Nghiên cứu thuật toán tái cấu hình lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng

TỔNG QUAN BÀI TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI PHÂN PHỐI

Khái niệm về lưới điện phân phối

Hệ thống điện (HTĐ) là một mạng lưới bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp cùng với các đường dây truyền tải và phân phối điện, có chức năng sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng.

Một vài khái niệm về lưới điện phân phối:

Lưới phân phối là hệ thống điện năng có nhiệm vụ chuyển tải điện từ các trạm trung gian, như trạm biến áp hoặc thanh cái của nhà máy điện, đến các phụ tải tiêu thụ.

Lưới điện phân phối bao gồm toàn bộ các đường dây và trạm biến áp có điện áp từ 35kV trở xuống, cũng như các đường dây và trạm biến áp 110kV Chức năng chính của hệ thống này là phân phối điện đến tay người tiêu dùng.

Các đặc điểm và yêu cầu của lưới điện phân phối

(1) Đặc điểm của lưới phân phối

Lưới phân phối trung áp tại Việt Nam hoạt động với các mức điện áp 6, 10, 15, 22 và 35 kV, cung cấp điện cho các trạm phân phối trung hạ áp Đồng thời, lưới hạ áp 380/220V đảm bảo cấp điện cho các phụ tải hạ áp một cách hiệu quả.

Một số đặc điểm chính của lưới điện phân phối:

Mạng điện phân phối trực tiếp cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, vì vậy nó trải rộng khắp các khu vực phụ tải, khác với mạng điện truyền tải Số lượng thiết bị và đường dây trong mạng điện phân phối nhiều hơn đáng kể so với lưới truyền tải.

Lưới điện phân phối thường xuyên điều chỉnh phương án vận hành để đảm bảo cung cấp điện liên tục cho phụ tải Vì lý do này, lưới điện phân phối thường trang bị nhiều thiết bị đóng cắt hơn so với lưới truyền tải.

- Đặc điểm quan trọng của mạng điện phân phối đó là có cấu trúc hình tia, mạch vòng kín nhưng thường vận hành hở;

(2) Lưới điện phân phối mạch vòng kín vận hành hở

Việc lưới điện phân phối phải vận hành hở lưới phân phối xuất phát từ những đặc trưng của lưới phân phối:

Số lượng phần tử trong lưới phân phối, bao gồm 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.

Tổng trở của lưới điện phân phối trong chế độ vận hành hở cao hơn nhiều so với chế độ vận hành vòng kín, dẫn đến dòng ngắn mạch nhỏ hơn khi xảy ra sự cố Do đó, việc lựa chọn thiết bị đóng cắt với khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch và dòng cắt ngắn mạch thấp giúp giảm đáng kể mức đầu tư.

Trên lưới phân phối, khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ và trong phạm vi hạn chế, do đó, khi xảy ra sự cố, thiệt hại do gián đoạn cung cấp điện thường thấp hơn so với sự cố trên lưới điện truyền tải.

Trong hệ thống vận hành hở, việc sử dụng các relay bảo vệ đơn giản như relay quá dòng và relay thấp áp giúp giảm thiểu chi phí đầu tư, vì không cần trang bị các loại relay phức tạp như relay có hướng hay khoảng cách Điều này không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc phối hợp bảo vệ relay mà còn làm cho quy trình vận hành trở nên dễ dàng hơn.

Để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên cùng một đoạn trục, bạn chỉ cần sử dụng cầu trì tự rơi (FCO) hoặc cầu trì tự rơi kết hợp cắt có tải (LBFCO) Việc phối hợp với Recloser sẽ giúp ngăn chặn các sự cố thoáng qua hiệu quả.

- Khi sự cố, do vận hành hở, nên sự cố không lan tràn qua các phụ tải khác;

Với thiết kế vận hành hở, việc điều chỉnh điện áp trên từng tuyến dây trở nên đơn giản hơn, giúp giảm thiểu phạm vi mất điện trong quá trình xử lý sự cố.

- Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới phân phối, thì phương án kinh tế là lưới hình tia

Lưới điện phân phối được thiết kế với đặc trưng kín nhưng lại vận hành theo phương thức hở, nhằm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật trong hệ thống điện.

(3) Các yêu cầu đối với lưới điện phân phối

Một số yêu cầu kỹ thuật cơ bản đối với lưới điện phân phối như sau:

- Đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật vận hành: Độ biến thiên điện áp, độ biến thiên tần số, sóng hài, độ tin cậy cung cấp điên, v.v… ;

- Đảm bảo điều kiện quá tải cho các thiết bị;

- Khi thiết kế lưới điện phân phối vận hành dễ dàng linh hoạt và phù hợp với việc phát triển lưới điện trong tương lai;

- Việc duy tu bảo dưỡng cho lưới phân phối phải đảm bảo chi phí nhỏ nhất.

Các thiết bị phân đoạn trên lưới phân phối trung áp

Để nâng cao độ tin cậy và giảm thời gian gián đoạn cung cấp điện trong phân đoạn lưới phân phối, ngoài các thiết bị truyền thống như dao cách ly và cầu dao phụ tải, người ta còn áp dụng các thiết bị tự động như máy cắt, dao cách ly tự động và máy cắt tự động đóng lại (Recloser).

Việc lựa chọn thiết bị tự động trong hệ thống cung cấp điện cần xem xét nhiều yếu tố như sơ đồ nối dây, thiết bị, hình thức bảo vệ, và trình độ vận hành Tất cả những yếu tố này phải được phối hợp hài hòa để đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm chi phí đầu tư.

Hệ thống DAS (Distributed Automation System) là giải pháp phân phối điện tự động do máy tính điều hành So với các hệ thống phân phối điện trung áp truyền thống, DAS mang lại nhiều lợi ích vượt trội nhờ vào khả năng tự động hóa, giám sát và điều khiển từ xa, giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của lưới điện.

DAS cung cấp khả năng điều khiển và giám sát từ xa các dao cách ly phân đoạn tự động, giúp phối hợp hiệu quả giữa các điểm phân đoạn trên lưới điện phân phối trung áp Nhờ vào hệ thống này, việc cô lập nhanh chóng các phân đoạn gặp sự cố trở nên dễ dàng, từ đó khôi phục cung cấp điện cho các phần còn lại của hệ thống không bị ảnh hưởng.

Lưới phân phối trung áp sử dụng hệ thống DAS có khả năng cách ly sự cố và khôi phục nguồn điện cho các phân đoạn không bị ảnh hưởng một cách nhanh chóng Điều này mang lại độ tin cậy cao cho lưới điện phân phối trung áp, giúp duy trì cung cấp điện ổn định và hiệu quả.

Chi phí đầu tư cao và tình trạng lưới điện phân phối trung áp ở Việt Nam chắp vá, thiếu đồng bộ đang khiến việc triển khai hệ thống DAS vẫn chỉ ở giai đoạn nghiên cứu khả thi Tuy nhiên, sự phát triển công nghệ và yêu cầu ngày càng cao về độ tin cậy và chất lượng điện năng của các phụ tải cho thấy xu hướng lắp đặt hệ thống DAS là điều tất yếu.

(2) Recloser (Máy cắt tự động đóng lại)

Trên lưới điện phân phối, Recloser đóng vai trò quan trọng trong việc tự động cắt và khôi phục cấp điện khi xảy ra sự cố Khi sự cố xảy ra, Recloser sẽ cắt phân đoạn gặp sự cố và tự động đóng lại sau một thời gian xác định Nếu sự cố là thoáng qua, điện sẽ được khôi phục, trong khi nếu là sự cố vĩnh cửu, Recloser sẽ tách phân đoạn đó ra khỏi lưới điện Việc cung cấp điện vẫn tiếp tục từ đầu nguồn đến các phân đoạn không bị ảnh hưởng Đặc biệt, trên đường dây trên không, tỷ lệ sự cố thoáng qua rất cao do nhiều nguyên nhân như phóng điện chuỗi sứ hay dây dẫn chạm nhau Do đó, việc sử dụng Recloser mang lại hiệu quả cao cho lưới trung áp trên không.

Việc sử dụng Recloser giúp khôi phục cung cấp điện nhanh chóng trong các sự cố thoáng qua, từ đó giảm thiểu thiệt hại kinh tế do mất điện Mặc dù có giá thành cao, nhưng việc lắp đặt và vận hành Recloser khá đơn giản, nên thiết bị này đã được áp dụng rộng rãi trên lưới điện phân phối tại Việt Nam.

(3) Dao cách ly tự động (DCLTĐ)

Dao cách ly tự động (DCLTĐ) khác với dao cách ly truyền thống nhờ vào việc tích hợp thiết bị điều khiển thời gian trễ (FDR - Fault Detection Relay) Khi có sự cố xảy ra trên đường dây phân phối có DCLTĐ, máy cắt đầu nguồn sẽ ngắt điện và tất cả DCLTĐ trên tuyến sẽ tự động cắt, tạo ra tình trạng không điện áp Sau khi máy cắt được đóng lại, điện sẽ được cấp thử nghiệm lần lượt qua các cầu dao từ đầu nguồn, và khi điện đến phân đoạn gặp sự cố, máy cắt sẽ ngắt điện một lần nữa, từ đó xác định chính xác phân đoạn có sự cố.

Trong phân đoạn này, DCLTĐ sẽ tự động khóa lại để cô lập sự cố, giúp quá trình cung cấp điện cho các phân đoạn còn lại diễn ra tự động Nhờ đó, DCLTĐ mang lại lợi ích trong việc giảm thời gian tìm kiếm và xác định sự cố, cũng như thời gian gián đoạn cung cấp điện.

DCLTĐ vẫn phải đóng cắt không tải, dẫn đến việc chuyển tải và tái cấu hình lưới điện gặp khó khăn, gây ra tình trạng mất điện không cần thiết Điều này làm giảm độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện Hiện tại, DCLTĐ chưa được áp dụng rộng rãi trong lưới điện phân phối trung áp của Việt Nam.

Cầu dao cách ly (DCL) là thiết bị không có bộ phận dập hồ quang, yêu cầu phải đảm bảo không có điện khi đóng hoặc cắt Khi xảy ra sự cố trên đường dây phân phối có DCL, máy cắt đầu nguồn sẽ tự động ngắt, ngừng cung cấp điện cho phụ tải Việc xác định vị trí sự cố bắt đầu từ cuối đường dây và tiến ngược về đầu dây Trong thời gian mất điện, DCL ở phân đoạn cuối sẽ được cắt ra bằng thao tác thủ công tại chỗ Sau khi máy cắt đầu dây được đóng lại, nếu sự cố nằm ở phân đoạn cuối, máy cắt sẽ không ngắt nữa và các phân đoạn còn lại sẽ được khôi phục điện Nếu sự cố không ở đây, quá trình loại trừ sự cố sẽ tiếp tục bằng cách tách các phân đoạn trước đó cho đến khi tìm ra phân đoạn gặp sự cố Cuối cùng, máy cắt đầu dây sẽ được đóng lại để cung cấp điện cho các phân đoạn còn lại.

Do nhược điểm không thể điều khiển từ xa và phải cắt điện đầu nguồn để thao tác DCL tại chỗ, quá trình này tốn thời gian, đặc biệt khi gặp sự cố trên đường dây Nếu không phát hiện được bằng mắt, việc đóng cắt thử từng DCL để cách ly điểm sự cố sẽ kéo dài thời gian xử lý Hơn nữa, việc phải đóng cắt máy cắt nhiều lần cũng làm giảm tuổi thọ và độ ổn định cung cấp điện Tuy nhiên, vì lý do kinh tế và yêu cầu độ tin cậy trong cung cấp điện, DCL vẫn được sử dụng phổ biến, đặc biệt ở các vùng ngoại thành và nông thôn.

(5) Cầu dao phụ tải (CDPT)

Cầu dao phụ tải (CDPT) là thiết bị thiết yếu trong lưới điện phân phối, cho phép đóng và cắt dòng điện phụ tải mà không cần cắt điện, giúp tránh mất điện không cần thiết Mặc dù CDPT không thể kết hợp với các thiết bị điều khiển từ xa và bảo vệ, dẫn đến thời gian thao tác lâu hơn khi xử lý sự cố, nhưng ưu điểm của nó là khả năng đóng cắt có tải và giá thành thấp Chính vì vậy, CDPT được ưa chuộng hơn DCL trong các trường hợp ngừng điện kế hoạch trên lưới điện phân phối tại Việt Nam.

Tổn thất trên lưới điện phân phối

Theo thống kê từ các công ty điện lực, tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối thường cao gấp 1,5-2 lần so với tổn thất trên đường dây truyền tải Lượng điện năng tổn thất chủ yếu tập trung vào hai loại: tổn thất kỹ thuật và tổn thất thương mại.

Tổn thất kỹ thuật trên lưới điện phân phối chủ yếu xảy ra trên dây dẫn và máy biến áp phân phối, bao gồm tổn thất công suất tác dụng và tổn thất công suất phản kháng Tổn thất công suất phản kháng chủ yếu do từ thông rò và cảm kháng trên đường dây, ảnh hưởng ít đến tổn thất điện năng Ngược lại, tổn thất công suất tác dụng có tác động đáng kể đến tổn thất điện năng, và thành phần này được tính toán cụ thể để đánh giá hiệu quả của hệ thống điện.

Tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp tại thời điểm t, ký hiệu là P(t), được tính toán thông qua phương pháp dòng điện đẳng trị, dựa vào đồ thị phụ tải hoặc thời gian sử dụng công suất lớn nhất Tổn thất này bao gồm tổn thất sắt do dòng điện Foucault trong lõi thép và tổn thất đồng do hiệu ứng Joule trong máy biến áp Các nguyên nhân chính gây ra những loại tổn thất này cần được xác định để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.

- Đường dây phân phối quá dài, bán kính cấp điện lớn;

- Tiết diện dây dẫn quá nhỏ, đường dây bị xuống cấp, không được cải tạo nâng cấp;

- Máy biến áp phân phối thường xuyên mang tải nặng hoặc quá tải;

- Máy biến áp là loại có tỷ lệ tổn thất cao hoặc vật liệu lõi từ không tốt dẫn đến sau một thời gian tổn thất tăng lên;

- Vận hành không đối xứng liên tục dẫn đến tăng tổn thất trên máy biến áp;

- Nhiều thành phần sóng hài của các phụ tải công nghiệp tác động vào các cuộn dây máy biến áp làm tăng tổn thất;

- Vận hành với hệ số cos thấp do thiếu công suất phản kháng

Tổn thất thương mại: Là tổn thất trong khâu kinh doanh điện năng, bao gồm:

- Trộm điện (câu, móc trộm);

- Không thanh toán hoặc chậm thanh toán hóa đơn tiền điện;

- 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 trong ngành điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cơ chế quản lý, quy trình hành chính và hệ thống công tơ đo đếm Ngoài ra, ý thức của người sử dụng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tổn thất này Bên cạnh đó, năng lực và công cụ quản lý của các Điện lực, như máy móc, máy tính và phần mềm quản lý, cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả quản lý tổn thất phi kỹ thuật.

I.4.1 Các biện pháp giảm tổn thất công suất và bài toán tái cấu hình

Tổn thất trên lưới phân phối bao gồm hai loại chính: tổn thất kỹ thuật và tổn thất thương mại Để giảm thiểu tổn thất thương mại, cần tiến hành các biện pháp đồng thời với việc giảm tổn thất kỹ thuật.

Các biện pháp chính để giảm tổn thất kỹ thuật trong lưới điện phân phối có thể được liệt kê như sau:

1 Nâng cao điện áp vận hành của lưới điện;

2 Bù kinh tế trong lưới phân phối trung áp bằng tụ điện;

3 Tăng tiết diện dây dẫn, giảm bán kính cấp điện;

4 Chọn đúng dây dẫn để giảm tổn thất vầng quang;

5 Cải tiến cấu trúc và vật liệu để sản xuất các thiết bị điện có tổn thất nhỏ (vật liệu siêu dẫn cách điện có chất lượng cao…);

6 Một số các biện pháp kỹ thuật cần được thực hiện trong các giai đoạn thiết kế-quy hoạch hoặc cải tạo, đầu tư xây dựng công trình;

7 Áp dụng lưới điện linh hoạt cho lưới hệ thống và hệ thống phân phối điện có điều khiển tự động cho lưới phân phối trung áp;

8 Hạn chế vận hành không đối xứng;

9 Tái cấu hình lưới điện

Biện pháp tái cấu hình lưới điện thông qua việc điều chỉnh các thiết bị chuyển mạch là một giải pháp hiệu quả để giảm tổn thất công suất và điện năng mà không cần đầu tư vốn Phương pháp này giúp cân bằng tải giữa các tuyến, từ đó giảm đáng kể tổn thất điện năng Do đó, tái cấu hình lưới phân phối đã trở thành một vấn đề được nghiên cứu và áp dụng mạnh mẽ nhằm nâng cao hiệu quả vận hành.

Bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối

I.5.1 Mô hình toán học bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối Để giải quyết bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối, trước tiên phải xây dựng hàm mục tiêu Khi thay đổi tái cấu hình lưới điện có rất nhiều hàm mục tiêu khác nhau, như mục tiêu cực tiểu hóa tổn thất công suất trên toàn hệ thống, mục tiêu đảm bảo chất lượng điện áp, v.v…

Vấn đề tái cấu hình hệ thống điện tương tự như các bài toán tối ưu khác, như phân bố công suất, tìm vị trí và dung lượng bù tối ưu Tuy nhiên, bài toán này yêu cầu khối lượng tính toán lớn do nhiều biến số ảnh hưởng đến trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành Lưới điện phân phối cần vận hành hở, không vượt quá tải trọng của máy biến áp, đường dây và thiết bị đóng cắt, đồng thời đảm bảo sụt áp tại các hộ tiêu thụ điện nằm trong giới hạn cho phép.

Mạng phân phối đặc trưng thường có cấu trúc vòng nhưng hoạt động theo hình tia, điều này cho phép tối ưu hóa hiệu suất Một trong những thách thức chính là quản lý việc đóng mở các khóa trong từng vòng để giảm thiểu tổn thất công suất Để đạt được mục tiêu này, cần phát triển một hàm mục tiêu giúp tìm kiếm cấu hình tối ưu với tổn thất công suất thấp nhất.

Tái cấu hình lưới điện được xem như một bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc, trong đó dòng công suất chạy trên các nhánh của lưới điện là yếu tố chính Bài toán này tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và hiệu suất của hệ thống điện, nhằm nâng cao khả năng cung cấp điện và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

Thõa mãn các điều kiện ràng buộc:

N: số nút tải có trên lưới

Sij : dòng công suất trên nhánh ij

Sj : nhu cầu công suất điện tại nút j ΔVij : sụt áp trên nhánh ij

Sft : dòng công suất trên đường dây ft

Công suất máy biến áp t được ký hiệu là St, trong khi các đường dây cung cấp điện từ máy biến áp t được ký hiệu là ft Giá trị λft sẽ là 1 nếu đường dây ft đang hoạt động và 0 nếu đường dây ft không hoạt động.

Hàm mục tiêu (2) phản ánh tổng tổn thất công suất trên lưới phân phối, có thể 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 (2.1) đảm bảo cung cấp đủ công suất cho các phụ tải, trong khi biểu thức (2.2) và (2.3) thiết lập điều kiện chống quá tải tại trạm trung gian và sụt áp tại nơi tiêu thụ Biểu thức (2.4) đảm bảo các trạm biến thế hoạt động trong giới hạn công suất cho phép, và biểu thức (2.5) xác định rằng mạng điện vận hành với cấu hình tia Từ đó, tái cấu trúc hệ thống lưới điện phân phối trở thành bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc, với hàm mục tiêu bị gián đoạn, gây khó khăn cho việc giải quyết bằng phương pháp toán học truyền thống, nhất là trong trường hợp lưới điện không cân bằng.

I.5.2 Các giả thiết trong bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối a Không xét đến các thiết bị phản kháng Để giảm tính phức tạp của bài toán, khi giải bài toán tái cấu hình không xét đến ảnh hưởng của các thiết bị bù trên lưới Sau khi tính cấu hình xong, bài toán lại quay lại tính toán bù và vị trí bù mới tương ứng với cấu hình mới là một trong những đề xuất được nhiều tác giả đề cập trong các bài báo đã được công bố b Các thao tác đóng/cắt để trên lưới không gây mất ổn định của hệ thống điện c Điện áp tại các nút tải không thay đổi và có giá trị xem bằng Uđm d Độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối được xem là không đổi khi cấu hình lưới thay đổi

I.5.3 Các mục tiêu khi xét đến bài toán tái cấu hình lưới điện

Khi tái cấu hình lưới điện, có nhiều mục tiêu khác nhau như giảm tổn thất, đảm bảo chất lượng điện áp và giảm dòng ngắn mạch Những hàm mục tiêu này nhằm tối ưu hóa phương thức vận hành cho lưới phân phối.

Lưới phân phối trung áp thường có nhiều phụ tải và công suất lớn, đặc biệt ở khu vực đông dân cư và nội thành Dòng công suất truyền tải lớn nhưng điện sử dụng lại không cao, dẫn đến dòng điện trên dây dẫn cao gây hiệu ứng tỏa nhiệt lớn Trong thời điểm cao điểm, nhiệt độ dây dẫn có thể tăng, làm tăng tổng trở, tăng tổn thất và giảm khả năng tải của đường dây.

Tổn thất công suất do quá tải cục bộ và phân phối trào lưu công suất không hợp lý gây ra ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng tải và chất lượng điện năng của lưới điện phân phối trung áp Hàng năm, lượng tổn thất này dẫn đến sự giảm sút đáng kể trong hiệu quả sử dụng điện Do đó, việc lựa chọn điểm phân đoạn hợp lý trong thiết kế và vận hành hệ thống điện để giảm thiểu tổn thất công suất là một vấn đề quan trọng cần được chú trọng.

Hiện nay, việc giảm tổn thất trên lưới phân phối đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu, với nhiều biện pháp được đề xuất Trong số đó, lựa chọn điểm phân đoạn hợp lý để tái cấu hình lưới phân phối theo các hàm mục tiêu khác nhau được đánh giá cao và có chi phí thấp.

Trong phạm vi luận văn này chỉ xét đến mục tiêu tiêu giảm công suất tác dụng cho bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối

Tóm tắt một số phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối

(1) Thuật toán cắt vòng kín [1]

Giải thuật của Merlin và Back đề xuất đóng tất cả các khóa điện để tạo thành một vòng kín, sau đó giải bài toán phân bố công suất và mở lần lượt các khóa có dòng chạy qua nhỏ nhất, nhằm biến lưới điện thành hình tia Họ cho rằng trong mạch vòng, lưới điện phân phối luôn có tổn thất công suất thấp nhất Để đạt được trạng thái vận hành hở, Merlin và Back loại bỏ các nhánh có tổn thất công suất nhỏ nhất cho đến khi lưới điện đạt trạng thái mong muốn Tuy nhiên, các giải thuật tìm kiếm nhánh và biên sử dụng kỹ thuật heuristic này có thể tốn thời gian, với khả năng xảy ra đến 2n cấu hình nếu có n đường dây trang bị khóa điện Hình I.1 minh họa giải thuật của Merlin và Back, được bổ sung bởi Shirmohammadi.

Hình 1.1 Giải thuật của Merlin và Back

Giải thuật này khác biệt so với các giải thuật gốc của Merlin và Back ở chỗ nó xem xét điện thế của trạm trung gian cùng với các yếu tố liên quan đến dòng điện.

Giải thuật của Merlin và Back, được chỉnh sửa bởi Shirmhammad, là lần đầu tiên áp dụng kỹ thuật bơm vào và rút ra công suất không đổi để mô phỏng thao tác thay đổi cấu hình của lưới điện phân phối Mặc dù hoạt động hở về mặt vật lý, nhưng về mặt toán học lại được coi là mạch vòng Dòng công suất bơm vào và rút ra là một đại lượng liên tục Tuy nhiên, sau khi chỉnh sửa, kỹ thuật này vẫn còn nhiều nhược điểm cần khắc phục.

- Mặc dù đã áp dụng các kỹ thuật tìm kiếm kinh nghiệm, giải thuật này vẫn cần nhiều thời gian để tìm cấu hình giảm tổn thất công suất;

- Tính chất không cân bằng và nhiều nhiều pha chưa được mô phỏng đầy đủ;

- Tổn thất công suất của máy biến áp chưa được xét đến trong giải thuật

Phương pháp kỹ thuật đổi nhánh (Branch exchange method) hoạt động dựa trên giả thuyết lưới phân phối có cấu hình hình tia, trong đó một khóa điện đóng lại và một khóa điện khác mở ra để duy trì cấu hình này Việc lựa chọn cặp khóa điện dựa vào kinh nghiệm và công thức xấp xỉ nhằm đánh giá sự thay đổi tổn thất trong mỗi lần thay đổi trạng thái Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi không còn khả năng giảm tổn thất nữa.

Phương pháp này đòi hỏi việc phân tích và đánh giá dòng công suất trong toàn bộ hệ thống tại thời điểm tính toán Sự biến đổi tổn thất công suất do thay đổi trạng thái đóng cắt của cặp khóa điện được tính toán thông qua một công thức cụ thể.

- D : là tập các nút tải được dự kiến chuyển tải

- Ii : dòng điện tiêu thụ của nút thứ i

- EM : tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút M

- EN : tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút N

- Rloop : tổng trở các điện trở trên vòng kín khi đóng khóa điện đang mở

Giải thuật của Civanlar dựa trên kinh nghiệm (Heuristic) để tái cấu hình lưới điện phân phối, lưu đồ mô tả giải thuật được trình bày tại Hình I.2

Giải thuật của Civanlar được đánh giá cao nhờ xác định được 2 quy luật để 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 thiểu tổn thất bằng cách thực hiện chuyển tải từ phía có độ sụt áp lớn sang phía có độ sụt áp nhỏ hơn.

Hình 1.2 Sơ đồ giải thuật Civanlar Các ưu điểm của giải thuật:

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 các quy tắc Heuristic.

- Việc xác định dòng tải tương đối chính xác

- 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;

- Việc tái cấu hình hệ thống phụ thuộc vào cấu hình xuất phát ban đầu

(3) Thuật toán tìm ngược Backtracking [3]

Thuật toán Backtracking, được nghiên cứu và phát triển bởi Thomas E MacDermott vào năm 1998, là một phương pháp quan trọng trong việc mở lần lượt các thiết bị đóng cắt phân đoạn Phương pháp này có sự khác biệt so với thuật toán cắt vòng kín của Shirmohammadi, bởi vì nó bắt đầu từ một hướng ngược lại.

Thuật toán Backtracking gồm các bước như sau:

Bước 1: Mở tất cả các khóa điện, mỗi khóa điện được xem là một kết nối giữa các phụ tải với nhau hay giữa nguồn với phụ tải

Bước 2: Kết nối từng phụ tải vào hệ thống thông qua một khóa điện duy nhất đang ở trạng thái đóng Các phụ tải có thể lựa chọn nguồn điện phù hợp để giảm thiểu tổn thất công suất.

Bước 3: Sau khi được kết nối vào hệ thống, tải sẽ trở thành nguồn cho các tải kế tiếp để xem xét kết nối Điều này đảm bảo rằng mỗi tải chỉ nhận điện từ một nguồn duy nhất, tuân thủ điều kiện cấu hình vận hành hình tia.

Quá trình hình thành lưới điện sẽ hoàn tất khi tất cả các phụ tải được cung cấp điện, trong khi các khóa điện mở vẫn còn tồn tại trong hệ thống.

Phương pháp của Thomas E MacDermott đã được chứng minh là hiệu quả qua việc giải quyết các bài toán mẫu như Civanlar với hai nguồn và ba nguồn, bài toán Glamocanin, cũng như bài toán Baran và Wu Kết quả thu được từ phương pháp này trùng khớp với các phương pháp khác, khẳng định tính chính xác và độ tin cậy của thuật toán.

Phương pháp này gặp khó khăn khi áp dụng cho lưới điện phân phối lớn với nhiều nút và nguồn cung cấp, do cần phải tính toán và phân tích kết quả cho từng nhánh và nút trong lưới Điều này dẫn đến khối lượng tính toán lớn và thời gian đưa ra kết quả chậm.

(4) Thuật toán tìm kiếm cấu hình lưới điện phân phối có tổn thất công suất nhỏ nhất [4]

Thuật toán do F Vanderson Gomes nghiên cứu và phát triển vào năm 2004, được thiết kế đặc biệt cho hệ thống lưới điện phân phối quy mô lớn Bắt đầu với giả thuyết tất cả các khóa điện đều đóng, thuật toán quyết định mở khóa dựa trên kết quả tính toán trào lưu công suất, nhằm giảm thiểu tổng tổn thất công suất tác dụng trong lưới Phương pháp này bao gồm hai giai đoạn.

Trong giai đoạn 1, các khóa được mở lần lượt cho đến khi lưới hình thành dạng tia Đồng thời, trong quá trình mở khóa, danh sách các khóa liền kề với khóa được mở sẽ được ghi lại.

Kết luận và nhận xét

Mô hình bài toán tái cấu hình lưới điện có không gian nghiệm lớn và số lượng bước giải phức tạp, đặc biệt là ma trận trạng thái của các khóa lưới điện Để tìm ra cấu hình lưới điện tối ưu, cần áp dụng các giải thuật hiệu quả, giúp đạt được nghiệm tối ưu với tốc độ giải quyết nhanh chóng.

Trong mục I.6, các phương pháp trình bày được tính toán dựa trên lưới phân phối của Brazil, bao gồm hai nguồn điện Nguồn thứ nhất cung cấp cho 258 nút phụ tải với công suất tác dụng 5140 KW và công suất phản kháng tổng cộng là 1949 kvar Nguồn thứ hai phục vụ 218 nút phụ tải với công suất tác dụng 3874 KW và công suất phản kháng là 1948 kvar, trong khi tổn thất ban đầu là 202,09.

Tổn thất cuối cùng (KW) Độ giảm tổn thất so với kết quả tổn thất ban đầu

Bảng 1.1 so sánh kết quả của các phương pháp

Phương pháp (4) đã đạt được kết quả ấn tượng với mức giảm tổn thất lên tới 21% so với tổng tổn thất ban đầu Trong khi đó, các phương pháp như Thuật toán cắt vòng kín [1], Thuật toán đổi nhánh [2] và Thuật toán tìm ngược Backtracking chỉ giúp giảm tổn thất chưa đến 5%.

Phương pháp của F Vanderson Gomes mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc tái cấu hình lưới không bị ảnh hưởng bởi trạng thái của các khóa trong lưới ban đầu Ngoài ra, phương pháp này cho kết quả lưới phân phối hình tia tối ưu, đồng thời giảm thiểu số lượng phương án và khối lượng tính toán cần thiết trong quá trình lựa chọn.

Trong bài viết này, tác giả giới thiệu thuật toán tìm kiếm cấu hình lưới điện phân phối nhằm giảm thiểu tổn thất công suất Bài viết cũng cung cấp ví dụ minh họa dựa trên lưới điện mẫu IEEE và áp dụng tính toán cho lưới điện phân phối trung áp tại quận Tây Hồ, TP Hà Nội.

TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT

Hệ phương trình cân bằng công suất nút

Trong quá trình tính toán chế độ xác lập, thường chỉ có công suất nút mà không biết dòng điện nút, vì vậy hệ phương trình cần được chuyển đổi sang dạng cân bằng công suất nút để thực hiện tính toán chính xác.

Từ hệ phương trình cân bằng dòng nút ta có: i i = ∑ Ẏ ij U̇ j j

Ẏ ij = Yij∠θ ij = Gij + jBij

Pi – jQi = Û i ∑ n j=1 Y ij ̇ U̇ j = ∑ n j=1 Y ij U i U j ∠(θ ij + δ j − δ i )

Nếu tách riêng số hạng j = i ra ta được:

Pi = Ui 2.Gii + ∑ n j=1 Y ij U i U j cos(θ ij + δ j − δ i ) j≠i

Hệ phương trình cân bằng công suất nút trong hệ thống được biểu diễn bằng công thức Qi = - Ui 2.Bii - ∑ n j=1 Y ij U i U j sin(θ ij + δ j − δ i ) j≠i Đây là một hệ phương trình phi tuyến, và để giải quyết nó, phương pháp lặp có thể được áp dụng.

Mỗi nút của hệ thống có 2 phương trình thực và được xác định bằng 4 thông số:

Bài toán chuẩn cho ta biết trước 2 biến thực ở mỗi nút Hai điều kiện cần có là:

- Cần cho trước góc pha điện áp ở một nút nào đó

Không thể xác định công suất P (hoặc Q) tại tất cả các nút trong hệ thống, ngoại trừ nút trung tính - nơi có công suất bằng 0 Do đó, cần có ít nhất một nút không được xác định công suất, được gọi là nút cân bằng công suất.

Tùy vào các thông số đã cho trước, 1 lưới điện sẽ gồm 3 loại nút, ứng với 3 loại dữ liệu về nút đó:

1 Nút phụ tải hay nút PQ :

+ Nút này cho trước P và Q

Nút PQ trong hệ thống điện bao gồm các nút tải có khả năng xác định công suất tiêu thụ trong mọi chế độ làm việc, bên cạnh đó còn có các nút trung gian với công suất bằng 0 (P0, Q = 0) Ngoài ra, nó cũng bao gồm các nút nguồn phát bù, cung cấp công suất P và Q cố định theo yêu cầu, cùng với các nút bù công suất phản kháng với P = 0 và Q là hằng số.

2 Nút nguồn điều khiển điện áp hay nút PV :

+ Nút này cho trước P và mô đun điện áp U

Nút PV giữ ổn định điện áp, thường bao gồm các nút nguồn điện lớn với thiết bị tự động điều chỉnh kích từ, hoặc các nút bù công suất phản kháng nhằm duy trì điện áp.

+ Các nút PV thường kèm theo 1 ràng buộc về nguồn công suất phản kháng:

+ Nút cân bằng cho trước điện áp và góc pha, thường cho δ = 0

Nút cân bằng là một thành phần quan trọng trong hệ thống điện, có chức năng điều chỉnh tần số và điện áp Nút này phát ra công suất P và Q thay đổi để duy trì tần số ổn định cho toàn bộ hệ thống điện.

Phương pháp Newton-Raphson

Phương pháp Newton - Raphson được sử dụng phổ biến để giải các phương trình dòng công suất trong hệ thống điện

II.2.1 Cơ sở toán học a, Trường hợp có một ẩn số

Để xác định nghiệm thực của phương trình phi tuyến y = f(x), chúng ta áp dụng phương pháp Newton-Raphson Phương pháp này sử dụng tính toán lặp từ một biến trạng thái ban đầu được chọn để tìm ra nghiệm của phương trình f(x) = 0.

Bắt đầu từ điểm M0 với x0 gần nghiệm thực, ta thay thế đường cong lân cận tại M0 bằng đường tiếp tuyến tại điểm đó, thực hiện quá trình tuyến tính hóa Nghiệm của đường thẳng tiếp tuyến được xác định bởi công thức y – y0 = f’(x0).(x – x0), từ đó cho phép tính x1, xấp xỉ của nghiệm thực, theo công thức: x1 = -y0 + x0.

Từ điểm x1, ta xác định được điểm M1(x1, y1) gần nghiệm thực Tiếp theo, ta thay thế đường cong f(x) bằng đường thẳng tiếp tuyến tại M1, từ đó tìm ra x2 là xấp xỉ mới, cụ thể là x2 = -y1 + x1 (2.2).

(x1) Tiếp tục thực hiện bước trên đến khi tìm được xấp xỉ thứ (k+1) là xk+1 từ

𝑓 (𝑥𝑘) 𝑓′ (𝑥𝑘) + xk ( 2.3) Như vậy, để giải phương trình đã cho, phương trình lặp cần giải là: f’(xk)Δxk = - f(xk) (2.4)

Δxk được xác định bởi công thức Δxk = xk+1 – xk (2.5) Với mỗi giá trị xk, Δxk hoàn toàn xác định, do đó ta có thể tính xấp xỉ tiếp theo xk+1, với điều kiện cần lưu ý là f’(xk) phải khác không.

Hình 2.1 Minh họa phương pháp Newton Raphson

1 Hệ phương trình phi tuyến

Xét hệ phương trình phi tuyến F(x) có nhiểu biến trạng thái X = [x1 x2…xn] T như sau:

Khai triển Taylor các hàm fi(X) (bỏ đi các thành phần bậc cao – tuyến tính hóa), ta có:

Hệ phương trình lặp tổngquát thỏa mãn điều kiện detJ ≠ 0 có dạng:

- F’(X(k)) là ma trận Jacobi của hệ

- ΔX(k) là vector sai số biến trạng thái

Để quá trình lặp dừng lại, điều kiện cần thiết là F(X) = 0 Tuy nhiên, vì X chỉ là nghiệm gần đúng của hệ phương trình, nên quá trình lặp sẽ kết thúc khi đạt được điều kiện |F(Xk+1)| ≤ ε, với ε được chọn đủ nhỏ.

Hình 2.2 Sơ đồ khối phương pháp Newton Raphson j=1

2.Ứng dụng trong giải tích lưới điện

Xét hệ thống có n+1 nút (trừ nút cơ sở):

Nếu đường dây nối giữa nút i và j có tổng dẫn nối tiếp là

Y ij ̇ = Yij∠𝜃 𝑖𝑗 = Gij + jBij Điện áp nút được biểu diễn dưới dạng:

Công suất phức liên hợp tại nút i

Pi – jQi = Û i ∑ n j=1 Y ij ̇ U̇ j =∑ 𝑛 𝑗=1 𝑌 𝑖𝑗 𝑈 𝑖 𝑈 𝑗 ∠(𝜃 𝑖𝑗 + 𝛿 𝑗 − 𝛿 𝑖 ) (2.10) Khai triển phương trình (2.9) và cân bằng phần thực và ảo ta có:

Tách riêng thành phần i của (8) và (9) ta có:

Công suất phản kháng và công suất tác dụng có sự khác biệt rõ ràng, với công suất phản kháng và tác dụng đã cho được tính toán theo công thức ΔPi = Pi,d – Pi,t và ΔQi = Qi,d – Qi,t ở bất kỳ bước lặp nào.

- Pi,d và Qi,d là công suất tác dụng và phản kháng đã cho ở nút i

- Pi,t và Qi,t là công suất tác dụng và phản kháng tính được tại nút i theo công thức (10) và (11)

Trong hệ thống n+1 nút, nút cân bằng được đánh số 0 và có các giá trị đã biết là U0 và δ0 Các nút còn lại trong lưới điện bao gồm n nút PQ và n nút PV.

- Các nút P,V không cho Q nên ta loại bỏ phương trình ΔQ, chỉ có biến trạng thái δ

Các nút P và Q tạo ra hai phương trình ΔP và ΔQ, với hai biến trạng thái là U và δ Hệ thống sẽ có tổng số phương trình là (2nc + ng) và số ẩn là (n + nc) Các biến nút còn lại, bao gồm Q tại nút PV và P, Q tại nút cân bằng, có thể được tính toán dễ dàng sau khi giải quyết hệ phương trình.

Theo phương pháp Newton-Raphson ta sẽ có n phương trình ΔPi và nc phương trình ΔQi

𝑗 ∆𝑈 𝑗 với các module điện áp tương ứng của chúng ta nhận được ΔPi = ∑ 𝑈 𝑗 𝜕𝑃 𝑖

Tương tự với ΔQi ta có: ΔQi= ∑ 𝑈 𝑗 𝜕𝑈 𝜕𝑄 𝑖

Các Phương trình cân bằng của hệ thống được viết lại như sau

(219) là ma trận Jacobi của hệ thống

Phương trình (2.19) có thể viết gọn hơn như sau:

Ma trận Jacobi bao gồm các ma trận con J1, J2, J3, J4, trong đó các phần tử của các ma trận này được xác định dựa trên các phương trình công suất (2.11) và (2.12) Để tính toán các phần tử không đường chéo của ma trận con J1, cần thực hiện đạo hàm riêng ∂Pi/∂Uj và sau đó nhân với Uj để thu được kết quả cần thiết.

Các phần tử đường chéo của ma trận con J1 được xác định tương tự:

U i ∂U ∂P i i =Ui{2Ui.Gii + ∑ n j=1 Y ij U j cos(θ ij + δ j − δ i ) j≠i

Các phần tử không đường chéo của ma trận J2 được xác định bằng:

Từ phương trình (2.12) ta nhận được các công thức đối với các phần tử không đường chéo và đường chéo của ma trận con J3 như sau:

U i ∂Q ∂U i i = − Ui{2Ui Bii + ∑ n j=1 Y ij U j cos(θ ij + δ j − δ i ) j≠i

Các phần tử không đường chéo và đường chéo của ma trận con J4 được xác định theo các công thức sau:

Sơ đồ khối thuật toán Newton-Raphson để tính toán chế độ xác lập của lưới điện được thể hiện trong Hình II.3

Sơ đồ khối thuật toán Newton-Raphson để tính toán chế độ xác lập của lưới điện được thể hiện trong hình

Phương pháp này có nhược điểm là yêu cầu bộ nhớ máy tính cao, nhưng ưu điểm nổi bật là tốc độ hội tụ nhanh khi sai số ban đầu nhỏ Ngược lại, nếu sai số ban đầu lớn, quá trình lặp có thể dẫn đến phân kỳ Trong trường hợp không xác định được xấp xỉ ban đầu phù hợp, có thể chọn giá trị điện áp các nút PQ bằng định mức, điện áp các nút PV theo giá trị đã cho và góc pha của các nút bằng 0, tương ứng với nút cân bằng.

Mặc dù thời gian tính toán cho mỗi bước lặp của phương pháp Newton-Raphson có thể kéo dài, nhưng số bước lặp cần thiết thường rất ít và hầu như không bị ảnh hưởng bởi số lượng nút trong lưới điện tính toán Vì vậy, phương pháp này mang lại lợi ích lớn cho việc tính toán hệ thống điện với số lượng nút bất kỳ.

Hình 2.3 Sơ đồ khối áp dụng P/P Newton-Raphson tính trào lưu công suất

THUẬT TOÁN TÌM KIẾM CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ TỔN THẤT CÔNG SUẤT NHỎ NHẤT

Thuật toán tìm kiếm cấu hình LĐPP

Thuật toán này giả định rằng tất cả các khóa điện trong lưới đang ở trạng thái đóng, sau đó tiến hành tìm kiếm các khóa mở để chuyển lưới sang trạng thái hở Mục tiêu là đảm bảo tất cả các phụ tải được cấp điện và tổng tổn thất công suất của lưới là nhỏ nhất, quá trình này được chia thành hai giai đoạn rõ ràng.

Trong giai đoạn 1 của thuật toán, lưới đang ở dạng vòng kín, dẫn đến tổn thất công suất nhỏ nhất Quá trình này bao gồm việc lặp lại để xác định các khoá mở cho đến khi lưới không còn vòng kín.

Trong mỗi lần lặp, thuật toán xác định tất cả các khoá điện có thể mở, giả sử có n khoá Khi mở từng khoá điện, ta sẽ nhận được một cấu hình lưới tương ứng, từ đó tạo ra n cấu hình lưới cho n khoá Nếu các lưới này đảm bảo cung cấp điện cho tất cả các phụ tải, thuật toán sẽ tiến hành tính toán trào lưu công suất cho n lưới.

Thuật toán xác định tổng tổn thất công suất của từng cấu hình lưới thông qua tính toán trào lưu công suất Giá trị tổn thất của các cấu hình sẽ được so sánh, và cấu hình có tổn thất nhỏ nhất sẽ được chọn mở khóa điện Mỗi lần lặp, một khóa k sẽ được xác định và loại khỏi danh sách các khóa trong lần lặp tiếp theo Để giảm khối lượng tính toán, danh sách khóa loại được lập ra, bao gồm những khóa không thỏa mãn điều kiện kết nối, tức là những khóa mà phụ tải trong lưới không được cấp điện Các khóa trong danh sách khóa loại sẽ không được xem xét mở trong các bước lặp tiếp theo.

Quá trình lặp này cứ tiếp tục lặp cho đến khi không còn khóa điện có thể mở nữa hay là lưới không còn vòng kín

Kết thúc giai đoạn 1, ta nhận được một lưới điện hình tia hoàn toàn

3.1.2 Giai đoạn 2 kiểm tra kết quả thu được cuối giai đoạn 1, thuật toán tiến hành giai đoạn 2 bằng việc lần lượt thay thế trạng thái các khóa mở trong giai đoạn 1 với khóa liền kề của nó Để thực hiện điều này, trong giai đoạn 1, với mỗi khóa k được chọn mở trong từng bước, thuật toán lưu lại một danh sách chứa hai khóa liền kề của khóa k Hai khóa liền kề với khóa k được xác định bởi hai điều kiện :

- Khóa được nối với một trong hai nút của khóa k

Để chọn tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất, trong tất cả các khóa liền kề của khóa k, cần xác định hai khóa có tổng tổn thất công suất tác dụng thấp nhất.

Việc thay đổi trạng thái khóa cần đảm bảo rằng lưới điện mới không có vòng kín và tất cả các phụ tải được cấp điện đầy đủ Sau đó, lưới điện sẽ được tính toán trào lưu công suất Nếu tổng tổn thất công suất tác dụng của lưới mới thấp hơn lưới cũ, khóa liền kề sẽ được chọn làm khóa thường mở thay cho khóa k.

Thuật toán thực hiện với lần lượt các khóa thường mở trong giai đoạn một khi nào tất các khóa được thực hiện, thuật toán sẽ dừng lại

Khi thực hiện hoán đổi trạng thái mở của các khóa có thể xảy ra một số trường hợp không mong muốn như sau:

- Khóa liền kề với khóa thường mở k cũng là một khóa thường mở được tìm ra trong những bước lặp sau

- Sau khi hoán đổi trạng thái mở của khóa, lưới điện xuất hiện mạch vòng kín hoặc không thỏa mãn điều kiện kết nối

Nếu gặp các trường hợp này, chúng ta sẽ bỏ qua và tiếp tục với bước tiếp theo Thuật toán sẽ hoán đổi trạng thái mở của các khóa theo thứ tự ưu tiên, trong đó các khóa thường mở được xác định trước sẽ được thực hiện trao đổi trước Điều này là do các khóa thường mở đã được chọn trước có tầm quan trọng cao hơn, giúp giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng tối thiểu trong số các khóa, do đó cần được thực hiện trước.

3.1.3.Các bước thực hiện các thuật toán

Bước 1: Thiết lập danh sách các khóa trong lưới có thể thay đổi trạng thái, đóng tất cả các khóa có trong danh sách

 Lần lượt mở các khóa trong danh sách khóa và xác định giá trị tổn thất công suất tác dụng tương ứng

 Thành lập danh sách khóa loại gồm những khóa khi mở không bảo đảm điều kiện kết nối của lưới

 Sắp xếp các giá trị tổn thất công suất theo thứ tự tăng dần

Bước 3: Mở khóa cho tổng tổn thất công suất tác dụng trong lưới nhỏ nhất

Bước 4: Lưu danh sách cặp khóa liền kề cho tổng tổn thất công suất bé nhất

Bước 5: Cập nhật danh sách khóa bằng cách loại bỏ tất cả các khóa thường mở và những khóa nằm trong cùng vòng kín với khóa được chọn mở.

Bước 6: Quá trình tính toán được lặp lại từ bước 2 cho đến khi danh sách khóa rỗng

Bước 7: Bắt đầu thực hiện giai đoạn 2:

 Trao đổi trạng thái khóa mở với cặp khóa liền kề

Nếu điều kiện kết nối được đáp ứng và điện áp tại các nút nằm trong giới hạn cho phép, đồng thời tổn thất công suất tác dụng khi mở khóa liền kề nhỏ hơn công suất nh tia i = i+1, thì hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

Tất cả phụ tải được cấp điện? Đúng

Lưới thỏa mãn các điều kiện giới hạn? Đúng

Tất cả các khóa được Sai Đúng

Mở khóa có tồng tổn thất công suât nhỏ

Danh sách khóa đã trống? Đúng Dạng lưới hình tia

Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán tái cấu hình lưới phân phối GĐ1

Cập nhật danh sách khóa để tìm hai khóa liền kề nhằm giảm thiểu tổng tổn thất Đóng khóa thứ i và cập nhật danh sách phân loại tổn thất Tiến hành tính toán tổn thất công suất và trào lưu công suất để đảm bảo hiệu quả tối ưu trong quá trình quản lý năng lượng.

Trong giai đoạn 1, mở khóa thứ i bằng cách lập danh sách các khóa và đóng tất cả các khóa trường hợp mở khóa Thuật toán sẽ mở khóa liền kề và đóng các khóa đã mở trong giai đoạn này.

Sai Đóng khóa liền kề

Tất cả phụ tải được cấp điện?

Lưới thỏa mãn các điều kiện giới hạn?

Tất cả các khóa liền kề đã được trao đổi trạng thái?

Hình 4.2: Sơ đồ thuật toán tái cấu hình lưới phân phối GĐ2

Lưới hình tia tối ưu Đóng khóa i, mở khóa liền kề của nó Tính toán tổn thất công suất ΔP 1

Tính toán trào lưu công suất

Trao đổi trạng thái khóa mở i với khóa liền kề

ΔP đại diện cho tổng tổn thất công suất tác dụng sau giai đoạn 1 ΔP1 là tổng tổn thất công suất tác dụng khi thực hiện trao đổi trạng thái giữa khóa mở và khóa liền kề Nếu ΔP1 nhỏ hơn ΔP, điều này cho thấy việc trao đổi khóa đã thành công, và chúng ta sẽ sử dụng kết quả ΔP.

Hình 4.3: Sơ đồ lưới 5 nút

Ví dụ tính toán

Xét một lưới điện 5 nút, 7 nhánh đơn giản như hình sau:

Dữ liệu về các nút của lưới điện:

Nút 1: nút cân bằng, cho U1 = 1,05 0

Nút 2: nút PQ, cho S2 = -500 – 200i (kVA)

Cấp điện áp là 22kV

Dữ liệu về các nhánh của lưới điện:

Bảng 3.1: Dữ liệu các nhánh của lưới điện

Tổng tổn thất công suất tác dụng của lưới kín là 0,1949 kW

Danh sách các khóa điện có thể mở : ban đầu có 7 khóa, mỗi khóa ứng với một nhánh đường dây, đóng tất cả các khóa lại

Bảng 3.2: Danh sách các khóa điện

Mở khóa 1: Lưới điện còn lại 6 khóa: 2, 3, 4, 5, 6, 7 Toàn bộ các nút được cấp điện

Kết quả tính toán trào lưu công suất cho lưới này, ta được điện áp tương đối tại các nút:

Bảng 3.3: Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 1

Trong quá trình kiểm tra lưới điện, các giá trị điện áp U1 đến U5 lần lượt là 1,0500, 1,0494, 1,0497, 1,0498 và 1,0498 Tổng tổn thất công suất tác dụng của lưới được xác định là ΔP = 0,4525 kW Sau khi đóng khóa 1 lại, các khóa khác chưa được kiểm tra sẽ tiếp tục được mở để tiến hành kiểm tra.

Mở khóa 2: Lưới điện còn lại 6 khóa: 1, 3, 4, 5, 6, 7 Toàn bộ các nút đều được cấp điện

Bảng 3.4 Điện áp tương đối tại các nút khi mở khóa 2

U1(pu) U2(pu) U3(pu) U4(pu) U5(pu)

Tổng tổn thất công suất tác dụng của lưới: ΔP = 0,2037 kW Đóng khóa 2 lại, các khóa chưa được kiểm tra hết, ta mở khóa tiếp theo

Mở khóa 3: Lưới điện còn lại 6 khóa: 1, 2, 4, 5, 6, 7 Toàn bộ các nút đều được cung cấp điện

U1(pu) U2(pu) U3(pu) U4(pu) U5(pu) 1,0500 1,0499 1,0498 1,0499 1,0499

Tính tổng tổn thất công suất tác dụng của lưới: ΔP = 0,1963 kW Đóng khóa 3 lại, các khóa chưa được kiểm tra hết, ta mở khóa tiếp theo

Mở khóa 4: Lưới điện còn lại 6 khóa: 1, 2, 3, 5, 6, 7.Toàn bộ các nút đều được cung cấp điện

Tổng tổn thất công suất tác dụng của lưới là ΔP = 0,2578 kW Các khóa U1, U2, U3, U4, U5 có giá trị lần lượt là 1,0500, 1,0499, 1,0498, 1,0498, 1,0498 Đóng khóa 4 lại, các khóa chưa được kiểm tra hết, vì vậy ta tiếp tục mở khóa tiếp theo.

Mở khóa 5: Lưới điện còn lại 6 khóa: 1, 2, 3, 4, 6, 7.Toàn bộ các nút đều được cung cấp điện

Kết quả tính toán trào lưu công suất cho lưới này, ta đƣợc điện áp tương đối tại các nút:

Tổng tổn thất công suất tác dụng của lưới là ΔP = 0,2598 kW Sau khi đóng khóa 5 lại, các khóa chưa được kiểm tra hết, chúng ta tiếp tục mở khóa tiếp theo.

Kết quả tính toán trào lưu công suất cho lưới này, ta được điện áp tương đối

U1(pu) U2(pu) U3(pu) U4(pu) U5(pu)

Tính tổng tổn thất công suất tác dụng của lưới: ΔP = 0,4399 kW Đóng khóa 6 lại, các khóa chưa được kiểm tra hết, ta mở khóa tiếp theo

Tính toán trào lưu công suất cho lưới này, ta được điện áp tương đối tại các nút

U1(pu) U2(pu) U3(pu) U4(pu) U5(pu) 1,0500 1,0499 1,0499 1,0499 1,0499

Tính tổng tổn thất công suất tác dụng của lưới: ΔP = 0,1951 kW Đóng khóa 7 lại, các khóa đã được kiể m tra hết

Ta có bảng tổng hợp tổn thất công suất như sau:

Bảng 3.10: Tổn thất công suất của các trường hợp mở khóa trong bước 1

Khi khóa 7 mở, lưới đạt tổng tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất, cho thấy đây là lựa chọn tối ưu Khóa thường mở được xác định là khóa 7, trong khi khóa 3 và khóa 5 là hai khóa liền kề với khóa 7.

Khóa 7 đã được mở và do đó bị loại khỏi danh sách các khóa hiện có Khóa 6, mặc dù vừa được phá vỡ trong vòng kín, nhưng không thuộc vào vòng kín khác, nên cũng bị loại khỏi danh sách.

Bảng 3.11: Danh sách các khóa xem xét mở sau bước 1

Danh sách các khóa chưa trống, ta tiếp tục bước 2:

Mở các khóa theo thứ tự như bước 1, tiến hành tính toán trào lưu công suất và kiểm tra điều kiện giới hạn điện áp Sau đó, tính tổng tổn thất công suất tác dụng và cập nhật danh sách phân loại tổn thất.

Sau khi đã kiểm tra tất cả các khóa, ta được bảng tổng hợp tổn thất công suất tác dụng như sau:

Bảng 3.12: Tổn thất công suất tác dụng của các trường hợp mở khóa trong bước 2

Hình 3.4: Sơ đồ lưới 5 nút sau khi mở khóa 7

Hình 3.5: Sơ đồ lưới 5 nút sau khi mở khóa 7 & 3

Khi khóa 3 được mở, lưới điện đạt tổng tổn thất công suất tác dụng thấp nhất, do đó khóa 3 được lựa chọn làm khóa thường mở Hai khóa liền kề với khóa 3 là khóa 2 và khóa 4.

Danh sách các khóa đã được cập nhật: Khóa 3 đã mở và vì vậy bị loại khỏi danh sách Khóa 5, mặc dù nằm trong vòng kín vừa được phá vỡ, cũng không thuộc vào vòng kín khác, do đó cũng bị loại khỏi danh sách các khóa.

Bảng 3.13: Danh sách các khóa xem xét mở sau bước 2

Danh sách các khóa chưa trống, ta tiếp tục bước 3:

Mở từng khóa theo thứ tự như bước 1, sau đó tính toán trào lưu công suất và tổng tổn thất công suất tác dụng, đồng thời cập nhật danh sách phân loại tổn thất.

Sau khi đã kiểm tra tất cả các khóa, ta được bảng tổng hợp tổn thất công suất tác dụng như sau:

Hình 3.6: Sơ đồ lưới 5 nút sau khi mở khóa 7, 3 & 2

Bảng 3.14 Tổn thất công suất tác dụng của các trường hợp mở khóa trong bước 3

Khi khóa 2 mở, lưới đạt tổng tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất, do đó khóa 2 được chọn là khóa thường mở Hai khóa liền kề với khóa 2 là khóa 4 và khóa 1.

Danh sách các khóa đã được cập nhật: Khóa 4 đã bị loại vì đã mở ra Khóa 1 và khóa 2 cũng bị loại do nằm trong vòng kín vừa được phá vỡ và không thuộc vòng kín khác Kết quả là danh sách các khóa hiện tại trống rỗng.

Danh sách các khóa đã trống, giai đoạn 1 kết thúc, ta thu được lưới điện hình tia, các khóa thường mở mở và các khóa liền kề:

Bảng 3.15 Danh sách khóa mở và các khóa liền kề sau giai đoạn 1

Khóa được mở Khóa liền kề thứ nhất Khóa liền kề thứ 2

Với lưới thu được ở giai đoạn một, tính toán trào lưu công suất ta được tổng tổn thất công suất tác dụng của lưới là ΔP = 0,2055 kW

Bước 1: thay đổi trạng thái khóa 7 và 3 : do khóa 3 thường mở => loại Bước 2: thay đổi trạng thái khóa 7 và 5: thỏa mãn, tất cả các nút đều được cấp điện

Tiến hành tính toán trào lưu công suất, ta được tổng tổn thất công suất tác dụng của lưới mới: ΔP1 = 0,3431 kW

Do ΔP1 > ΔP => không thay đổi trạng thái khóa

Để hoàn thành quy trình, bước 3 yêu cầu thay đổi trạng thái của khóa 3 và 2, vì khóa 2 thường mở nên sẽ loại bỏ nó Tiếp theo, bước 4 cần thay đổi trạng thái của khóa 3 và 4 để đảm bảo rằng tất cả các nút trong lưới đều được cấp điện.

Bước 5: thay đổi trạng thái khóa 2 và 4: thỏa mãn, tất cả các nút của lưới điều được cấp điện

Hình 3.7: Sơ đồ lưới 5 nút sau khi kết thúc GĐ1

Trong quá trình tính toán trào lưu công suất, lưới hình tia tối ưu cho thấy tổng tổn thất công suất tác dụng là ΔP1 = 0,2955 kW Vì ΔP1 lớn hơn ΔP, nên trạng thái khóa không cần thay đổi.

Bước 6: thay đổi trạng thái khóa 2 và 1: thỏa mãn, tất cả các nút của lưới điều được cấp điện

Chúng ta đã thu được lưới hình tia với tổng tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất Để xác minh tính chính xác của thuật toán, chúng ta tiến hành so sánh kết quả tổn thất công suất của lưới đã thu được với một lưới hình tia ngẫu nhiên khác.

Trong lưới trên các khóa được lựa chọn mở được tạo lưới hình tia là : 4, 5,7 kết quả tổng tổn thất công suất tác dụng trên lưới: ΔP‟ = 0,5491

Ta thấy ΔP‟ (= 0,5491) > ΔP (= 0,2055) nên thuật toán trên rõ ràng đã cho kết quả tốt hơn.

Kết luận

Kết quả tính toán từ ví dụ trên chứng minh tính chính xác và rõ ràng của thuật toán trong việc xác định khóa mở, giúp lưới vận hành hở với tổn thất công suất tác dụng tối thiểu Các bước thực hiện thuật toán đơn giản và không đòi hỏi khối lượng tính toán lớn.

Hình 3.9: Lưới hình tia bất kỳ

TÍNH TOÁN ÁP DỤNG LƯỚI ĐIỆN 22KV LỘ 473E1.21 LIÊN THÔNG 481 E1.8 QUẬN TÂY HỒ

Tiêu đề	Nghiên Cứu Thuật Toán Tái Cấu Hình Lưới Điện Phân Phối Nhằm Giảm Tổn Thất Công Suất Tác Dụng
Tác giả	Nguyễn Thành Lâm
Người hướng dẫn	TS. Trương Ngọc Minh
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	1,38 MB