ, từ đó so sánh và xác định mức độ sụt áp.
3.5.2.4 Bài toán điểm dừng tối ưu TOPO (Tie Open Point Optimization)
+ Hỗ trợ phân tích để xác định cấu hình có tổn thất nhỏ nhất trong hệ thống phân phối có nhiều cấu hình hoạt động
Bài viết so sánh giá trị tổn thất công suất của các cấu hình khác nhau trong hệ thống, xác định cấu hình lưới có tổn thất nhỏ nhất và các thiết bị bảo vệ cần thay đổi trạng thái so với cấu hình ban đầu Hiện tại, nghiên cứu chỉ tập trung vào các hệ thống hình vòng đang hoạt động hở.
3.5.2.5 Bài toán đặt tụ bù tối ưu CAPO (Optimal Capacitor Placement) Đặt tụ bù tối ưu.Tìm ra những điểm tối ưu để đặt các tụ bù cố định và tụ bù ứng động sao cho tổn thất trên lưới là bé nhất
3.5.2.6 Bài toán bảo vệ và phối hợp (Protection and Coordination)
+ Hỗ trợ phân tích sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ hiện hữu trên hệ thống
+ Phương pháp phân tích là so sánh các đường đặc tuyến dòng điện theo thời gian của các thiết bị bảo vệ có liên quan
Có thể kiểm tra tình trạng hoạt động của các thiết bị bảo vệ hiện tại và đề xuất giá trị cài đặt mới nhằm tối ưu hóa sơ đồ phối hợp.
3.5.2.7 Bài toán phân tích sóng hài (Hamornics)
Hỗ trợ phân tích các vấn đề ảnh hưởng của họa tần bậc cao đến hệ thống phân phối tại tất cả các nút và nhánh trong hệ thống
3.5.2.8 Bài toán phân tích độ tin cậy trên lưới điện (DRA – Distribution
Tính toán các thông số độ tin cậy trên lưới điện như :
+ SAIFI: chỉ tiêu tần suất mất điện trung bình của hệ thống
+ SAIDI: chỉ tiêu thời gian ngừng cung cấp điện trung bình của hệ thống
+ CAIFI: chỉ tiêu tần suất mất điện trung bình của khách hàng
+ CAIDI: chỉ tiêu thời gian mất điện trung bình của khách hàng
+ ASAI: chỉ tiêu khả năng sẵn sàng vận hành
+ AENS: chỉ tiêu điện năng trung bình không được cung cấp …
