Xác định trạng thái khóa điện giảm tổn hao năng lượng trên lưới điện phân phối khi phụ tải thay đổi

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Mạng phân phối (MPP) đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải năng lượng điện từ các trạm biến áp trung gian đến khách hàng sử dụng điện trung áp và hạ áp Để đảm bảo chất lượng điện năng cho khách hàng, MPP cần được duy trì thường xuyên Cấu trúc mạch vòng của MPP giúp cung cấp điện liên tục và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, đồng thời cho phép vận hành hình hở Việc mở công tắc trong mạch vòng giúp giảm dòng ngắn mạch, từ đó giảm chi phí đầu tư vào hệ thống công tắc và bảo vệ relay.

Khi công suất phụ tải thay đổi trong ngày, lưới điện cần điều chỉnh cấu hình để giảm tổn thất công suất Tuy nhiên, việc này yêu cầu điều khiển từ xa qua hệ thống SCADA, dẫn đến chi phí đầu tư cao Đối với lưới điện chưa được đầu tư hoàn chỉnh, chi phí thay đổi cấu hình sẽ rất lớn Do đó, các vận hành viên thường chọn một cấu hình cố định trong suốt thời gian khảo sát để đảm bảo tổn thất điện năng ở mức tối thiểu.

Để giảm thiểu sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, việc kết nối nhiều máy phát điện phân tán vào lưới trung thế đã trở thành một yêu cầu cấp bách toàn cầu Do đó, xác định cấu hình lưới không đổi với sự tham gia của các máy phát phân tán là rất cần thiết.

Để phát triển một giải thuật tái cấu hình MPP hiệu quả, cần giảm thiểu tổn thất điện năng khi phụ tải thay đổi theo thời gian Giải pháp này không chỉ có ứng dụng thực tiễn cao trong lưới điện Việt Nam mà còn đạt tiêu chuẩn học thuật quốc tế.

Sự phát triển mạnh mẽ của các thuật toán tối ưu hóa mới hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích vượt trội trong việc tái cấu trúc mạng phân phối so với các giải thuật tối ưu truyền thống Việc áp dụng các giải thuật này có thể cải thiện hiệu quả và tối ưu hóa quy trình tái cấu trúc.

Sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời, cùng với sự tiến bộ của thị trường điện và tái cấu trúc mô hình phát điện phân phối (MPP), không chỉ đơn thuần là vấn đề vận hành mà còn cần xem xét các yếu tố thị trường điện và nguồn điện phân tán kết nối vào mạng lưới phân phối.

Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Mục tiêu của đề tài là lựa chọn các giải thuật phù hợp để xây dựng giải thuật tối ưu mới nhằm tái cấu hình MPP, giảm thiểu tổn thất điện năng khi phụ tải thay đổi Đề tài cũng xem xét các yếu tố ảnh hưởng và kiểm chứng hiệu quả của giải thuật trên các lưới điện hiện có, đồng thời thực hiện so sánh để đánh giá tính khả thi của giải pháp.

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào việc tái cấu trúc lưới điện cho MPP thông qua một giải thuật tái cấu hình mới, nhằm tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo Đồng thời, nghiên cứu cũng xem xét quá trình tham gia của các nguồn năng lượng này vào thị trường điện Việt Nam.

Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp phân tích, tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài để giải quyết vấn đề

 Sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm PSS để kiểm tra

Điểm mới của đề tài

Phương pháp tính toán công suất tải trung bình trong việc tái cấu hình lưới phân phối nhằm giảm tổn thất điện năng cần xem xét sự biến đổi của phụ tải cùng với các yếu tố ảnh hưởng từ máy phát điện phân tán và thị trường điện Việc này giúp tối ưu hóa hiệu suất lưới điện và đảm bảo cung cấp điện ổn định trong bối cảnh thay đổi nhu cầu sử dụng.

Giá trị thực tiễn

 Vấn đề sát với thực tiễn và mang tính ứng dụng cao vào trong công tác quản lý vận hành mạng phân phối

 Có thể xem xét áp dụng cho mạng phân phối một khu vực cụ thể

TỔNG QUAN

Giới thiệu

Mạng phân phối đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện quốc gia, chịu trách nhiệm truyền tải điện từ các trạm biến áp trung gian như trạm 110kV và 220kV đến các phụ tải tiêu thụ Tuy nhiên, tổn thất điện năng trên mạng phân phối là một vấn đề đáng kể, ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống điện.

Theo Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), tổn thất điện năng hàng năm khoảng 7% tổng công suất sản xuất, với tổn thất trên MPP dưới 5% Nguyên nhân chính dẫn đến tổn thất cao trên MPP bao gồm phương thức vận hành chưa hiệu quả, sự đa dạng trong tính chất hộ phụ tải, nhiều cấp điện áp và lưới điện vận hành phức tạp Hơn nữa, MPP hiện tại có tỷ trọng đầu tư gấp 2-3 lần so với lưới điện truyền tải có cùng công suất.

MPP đã trở thành gánh nặng cho các nhà quản lý trong việc vận hành và phát triển lưới điện Ngành điện đang trải qua xu hướng đa dạng hóa các thành phần kinh tế tham gia vào hoạt động điện lực, cùng với nhu cầu kết nối và hội nhập Tuy nhiên, phương thức quản lý độc quyền nhà nước trong sản xuất và kinh doanh điện hiện nay còn nhiều bất cập.

Để phát triển hiệu quả MPP, việc xã hội hóa đầu tư là cần thiết, với mục tiêu xây dựng một thị trường điện hoàn toàn cạnh tranh trong lĩnh vực này.

Những lợi ích khi ngành điện tham gia vào thị trường điện hoàn toàn, bao gồm:

- Cạnh tranh làm giảm giá bán ở khâu phát điện, giá cho người tiêu dùng rẻ hơn;

- Các quyết định đầu tư được căn cứ trên lợi ích kinh tế, lựa chọn bên cung cấp;

- Công nghệ sản xuất và phân phối được nâng cao, cải thiện chất lượng và dịch vụ;

Thị trường điện có khả năng mở rộng mà không làm ảnh hưởng đến quyền lợi của các thành viên tham gia, bất kể họ thuộc sở hữu nhà nước hay tư nhân.

- Hiệu quả cung cấp điện gia tăng

Tăng cường đầu tư vào ngành năng lượng điện sẽ giúp tạo ra mức giá minh bạch, từ đó giảm thiểu tình trạng bù lỗ và các trợ cấp không hiệu quả Điều này hướng tới việc xây dựng một môi trường cạnh tranh công bằng cho các nhà đầu tư thông qua việc áp dụng các quy tắc thưởng phạt hợp lý.

Mục tiêu chính của thị trường bán lẻ khi đi vào hoạt động là tối ưu hóa lợi nhuận và giảm thiểu chi phí, đồng thời nâng cao chất lượng dịch vụ Bên cạnh đó, cần giảm thiểu rủi ro và đảm bảo cung cấp điện một cách chất lượng, ổn định, tin cậy và liên tục, từ đó dẫn đến những thay đổi trong chức năng và tổ chức.

Thay đổi thiết kế thị trường điện sẽ tạo ra những thị trường mới liên quan, nhằm giảm khí thải và tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo Điều này yêu cầu có tỷ lệ nhất định về năng lượng tái tạo tham gia kết nối vào lưới điện.

- Kinh doanh sỉ: Mua bán (giao ngay, trong tương lai); phân tích thị trường/kinh doanh; quản lý danh mục, quản lý rủi ro;

- Kinh doanh lẻ: Tiếp thị, thiết kế sản phẩm và dịch vụ; dịch vụ/chăm sóc khách hàng; Dự báo và quản lý phụ tải;

- Kỹ thuật: vận hành, bảo trì và xây dựng mới nguồn, trạm biến áp, đường dây, thiết bị điện

Công ty quản lý lưới sẽ được thành lập để đảm bảo giao dịch mua/bán điện diễn ra hiệu quả, nhằm ngăn chặn tình trạng quá tải lưới điện và sự cố xảy ra.

Các công ty bán lẻ cần có biện pháp hỗ trợ khẩn cấp để khắc phục sự cố ngay khi xảy ra Điều này đòi hỏi công ty phải nhanh chóng giải quyết các vấn đề phát sinh nhằm đảm bảo hoạt động kinh doanh không bị gián đoạn.

- Quy hoạch các mạch vòng hoặc quy hoạch các vị trí cho phép nối DG vào lưới điện

Tổn thất điện năng được giảm thiểu tối đa khi công suất của các DG bơm vào lưới đạt mức cao nhất, điều này không chỉ thu hút đầu tư mà còn đảm bảo độ tin cậy trong cung cấp điện Đồng thời, nó mang lại lợi ích kinh tế cho công ty quản lý lưới điện.

Hình 2.1 Chuỗi cung ứng thị trường năng lượng Đặc điểm của mạng phân phối:

MPP bao gồm các trạm biến áp và đường dây tải điện, có nhiệm vụ cung cấp điện năng trực tiếp cho các hộ tiêu thụ Thường thì, MPP phân phối điện trong bán kính nhỏ hơn 50 km, nhưng hiện nay, một số khu vực có thể mở rộng bán kính cung cấp lên đến 100 km Tổng chiều dài và số lượng máy biến áp trong hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo nguồn điện ổn định cho người dân.

Hệ thống điện có 7% chiếm tỷ lệ lớn, với số lượng lộ ra và nhánh rẽ vượt trội hơn lưới điện truyền tải Mặc dù đường dây có bán kính cấp điện ngắn, nhưng cấu trúc của lưới điện lại rất phức tạp MPP (Mạng lưới phân phối điện) ảnh hưởng đáng kể đến các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của toàn hệ thống.

- Chất lượng cung cấp điện: ở đây là độ tin cậy cung cấp điện và độ dao động của điện áp, tần số tại phụ tải

- Tổn thất điện năng: Thường tổn thất điện năng ở lưới phân phối lớn gấp 3 đến

4 lần so với tổn thất ở lưới truyền tải

Giá đầu tư xây dựng mạng điện được phân chia theo tỷ lệ cao áp, trung áp và hạ áp Cụ thể, vốn đầu tư cho mạng cao áp chỉ chiếm 1 phần, trong khi đó, mạng phân phối trung áp và hạ áp thường có chi phí đầu tư gấp từ 2,5 đến 3 lần so với mạng cao áp.

Xác suất sự cố liên quan đến việc ngừng cung cấp điện, bao gồm cả việc cắt điện để sửa chữa, bảo trì theo kế hoạch, cũng như cải tạo và xây dựng đường dây và trạm phân phối mới Mức độ sự cố trong MPP thường cao hơn so với lưới truyền tải.

Nhiệm vụ của mạng phân phối:

- Cung cấp phương tiện để truyền tải năng lượng điện đến hộ tiêu thụ

- Cung cấp phương tiện để các công ty điện lực có thể bán điện

- Đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện

- Đảm bảo các thông số vận hành trong giới hạn cho phép

- Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải

Mục đích tái cấu trúc lưới điện

Lưới điện phân phối thường phải đối mặt với nhiều loại phụ tải khác nhau, bao gồm sinh hoạt, thương mại dịch vụ và công nghiệp, với sự phân bố không đồng đều giữa các đường dây Mỗi loại tải có thời điểm đỉnh tải riêng, thay đổi theo ngày, tuần và mùa, dẫn đến đồ thị phụ tải không ổn định và chênh lệch công suất tiêu thụ Tình trạng này gây ra quá tải cho đường dây và tăng tổn thất trong mạng phân phối Để giảm thiểu quá tải và tổn thất, bên cạnh việc điều chỉnh cấu trúc lưới điện thông qua các thao tác đóng/cắt công tắc, việc sử dụng nguồn phân tán cũng là một giải pháp quan trọng cần được xem xét.

Trong thiết kế khoá, việc lắp đặt tại vị trí tối ưu giúp giảm chi phí vận hành và tổn thất điện năng, đồng thời hỗ trợ kết nối với các nguồn phân tán khi cần Phụ tải thường xuyên thay đổi, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều mục tiêu vận hành MPP phù hợp với tình hình cụ thể Tuy nhiên, các điều kiện vận hành lưới phân phối cần đảm bảo cấu trúc vận hành hở và độ tin cậy cao.

Hệ thống cung cấp điện đảm bảo độ tin cậy cao với sụt áp trong giới hạn cho phép, đồng thời các hệ thống bảo vệ hoạt động hiệu quả Đường dây, máy biến áp và các thiết bị liên quan đều vận hành ổn định trong các giới hạn an toàn, đảm bảo điện áp rơi ở mức cho phép.

Để giảm thiểu tổn thất, các điều độ viên sẽ điều chỉnh cấu trúc lưới điện bằng cách thao tác đóng/mở các cặp công tắc trên mạng phân phối Các loại công tắc như Recloser, LBS, DS, LTD sẽ được lắp đặt ở những vị trí tối ưu nhằm giảm chi phí và tổn thất khi thực hiện thao tác Mục tiêu chính trong vận hành mạng phân phối là tối thiểu hóa chi phí vận hành, bao gồm cả chi phí chuyển tải và tổn thất, đồng thời đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật Với nhu cầu cung cấp điện ngày càng cao, nhiều mục tiêu mới trong vận hành lưới phân phối đã xuất hiện Tóm lại, việc vận hành lưới phân phối cần phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe về hiệu quả và độ tin cậy.

- Cấu trúc mạch vòng vận hành hở (hình tia);

- Tất cả phụ tải đều được cung cấp điện, sụt áp nằm trong phạm vi cho phép;

- Các hệ thống bảo vệ rơle phải thay đổi phù hợp;

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải;

- Đảm bảo ổn định cung cấp điện

Hình 2.4 Các công tắc của mạng phân phối IEEE 69-bus

Trên MPP, việc tìm ra cách chuyển tải hiệu quả giữa các công tắc là một quá trình phức tạp, đòi hỏi thời gian và cần xem xét các ràng buộc kỹ thuật cũng như vấn đề kinh tế Do đó, việc phát triển một giải thuật tái cấu hình lưới hiệu quả là cần thiết để nhanh chóng xác định cấu hình vận hành tối ưu cho mạng phân phối Mục tiêu là phục hồi cung cấp điện sau sự cố và chuyển trở về trạng thái bình thường của mạng phân phối.

Các bài toán tái cấu hình mạng phân phối

Tái cấu hình MPP tương tự như việc tính toán phân bố công suất tối ưu, nhưng yêu cầu khối lượng tính toán lớn hơn do nhiều biến số ảnh hưởng đến trạng thái công tắc và điều kiện vận hành Cần đảm bảo MPP hoạt động hở, không quá tải máy biến áp, đường dây và thiết bị đóng cắt, đồng thời duy trì sụt áp tại hộ tiêu thụ trong giới hạn cho phép và xem xét tổn thất trên lưới.

Với góc độ vận hành, hàm mục tiêu của tái cấu trúc lưới điện như sau:

- Bài toán 1: Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 thời đoạn để chi phí vận hành nhỏ nhất;

- Bài toán 2: Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát để tổn thất điện năng nhỏ nhất;

- Bài toán 3: Xác định cấu trúc lưới điện tại 1 thời điểm để tổn thất công suất nhỏ nhất;

Bài toán 4 liên quan đến việc tái cấu trúc lưới điện nhằm cân bằng tải giữa các đường dây và máy biến thế nguồn tại các trạm biến áp Mục tiêu của quá trình này là nâng cao khả năng tải của lưới điện, từ đó cải thiện hiệu suất và độ tin cậy trong cung cấp điện năng.

- Bài toán 5: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa;

Bài toán 6 liên quan đến việc xác định cấu trúc lưới với nhiều mục tiêu đồng thời, bao gồm giảm thiểu tổn thất công suất, tối ưu hóa mức độ cân bằng tải, giảm số lần chuyển tải và hạn chế sụt áp cuối lưới Việc giải quyết bài toán này yêu cầu áp dụng các phương pháp hàm đa mục tiêu để đạt được hiệu quả tối ưu cho toàn bộ hệ thống.

Phạm vi ứng dụng của bài toàn tái cấu trúc

- Đối với lưới điện có công tắc được điều khiển từ xa, áp dụng bài toán 1, 3 và 5;

- Cấu trúc có chi phí chuyển tải thấp, không mất điện, áp dụng bài toán 1, 3 và 5;

- Cấu trúc có chi phí chuyển tải cao, mất điện khi chuyển tải, áp dụng bài toán 2, 3,

- Cấu trúc có lưới điện thường xuyên bị quá tải, áp dụng bài toán 3, 4 và 5;

- Cấu trúc có lưới điện ít quá tải, áp dụng bài toán 2, 3, 5 và 6;

- Cấu trúc có lưới điện hầu như không quá tải, áp dụng bài toán 1, 2, 3 và 5

Xác định cấu hình vận hành tối ưu cho một MPP nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng và chi phí vận hành trong khuôn khổ các điều kiện kỹ thuật là một vấn đề quan trọng trong quản lý hệ thống điện Bảng 2.1 nêu rõ phạm vi ứng dụng của các vấn đề tái cấu trúc dựa trên đặc điểm của MPP.

Các nghiên cứu khoa học liên quan

Trong những thập niên qua, nhiều nghiên cứu đã áp dụng các phương pháp khác nhau để giải quyết vấn đề tái cấu hình nhằm giảm tổn thất điện năng Kể từ khi được đề xuất bởi Merlin và Back, vấn đề này đã được tiếp cận qua nhiều phương pháp từ heuristic đến các phương pháp heuristic tổng quát Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào tái cấu hình với phụ tải cố định Heuristic là phương pháp giải quyết vấn đề dựa trên kinh nghiệm và tìm kiếm giải pháp tối ưu thông qua các thử nghiệm Mặc dù hữu ích, heuristic có thể dẫn đến thuật toán chỉ đạt giải pháp gần tối ưu hoặc thậm chí không tìm ra giải pháp nào.

Trong thực tế, nhu cầu phụ tải thường thay đổi, do đó việc tái cấu hình hệ thống điện là cần thiết để thích ứng với những biến động này Vấn đề tái cấu hình lưới điện, đặc biệt trong bối cảnh phụ tải thay đổi, đã thu hút sự quan tâm lớn từ nhiều nhà nghiên cứu Bài luận văn của tôi cũng tập trung vào việc nghiên cứu và giải quyết bài toán tái cấu hình nhằm giảm thiểu tổn thất khi có sự biến động trong phụ tải.

Taleski và các cộng sự đã đề xuất một phương pháp heuristic nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng bằng cách kết hợp các đặc tính của đồ thị phụ tải Các nghiên cứu trước đó cũng đã áp dụng phương pháp heuristic vòng kín, kết hợp với việc sử dụng công suất trung bình của phụ tải trong khoảng thời gian nhất định để tối ưu hóa hiệu suất.

Khảo sát được sử dụng để xác định cấu trúc vận hành nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng, với ưu điểm là chỉ cần công suất trung bình của phụ tải mà không cần đồ thị phụ tải Phương pháp tiếp cận từng bước được đề xuất trong [14] để giải quyết vấn đề tái cấu hình, xem xét phụ tải thay đổi với mục tiêu giảm tổn thất điện năng và chi phí tái cấu hình Tương tự, thuật toán di truyền trong [15] được áp dụng để xác định thời điểm tối ưu trong khảo sát nhằm thay đổi cấu hình vận hành dựa trên chi phí tổn thất điện năng và chi phí chuyển công tắc.

Hình 2.5 Lưới điện có kết nối các DG và ES

Sự phát triển nhanh chóng của các nguồn điện phân tán (DGs) và các công nghệ liên quan đã tạo ra ảnh hưởng đáng kể đến hệ thống điện phân phối Đồng thời, sự tiến bộ trong các bộ dự trữ năng lượng (ES) cũng đang thu hút nhiều sự chú ý từ các nghiên cứu hiện nay.

[22], [23], vấn đề tái cấu hình khi nhu cầu phụ tải thay đổi và công suất DGs thay đổi

Trong nghiên cứu về cấu trúc lưới điện, việc xác định các cấu trúc khi phụ tải thay đổi và có sự tham gia của nguồn điện phân tán (DG) như pin mặt trời là rất quan trọng Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc giảm tổn thất điện năng và nâng cao độ tin cậy trong vận hành lưới điện có thể được thực hiện thông qua tái cấu hình lưới Đặc biệt, việc xem xét các loại máy phát phân tán như turbin gió, pin mặt trời và DG sinh khối theo mùa cũng giúp giảm thiểu tổn thất điện năng và chi phí chuyển công tắc Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu hiện tại chỉ tập trung vào việc xác định vị trí và công suất của DG mà không xem xét các đặc tính theo thời gian của chúng, dẫn đến việc chưa khai thác hết tiềm năng của các nguồn năng lượng này trong việc cải thiện hiệu suất lưới điện.

Trong bối cảnh sử dụng các nguồn năng lượng mới như turbin gió và pin mặt trời, việc xem xét sự thay đổi công suất phát của các nguồn phân tán là rất quan trọng Điều này đặc biệt cần thiết khi giải quyết vấn đề tái cấu hình MPP có DGs trong điều kiện phụ tải thay đổi Nghiên cứu này dựa trên phương pháp được đề xuất nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tính linh hoạt của hệ thống năng lượng.

Một phương pháp tái cấu hình hiệu quả đã được đề xuất, chú trọng đến việc xem xét phụ tải và công suất của các nguồn năng lượng phân tán (DGs) thay đổi Các điểm chính trong chương này có thể được tóm tắt như sau:

- Công suất phụ tải và DGs loại pin mặt trời và turbin gió được xem xét với sự thay đổi theo giờ trong một ngày;

Phương pháp mới được đề xuất nhằm xác định cấu hình không đổi trong thời gian khảo sát với mục tiêu tối ưu hóa tổn thất điện năng, mà không cần phụ thuộc vào đồ thị phụ tải và đặc tính công suất phát của các nguồn phát điện phân tán (DGs).

XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI KHÓA ĐIỆN GIẢM TỔN HAO NĂNG LƯỢNG TRÊNLƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI KHI PHỤ TẢI THAY ĐỔI

Giới thiệu

Khi vận hành mạng phân phối điện tại các Điện lực huyện và thành phố Bến Tre, cũng như các mạng phân phối lớn ở các thành phố lớn tại Việt Nam và một số quốc gia phát triển, chi phí chuyển tải (đóng và mở công tắc) thường rất cao Do đó, việc thay đổi cấu trúc lưới chỉ được thực hiện khi thật sự cần thiết.

- Phải cô lập sự cố và tái cấu hình lưới chống quá tải lưới, máy biến thế nguồn điện

Mức giảm tổn thất điện năng cần đạt ít nhất để bù đắp chi phí chuyển tải Đối với hệ thống lưới điện, để giảm chi phí vận hành và tránh mất điện khi chuyển tải, điều độ viên chỉ cho phép thay đổi cấu trúc lưới trong những trường hợp cần thiết như tái cấu trúc khôi phục lưới sau sự cố hoặc chống quá tải lưới điện.

Mục tiêu của việc điều khiển lưới điện là xác định cấu trúc lưới ổn định trong suốt thời gian khảo sát, nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng đến mức tối thiểu.

Hình 3.1 MPP có sự tham gia của máy phát điện phân tán

Vào năm 2023, Việt Nam dự kiến sẽ triển khai thị trường điện bán lẻ theo kế hoạch của EVN, bắt đầu với các thí điểm tại một số Điện lực thuộc các Công ty Điện lực Sự xuất hiện của các máy phát điện phân tán nhỏ từ nguồn diesel và năng lượng tái tạo sẽ tham gia vào quá trình vận hành mạng phân phối Do đó, việc tái cấu hình lưới điện cần xem xét thêm ảnh hưởng của các máy phát điện phân tán này.

Phương pháp đề xuất

Hàm mục tiêu trong việc giảm thiểu chi phí vận hành trên MPP thông thường bao gồm hai yếu tố chính: chi phí tổn thất công suất và chi phí thay đổi các công tắc.

Trong đó, n là số lần thay đổi công tắc, ∆𝑃 𝑖 là tổn thất công suất do cấu hình i th gây ra,

𝑇 𝑖 là khoảng thời gian vận hành bằng cấu hình i th , 𝐶 𝑎 và 𝐶 𝑏 lần lượt là đơn giá tổn thất điện năng và đơn giá chuyển công tắc

Trên một số MPP thực tế, chi phí thay đổi công tắc thường quá cao so với khoản tiết kiệm từ việc giảm tổn thất Bên cạnh đó, việc thiếu các công tắc điều khiển từ xa và hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu đã cản trở sự phát triển, dẫn đến chi phí đầu tư lớn Điều này khiến quá trình thay đổi công tắc phải ngắt điện một số phụ tải, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc sử dụng điện của khách hàng.

Các nhà cung cấp điện sẽ duy trì trạng thái công tắc ổn định trong thời gian dài, với mục tiêu giảm thiểu chi phí tổn thất điện năng khi phụ tải thay đổi, điều này là trọng tâm của quá trình tái cấu hình MPP Vấn đề tối ưu hóa chi phí vận hành trở thành yếu tố quyết định trong việc xác định cấu hình MPP trong suốt thời gian vận hành để đạt được tổn thất điện năng thấp nhất Mô hình tái cấu hình nhằm giảm tổn thất điện năng có thể được mô tả như sau [15]:

Tổn thất điện năng ∆A được xác định do cấu hình MPP X, trong đó X đại diện cho tập hợp vị trí các công tắc mở Thời gian khảo sát T được chia thành M khoảng thời gian nhỏ, với t m là khoảng thời gian thứ m Tổng số nhánh N br và điện trở của nhánh thứ i, ký hiệu là R i, cũng ảnh hưởng đến tổn thất điện năng.

P i,m và Q i,m lần lượt là dòng công suất tác dụng và phản kháng trên nhánh i th tại trong khoảng thời gian t m V i là điện áp cuối nhánh i th

Khi nhu cầu phụ tải biến động liên tục trong thời gian khảo sát, cần chia thành các khoảng thời gian nhỏ hơn để tính toán hàm mục tiêu cho từng cấu hình lưới, điều này gây tốn thời gian do phải giải quyết vấn đề phân bố công suất nhiều lần Hơn nữa, việc trang bị thiết bị đo đếm không đầy đủ và đồng bộ trên nhiều MPP dẫn đến khó khăn trong việc thu thập dữ liệu về nhu cầu phụ tải tại các thời điểm khác nhau Do đó, phương pháp đề xuất sẽ giải quyết những vấn đề này.

Quá trình tái cấu hình MPP được mô tả trên MPP đơn giản như Hình 3.2, trong đó chiều dương của vòng quy ước là chiều ngược kim đồng hồ

Hình 3.2 Mô tả quá trình tái cấu hình MPP

A ik là hệ số tương quan giữa chiều của vòng và chiều phân bố công suất trên các nhánh

Quá trình tái cấu hình diễn ra thông qua việc điều chỉnh trạng thái của các công tắc thường đóng và thường mở trên MPP Cụ thể, khi công tắc CD được đóng và công tắc AB được mở, dòng công suất phức sẽ được điều chỉnh trên nhánh tương ứng.

Khi công tắc AB đóng, công suất phức 𝑃 𝑘 + 𝑗𝑄 𝑘 sẽ bằng không Do đó, tác động của việc đóng công tắc CD và mở công tắc AB có thể được mô tả qua việc rút ra một lượng công suất phức tương đương với công suất phức qua nhánh AB tại nhánh CD.

Khi ta sử dụng giả thiết gần đúng rằng |V i | ≈ V ref ≈ 1 p u., tổn thất công suất (ΔP) trên cấu hình ban đầu có thể được tính toán gần đúng như sau: Δ𝑃 0 = ∑ 𝑁𝑏𝑟 𝑖=1 𝑅 𝑖 ((𝑃 𝑖 − ∑ 𝑁𝑑𝑔 𝑗=1 𝐷 𝑖𝑗 𝑃 𝑗 ) 2 + (𝑄 𝑖 − ∑ 𝑁𝑑𝑔 𝑗=1 𝐷 𝑖𝑗 𝑄 𝑗 ) 2 ) (3.4)

Trong hệ thống, Nbr đại diện cho số nhánh và Ndg là số lượng các nguồn phát điện phân tán (DGs) Công suất phức trên nhánh i được ký hiệu là P i + jQ i, trong khi công suất phát của DG j được biểu diễn là P j + jQ j Hệ số D ij được tính toán dựa trên các thông số này.

{𝐷 𝑖𝑗 = 1; Nếu nhánh 𝑖 𝑡ℎ nằm giữa nút tham chiếu và nút đặt DG j 𝑡ℎ

Tương tự, tổn thất công suất trên hệ thống sau khi tái cấu hình bằng đổi công tắc được xác định như sau: Δ𝑃 𝑟𝑒𝑐𝑓 = ∑ 𝑁𝑏𝑟 𝑖=1 𝑅 𝑖 (𝑃 𝑖 − ∑ 𝑁𝑑𝑔 𝑗=1 𝐷 𝑖𝑗 𝑃 𝑗 + 𝐴 𝑖,𝑘 𝑃 𝑘 ) 2 + ∑ 𝑁𝑏𝑟 𝑖=1 𝑅 𝑖 (𝑄 𝑖 − ∑ 𝑁𝑑𝑔 𝑗=1 𝐷 𝑖𝑗 𝑄 𝑗 +

Khi công suất chuyển tải đạt mức tối ưu, tổn thất công suất trong hệ thống sẽ ở mức thấp nhất Để xác định công suất chuyển tải tối ưu 𝑃 𝑘 + 𝑗𝑄 𝑘, cần thực hiện đạo hàm riêng của tổn thất công suất theo các biến liên quan.

𝑃 𝑘 và 𝑄 𝑘 được đặt bằng không:

Chiều dương của vòng được chọn như Hình 3.2 và từ phương trình (3.3), giá trị của 𝐴 𝑖,𝑘 được xác định như sau:

+ 𝑅 𝐶𝐷 và rút gọn phương trình (3.7), thu được kết quả như phương trình (3.9)

(3.9) Giải phương trình (4.9), thu được lượng công suất chuyển tải tối ưu 𝑃 𝑘 + 𝑗𝑄 𝑘 như sau:

Từ phương trình (3.10), có thể thấy rằng:

(1) Nếu 𝑃 𝑘 + 𝑗𝑄 𝑘 > 0, dòng công suất chuyển tải tối ưu 𝑃 𝑘 + 𝑗𝑄 𝑘 thực tế truyền từ đoạn

OC đến đoạn OD Mở nhánh trên đoạn OC có giá trị dòng công suất gần nhất với 𝑃 𝑘 +

𝑗𝑄 𝑘 sẽ thu được tổn thất công suất nhỏ nhất

(2) Nếu 𝑃 𝑘 + 𝑗𝑄 𝑘 < 0, dòng công suất chuyển tải tối ưu 𝑃 𝑘 + 𝑗𝑄 𝑘 thực tế truyền từ đoạn

OD đến đoạn OC Mở nhánh trên đoạn OD có giá trị dòng công suất gần nhất với 𝑃 𝑘 +

𝑗𝑄 𝑘 sẽ thu được tổn thất công suất nhỏ nhất

Do nhu cầu phụ tải thay đổi theo thời gian, giá trị 𝑃 𝑘 + 𝑗𝑄 𝑘 cũng sẽ biến động trong khoảng thời gian khảo sát T Tuy nhiên, với các MPP, việc thay đổi trạng thái các công tắc gặp khó khăn do chi phí đóng cắt lớn, cần phải ngừng cung cấp điện, và hệ thống điều khiển giám sát chưa phát triển Do đó, việc thay đổi cấu hình lưới điện liên tục trong thời gian khảo sát là không khả thi, và cần tìm một cấu hình không thay đổi trạng thái trong suốt khoảng thời gian khảo sát.

T Giả sử khoảng thời gian khảo sát T có thể được chi ra M khoảng thời gian nhỏ hơn và trong mỗi khoảng thời gian này công suất phụ tải và DGs là không đổi Khi đó, công suất 𝑃 𝑘 + 𝑗𝑄 𝑘 tại khoảng m th có thể được mô tả bởi đồ thị S k (t) như Hình 3.3 Diện tích của đồ thị được gọi là năng lượng chuyển tải tối ưu yêu cầu để tổn thất điện năng nhỏ nhất Nếu giá trị ∑ 𝑀 𝑚=1 (𝑃 𝑘,𝑚 + 𝑗𝑄 𝑘,𝑚 )𝑡 𝑚 là cực tiểu, tổn thất điện năng trên hệ thống sẽ đạt cực tiểu

Hình 3.3 Công suất chuyển tải tối ưu trong thời gian khảo sát T

Công suất chuyển tải tối ưu trung bình trong thời gian T có thể được định nghĩa như sau:

Khi đó tổn thất điện năng (A) của hệ thống sau khi tái cấu hình bằng việc thay đổi công tắc được xác định như sau: Δ𝐴 𝑟𝑒𝑐𝑓 = ∑ 𝑀 𝑚=1 (∑ 𝑁𝑏𝑟 𝑖=1 𝑅 𝑖 (𝑃 𝑖,𝑚 − ∑ 𝑁𝑑𝑔 𝑗=1 𝐷 𝑖𝑗 𝑃 𝑗,𝑚 + 𝐴 𝑖,𝑘 𝑃 𝑘 ′ ) 2 ) 𝑡 𝑚 +

Tương tự như phương trình (3.7), đạo hàm riêng của A theo 𝑃 𝑘 ′ và 𝑄 𝑘 ′ được đặt bằng không:

Thay phương trình (3.8) vào phương trình (3.13), kết quả được phương trình (3.14):

Rút gọn phương trình (3.14) ta được phương trình (3.15):

Và chia phương trình (3.15) cho ∑ 𝑀 𝑚=1 𝑡 𝑚 , thu được kết quả như phương trình (3.18):

Do đó, sự tương đồng giữa phương trình (3.18) và (3.9) cho thấy vấn đề xác định 𝑃 𝑘 ′ +

Để tối thiểu hóa ΔA, ta chuyển vấn đề thành việc xác định 𝑃 𝑘 ′ + 𝑗𝑄 𝑘 ′ nhằm tối thiểu hóa ΔP, với điều kiện công suất phức trên các nhánh phải bằng giá trị theo phương trình (3.16) và công suất phát của DG j th phải tuân theo giá trị trong phương trình (3.17) Cần lưu ý rằng giá trị trong phương trình (3.17) đại diện cho công suất phát trung bình của các DG trong khoảng thời gian khảo sát.

Ngoài ra, nếu công suất phức trên các nhánh tại mỗi khoảng thời gian t m có thể được tính toán gần đúng như sau [12], [13]:

Trong đó, 𝑃 𝑖,𝑚 + 𝑗𝑄 𝑖,𝑚 và 𝑃 𝑙,𝑚 + 𝑗𝑄 𝑙,𝑚 lần lượt là công suất phức trên nhánh i th công suất phức tại nút l th trong khoảng thời gian t m

Thay phương trình (3.19) vào (3.16), thu được kết quả như phương trình (3.20):

Trong đó, 𝑃̅ 𝑙 + 𝑗𝑄̅ 𝑙 là công suất phức trung bình của nút tải l th trong khoảng thời gian T được tính toán như sau:

Vấn đề tái cấu hình để giảm tổn thất điện năng liên quan đến các nguồn phát điện phân tán (DGs) có thể được giải quyết thông qua việc giảm tổn thất công suất, với điều kiện rằng phụ tải tại các nút và công suất phát của DGs đạt mức trung bình trong khoảng thời gian khảo sát Phương pháp này không yêu cầu phải có đồ thị phụ tải tại các nút tải hay đồ thị công suất phát của các máy phát phân tán trong thời gian khảo sát Cấu hình vận hành tối ưu (MPP) trong thời gian khảo sát có thể được xác định thông qua một mô hình toán học.

Trong nghiên cứu này, 𝑃̅ 𝑗 và 𝑄̅̅̅ 𝑗 đại diện cho công suất tác dụng và phản kháng trung bình tại các nhánh, được xác định thông qua việc giải bài toán phân bố công suất Công suất tại các nút tải được lấy là công suất trung bình trong khoảng thời gian khảo sát Tập hợp X bao gồm các công tắc mở, trong khi R j là tổng trở của nhánh j th và V j là điện áp cuối của nhánh j th.

Trong quá trình tái cấu hình lưới điện hình tia, cần đảm bảo các ràng buộc về cấu hình, điện áp và dòng điện Ràng buộc cấu hình lưới điện hình tia là yếu tố quan trọng nhất, đảm bảo tất cả phụ tải được cung cấp điện và cấu hình vận hành hình tia được duy trì Để kiểm tra điều kiện này, phương pháp sử dụng ma trận kết nối (A) được áp dụng Nghiên cứu cho thấy nếu định thức của ma trận A bằng 1 hoặc -1, cấu hình lưới sẽ thỏa mãn ràng buộc cần thiết.

VÍ DỤ KIỂM TRA

Giới thiệu

Để chứng minh được hiệu quả của phương pháp đề xuất, các ví dụ được đề nghị kiểm tra bao gồm:

- Bài toán mẫu của lưới phân phối IEEE nhập thông số phụ tải 24 giờ và sử dụng công suất trung bình

- Chứng minh 2 phương pháp trên lưới điện thực tế tại Điện lực Bình Đại- Công ty Điện lực Bến Tre.

Kiểm tra trên lưới điện mẫu MPP 37 nút

Hình 4.1 Lưới điện phân phối IEEE [14]

Để khảo sát hàm tổn thất công suất tác dụng theo thời gian T giờ trong cấu trúc lưới điện phân phối, nghiên cứu sử dụng giải thuật giảm ∆A và lưới phân phối mẫu IEEE Hình 4.2.a thể hiện ĐTPT P(t) % theo Pmax, trong khi Hình 4.2.b thể hiện ĐTPT P(t) % theo Qmax.

Bài viết đề cập đến 37 nút có điện áp vận hành 13,8kV, như được trình bày trong phần mềm phân bổ công suất chuẩn PSS/U và thông số cấu trúc lưới Các loại đồ thị phụ tải được phân loại thành ba loại: tải dịch vụ (loại 1), tải công nghiệp (loại 2), và tải sinh hoạt (loại 3), được minh họa trong hình 4.2a và 4.2b Thời gian khảo sát cũng được đề cập để đảm bảo tính chính xác trong phân tích.

Bảng 4.1 trình bày loại đồ thị phụ tải cho từng tải trong lưới điện và cấu hình lưới điện tối ưu tại các thời điểm khác nhau, thể hiện tổn thất công suất ∆P và tổn thất điện năng ∆A với cấu trúc không thay đổi trong suốt thời gian khảo sát Cụ thể, cấu trúc 1, 2, 3 tương ứng với tổn thất công suất tác dụng ∆P nhỏ nhất theo từng bậc đồ thị phụ tải: từ 18 giờ ngày hôm trước đến 6 giờ ngày hôm sau, từ 7 giờ đến 13 giờ, và từ 14 giờ đến 17 giờ cùng ngày.

Cấu trúc lưới điện phân phối theo tiêu chuẩn IEEE giúp giảm thiểu tổn thất công suất theo từng thời điểm, được phân tích bằng trình TOPO trong phần mềm PSS/U Thông tin về cấu trúc lưới và tổn thất công suất trong thời gian khảo sát (T$ giờ) được thể hiện rõ trong bảng 4.1.

Cấu trúc lưới điện được xác định dựa trên công suất tải trung bình, sử dụng hai giải thuật tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng ∆P Các giải thuật này được xây dựng trong chương 3 và áp dụng phần mềm PSS TOPO, cho thấy cấu trúc lưới điện tương tự như trình bày trong bảng 4.1.

Bảng 4.1: ∆P, ∆A của các cấu trúc lưới điện Dấu (*) thể hiện cấu trúc có ∆Pmin

Thời điểm (t) 0-4 5-6 7-10 11-13 14-17 18-19 20-23 Cấu trúc lưới

Thời đoạn (h) 5 2 4 3 4 2 4 Công tắc điện mở

Tổn thất công suất (kW)

Tổn thất điện năng (kWh)

So sánh tổn thất điện năng ∆A giữa các cấu trúc được chọn

Cấu trúc 1 Cấu trúc 2 Cấu trúc 3 Cấu trúc đề nghị

Trong thời gian khảo sát 24 giờ, cấu trúc lưới điện phân phối đề nghị liên tục cho thấy tổn thất công suất không phải là nhỏ nhất so với các cấu trúc 1, 2 và 3 Tuy nhiên, nó vẫn là cấu trúc lưới điện có tổn thất công suất nhỏ nhất, được xác định bằng trình TOPO của phần mềm PSS/U.

Chứng minh 2 phương pháp trên lưới điện thực tế Điện lực Bình Đại- Công ty Điện lực Bến Tre

ty Điện lực Bến Tre

4.3.1 Phương pháp nhập sản lượng điện từng thời đoạn trong ngày, khảo sát trong 3 tháng, ở đây ví dụ được kiểm chứng trên 3 tháng (tháng 1, tháng 2 và tháng 3), gồm các bước:

Để thực hiện bước đầu tiên, cần chọn một lưới điện có mạch vòng, trong đó mạch vòng nhận điện từ hai nguồn khác nhau là tuyến 473 và 477 thuộc trạm 110kV Bình Đại Vị trí thường mở được đặt tại SWIT số 4, đây là cấu hình vận hành thực tế hiện tại tại đơn vị.

Hình 4.3 Lưới điện phân phối tuyến 473 và 477 Điện lực Bình Đại

- Bước 2: Nhập sản lượng từng thời đoạn vào phần mềm PSS

Hình 4.4 ĐTPT P(t) % theo Pmax, Qmax

Do đặc thù phụ tải của ĐL Bình Đại trong thời gian khảo sát có sự tương đồng, đề xuất nghiên cứu ĐTPT cho một ngày điển hình với ba loại tải: sản xuất, kinh doanh và sinh hoạt Việc khảo sát có thể thực hiện trong khoảng thời gian một tuần hoặc một tháng điển hình để thu thập dữ liệu chính xác.

- Phụ tải ánh sang sinh hoạt sử dụng suốt trong suốt các thời đoạn trong ngày, tháng, riêng giữa tháng có tăng nhẹ;

- Phụ tải dịch vụ sử dụng đầu tháng và cuối tháng để phục vụ nhu cầu người dân địa phương;

- Sản xuất nước đá phục vụ đánh bắt thủy hải sản từ 10 tây đến 25 tây

- Bước 3: Chạy PSS tính tổn thất CS và TT năng lượng : Công tắc SWICHT 4 mở, lúc này 2 phát tuyến 473 và 477 giao lưới tại vị trí công tắc số SWICHT 4

Để xác định vị trí mở các công tắc tối ưu, bước 4 yêu cầu chạy TOPO Đầu tiên, cần đóng công tắc SWICHT 4 lại để tạo mạch vòng, sau đó mở công tắc đầu tuyến 473 và vị trí công tắc 3LBSBTBĐ Sau khi thực hiện các bước này, chạy TOPO để xác định vị trí mở công tắc tối ưu tại LBSĐKHTP, kết quả được trình bày trong Bảng 4.2.

- Bước 5: So sánh kết quả bước 3 và 4 để chọn lực cấu hình tối ưu

Bảng 4.2 Kết quả chạy PSS và tính tổn thất PP1

Tương tự ∆A (kWh) trong tháng 2: 4.811,583 * 30 ngày = 144.347 kWh và tháng 3 là: 158.268 kWh

4.3.2 Phương pháp nhập sản lượng điện trung bình của 24 giờ khảo sát 3 tháng, gồm các bước:

Bước đầu tiên là chọn một lưới điện có mạch vòng, trong đó mạch vòng này nhận điện từ hai nguồn khác nhau là tuyến 473 và 477 thuộc trạm 110kV Bình Đại Vị trí thường mở được đặt tại SWIT số 4, đây là cấu hình vận hành thực tế tại đơn vị.

Bước 2: Nhập sản lượng trung bình hàng ngày, ký hiệu P trung bình Trong ví dụ này, chúng ta chỉ xem xét dữ liệu trong 3 tháng, nhưng bạn có thể nhập công suất cho 24 giờ, 1 tháng, 12 tháng hoặc thời gian dài hơn.

- Bước 3: Chạy tổn thất: Giống phương pháp 1

- Bước 4: Chạy TOPO để xác định vị mở đặt các công tắc tối ưu: Giống phương pháp 1

- Bước 5: So sánh kết quả bước 3 và 4 để chọn lực cấu hình tối ưu

Bảng 4.3 Kết quả chạy PSS tính tổn thất và chạy TOPO PP2

Tương tự, ∆A (kWh) trong tháng 2: 130.597kWh, sau TOPO: 109.407kWh; Tháng 3: 142.618kWh, sau TOPO: 115.368kWh

Phụ tải lưới điện thường xuyên biến động, dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong dòng phân bố công suất trên các nhánh của lưới điện phân phối Sự biến đổi này làm cho việc vận hành lưới điện trở nên khó khăn và phức tạp Do đó, việc xác định lại vị trí các khóa mở trên lưới điện phân phối là cần thiết, góp phần quan trọng trong việc giảm tổn thất công suất.

Tìm điểm dừng tối ưu mới cho lưới điện phân phối nhằm đạt được các mục tiêu như giảm tổn thất công suất tác dụng, nâng cao chất lượng điện áp và tăng độ tin cậy cung cấp điện Việc nghiên cứu và ứng dụng giải thuật TOPO trong phần mềm PSS/ADEPT sẽ giúp giải quyết bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối một cách nhanh chóng và hiệu quả, đặc biệt trong việc giảm tổn thất công suất tác dụng trên lưới phân phối.

Sau khi sử dụng TOPO, người dùng sẽ nhận được thông tin về năng lượng tiêu thụ của từng tải, tương ứng với cấu hình tại các thời điểm trong ngày, tháng, hoặc theo một cấu hình tối ưu khác trong vòng ba tháng.

Năng lượng thu được cho từng cấu hình phụ thuộc vào phương pháp nhập phụ tải theo từng thời đoạn, dựa trên đồ thị phụ tải Phương pháp này tương đương với việc nhập phụ tải trung bình theo ngày và tháng.

So sánh phương pháp 2 có ưu điểm:

- Thông số đầu vào chỉ cần năng lượng tiêu thụ trong thời gian khảo sát (24 giờ, 1 tháng, 3 tháng hoặc hơn nữa….);

Phương pháp mới giúp cải thiện độ chính xác của các thông số đầu vào Trong tương lai, việc áp dụng phương pháp 2 sẽ tiết kiệm thời gian, chỉ cần thực hiện PSS một lần, trong khi phương pháp 1 yêu cầu nhiều lần chạy tùy thuộc vào tính toán kéo dài trong nhiều tháng.

Thực tế ở Điện lực vận hành 1 cấu hình trong một thời gian dài do nhiều nguyên nhân như:

- Nhân lực theo dõi và điều hành các khóa điện;

- Đóng cắt nhiều lần sẽ phát sinh chi phí bảo trì, bảo dưỡng

Việc chuyển đổi các khóa điện cần dựa trên sự so sánh giữa chi phí đầu tư và lợi nhuận thu được Thực tế cho thấy, cấu hình có tổn thất năng lượng thấp nhất không phải lúc nào cũng được ưu tiên; thay vào đó, cần chọn cấu hình có tổn thất chấp nhận được và ổn định Điều này giúp hạn chế việc chuyển đổi khóa điện nhiều lần, từ đó giảm thiểu chi phí phát sinh.