Nghiên cứu thuật toán tái cấu hình lưới điện phân phối tp hà nội nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng
- 63 trang
- file .pdf
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TÁI CẤU HÌNH
LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TP HÀ NỘI NHẰM
GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG
Ngô Thiệu Long
[email protected]
Ngành Quản lý kỹ thuật – công nghệ
Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Trương Ngọc Minh
Chữ ký của GVHD
Khoa: Điện – Trƣờng Điện, Điện tử
Hà Nội, 2022
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Ngô Thiệu Long
Đề tài luận văn: Nghiên cứu thuật toán tái cấu hình lưới điện phân phối Thành
phố Hà Nội nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng
Chuyên ngành: Quản lý kỹ thuật – công nghệ
Mã số SV: 20202677M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã
sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 29/10/2022 với các nội
dung sau:
- Hiệu chỉnh lại phần Tóm tắt luận văn cho phù hợp.
- Bổ sung hiệu chỉnh lại phần Mục lục.
- Bổ sung sanh mục tài liệu tham khảo, trích dẫn.
- Hiệu chỉnh lại phần Kết luận của đề tài.
Ngày 22 tháng 11 năm 2022
Giáo viên hƣớng dẫn
Tác giả luận văn
Ngô Thiệu Long
TS. Trƣơng Ngọc Minh
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TS. Lã Minh Khánh
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Trong luận văn có sử
dụng một số tài liệu của các đồng nghiệp, trích dẫn một số bài viết, tài liệu chuyên
ngành liên quan đến lưới điện phân phối của Việt Nam. Các số liệu, kết quả nêu trong
luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
Ngô Thiệu Long
LỜI CẢM ƠN
Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của TS. Trương Ngọc Minh trong việc hoàn thành
luận văn này. Trong quá trình làm luận văn, em không thể tránh được các thiếu sót,
mong các thầy cô và các bạn góp ý để em hoàn thiện hơn luận văn của mình.
Em xin cam đoan luận văn: “Nghiên cứu thuật toán tái cấu hình lưới điện phân
phối TP Hà Nội nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng” do em tự nghiên cứu dưới sự
hướng dẫn của TS. Trương Ngọc Minh
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Em xin chân thành cảm ơn
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Lưới điện phân phối (LĐPP) thường có các điểm mở để tạo thành lưới điện
hình tia khi cần thiết. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thì phụ tải của LĐPP thay
đổi liên tục nên bài toán xác định vị trí các điểm mở của LĐPP ngày càng quan trọng.
Việc tìm điểm mở trên LĐPP thực chất là đi xác định một cấu hình mới của LĐPP để
đạt các mục tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, cải thiện độ tin cậy
cung cấp điện, giảm tổn thất công suất tác dụng… Bài toán này thường được gọi là bài
toán tái cấu trúc LĐPP.
Trong luận văn này, em đã xây dựng chương trình xác định vị trí mở của các
khóa điện cho hệ thống lưới phân phối để tạo nên chế độ vận hành tối ưu, dựa trên nền
tảng ngôn ngữ lập trình MATLAB. Phần mềm này có thư viện các hàm toán học hết
sức phong phú, và hỗ trợ mạnh mẽ các phép toán xử lý ma trận. Nội dung đề tài em
xin giới thiệu những module chính trong phần lập trình thông qua một ví dụ xác định
vị trí các khóa mở trong một lưới điện phân phối ở thành phố Hà Nội. Trong kết luận
em cũng xin đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.
HỌC VIÊN
Ngô Thiệu Long
MỤC LỤC
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
LỜI CẢM ƠN
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƢỚI PHÂN
PHỐI ............................................................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu chung về lưới điện phân phối ................................................................ 3
1.2 Bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ................................................................ 4
1.2.1 Mô hình toán ...................................................................................................5
1.2.2 Một số phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối ....................................6
1.2.2.1 Thuật toán cắt vòng kín [1] .....................................................................6
1.2.2.2 Thuật toán đổi nhánh [2] .........................................................................8
1.2.2.3 Thuật toán tìm ngược Backtracking [3] ..................................................9
1.2.2.4 Thuật toán tái cấu trúc cho hệ thống lưới điện phân phối lớn cho tổng
tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất [4] ...............................................10
1.2.3 Nhận xét ........................................................................................................11
CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN TRÀO LƢU CÔNG SUẤT ..........................................13
2.1 Xây dựng các hệ phương trình .............................................................................13
2.1.1 Hệ phương trình cân bằng dòng nút ............................................................. 13
2.1.2 Hệ phương trình cân bằng công suất nút ......................................................15
2.2 Phương pháp Newton-Raphson ............................................................................17
CHƢƠNG 3: ÁP DỤNG KỸ THUẬT THUẬT TOÁN TÌM KIẾM CẤU HÌNH
LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ TỔN THẤT CÔNG SUẤT NHỎ NHẤT .............24
3.1 Đặt vấn đề: ............................................................................................................24
3.2 Thuật toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ..........................................................25
3.2.1 Giai đoạn 1: ...................................................................................................25
3.2.2 Giai đoạn 2: ...................................................................................................26
3.3 Các bước tiến hành ............................................................................................... 28
3.4 Sơ đồ thuật toán ....................................................................................................29
3.4.1 Giai đoạn 1: ...................................................................................................29
3.4.2 Giai đoạn 2: ...................................................................................................30
3.5 Ví dụ .....................................................................................................................30
3.5.1 Giai đoạn 1: ...................................................................................................31
3.5.2 Giai đoạn 2: ...................................................................................................37
CHƢƠNG 4: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG......................................................................39
4.1 Mô tả lưới điện: ....................................................................................................39
4.2 Mô tả quá trình thực hiện thuật toán: ...................................................................42
4.2.1 Giai đoạn 1: ...................................................................................................46
4.2.2 Giai đoạn 2: ...................................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 53
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Giải thuật của Merlin và Back .........................................................................7
Hình 1.2: Phương pháp kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange methods ......................9
Hình 1.3: Đồ thị so sánh kết quả các phương pháp .......................................................12
Hình 2.1: Minh họa phương pháp Newton-Raphson ....................................................18
Hình 2.2: Sơ đồ khối phương pháp Newton-Raphson ..................................................19
Hình 2.3: Sơ đồ khối áp dụng phương pháp Newton-Raphson trong tính toán trào lưu
công suất ........................................................................................................................23
Hình 4.1: Lưới điện .......................................................................................................40
Hình 4.2: Giao diện nhập dữ liệu nút ............................................................................42
Hình 4.3: Giao diện nhập dữ liệu nhánh........................................................................43
Hình 4.4: Giao diện chính của chương trình .................................................................44
Hình 4.5: Kết quả thu được qua 2 giai đoạn ..................................................................49
Hình 4.6: Kết quả cuối cùng của bài toán .....................................................................50
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh kết quả của các phương pháp nêu trên. ...........................................11
Bảng 4.1: ........................................................................................................................47
Bảng 4.2: ........................................................................................................................50
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
HTĐ : Hệ thống điện
LĐPP : Lưới điện phân phối
RMU : Thiết bị nối mạch vòng
IEEE : Lưới mẫu
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây
truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thực hiện nhiệm vụ sản xuất, truyền tải
và phân phối điện năng. Trong hệ thống điện, lưới điện phân phối (LĐPP) nhận điện
năng từ lưới truyền tải hay trạm biến áp trung gian của cấp truyền tải để cung cấp điện
đến các hộ tiêu thụ.
Tại Việt nam, lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối
điện cho các trạm phân phối trung áp, lưới hạ áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải hạ
áp. Phụ tải của lưới phân phối Việt Nam đa dạng và phức tạp, nhất là ở một số khu vực
các phụ tải sinh hoạt, dịch vụ và tiểu thủ công nghiệp đa phần cùng trong 1 hộ phụ tải.
Các LĐPP này khi thiết kế có dạng kín nhưng trong chế độ vận hành thì chúng
thường vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá. Trong mạch vòng các xuất tuyến
được liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc thiết bị nối mạch vòng (RMU), các thiết
bị này vận hành ở vị trí mở. Khi cần sửa chữa hoặc có sự cố đường dây điện thì việc
cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển đổi nguồn cung cấp bằng
thao tác đóng cắt dao cách ly phân đoạn hay tự động chuyển đổi nhờ các thiết bị nối
mạch vòng.
So với dạng hình tia, mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn, đó chính là lí do
tồn tại của mạch vòng, song lại gây vấn đề phức tạp về bảo vệ rơle. Cấu trúc mạch
vòng chỉ thích hợp cho mạng có số lượng trạm trên mạch vòng ít. Mặt khác cùng với
một giá trị vốn đầu tư thì hiệu quả khai thác mạch vòng kín so với mạch hình tia là
thấp hơn. Ngoài ra, chất lượng phục vụ của mạng hình tia đã liên tục được cải thiện,
đặc biệt là những thập niên gần đây với sự xuất hiện các thiết bị công nghệ mới và các
thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện, tăng tiết diện dây dẫn và bù công
suất phản kháng, do vậy chất lượng điện mạng hình tia đã được cải tạo nhiều.
Kết quả của nhiều nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành đã đưa đến kết
luận nên vận hành lưới phân phối theo dạng hình tia bởi các lý do:
Dễ dàng hơn trong việc thiết kế hệ thống bảo vệ rơle
Điều chỉnh điện áp dễ dàng hơn
Dự báo và điều khiển dòng công suất dễ dàng hơn
Vận hành đơn giản, linh hoạt
Chi phí thấp
1
Do đó, LĐPP thường có các điểm mở để tạo thành lưới điện hình tia khi cần
thiết. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thì phụ tải của LĐPP thay đổi liên tục nên
bài toán xác định vị trí các điểm mở của LĐPP ngày càng quan trọng. Việc tìm điểm
mở trên LĐPP thực chất là đi xác định một cấu hình mới của LĐPP để đạt các mục
tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, cải thiện độ tin cậy cung cấp
điện, giảm tổn thất công suất tác dụng… Bài toán này thường được gọi là bài toán tái
cấu trúc LĐPP.
Trong luận văn này, em đã xây dựng chương trình xác định vị trí mở của các
khóa điện cho hệ thống lưới phân phối để tạo nên chế độ vận hành tối ưu, dựa trên nền
tảng ngôn ngữ lập trình MATLAB. Phần mềm này có thư viện các hàm toán học hết
sức phong phú, và hỗ trợ mạnh mẽ các phép toán xử lý ma trận. Nội dung đề tài em
xin giới thiệu những module chính trong phần lập trình thông qua một ví dụ xác định
vị trí các khóa mở trong một lưới điện phân phối ở thành phồ Hà Nội. Trong kết luận
em cũng xin đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.
Giáo viên hƣớng dẫn
TS. Trƣơng Ngọc Minh
2
1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƢỚI
2 PHÂN PHỐI
2.1 Giới thiệu chung về lƣới điện phân phối
Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây
truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thực hiện nhiệm vụ sản xuất, truyền tải
và phân phối điện năng.
Trong hệ thống điện, lưới điện phân phối (LĐPP) nhận điện năng từ lưới truyền
tải hay trạm biến áp trung gian của cấp truyền tải để cung cấp điện đến các hộ tiêu thụ.
Các yêu cầu chính đối với lưới điện phân phối bao gồm:
- Mạng điện phân phối cung cấp điện năng trực tiếp cho khách hàng sử dụng,
do đó chất lượng điện áp là yêu cầu quan trọng cần được bảo đảm. Điện áp của lưới
phân phối phải nằm trong giới hạn cho phép. Độ biến thiên điện áp cho phép là ± 5%
Uđm;
- Các thiết bị như máy biến áp, đường dây, cầu chì…phải được đảm bảo không
bị quá tải;
- Để đảm bảo việc cung cấp điện liên tục và ít gây mất điện nhất cho khách
hàng, lưới điện phân phối phải được cung cấp từ nhiều nguồn khác nhau như : có
nhiều nguồn cung cấp, có đường dây dự phòng, có nguồn thay thế;
- 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.
Tại Việt nam, lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối
điện cho các trạm phân phối trung áp, lưới hạ áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải hạ
áp. Phụ tải của lưới phân phối Việt Nam đa dạng và phức tạp, nhất là ở một số khu vực
các phụ tải sinh hoạt, dịch vụ và tiểu thủ công nghiệp đa phần cùng trong 1 hộ phụ tải.
Các LĐPP này khi thiết kế có dạng kín nhưng trong chế độ vận hành thì chúng
thường vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá. Trong mạch vòng các xuất tuyến
được liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc thiết bị nối mạch vòng (RMU), các thiết
bị này vận hành ở vị trí mở. Khi cần sửa chữa hoặc có sự cố đường dây điện thì việc
cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển đổi nguồn cung cấp bằng
3
thao tác đóng cắt dao cách ly phân đoạn hay tự động chuyển đổi nhờ các thiết bị nối
mạch vòng.
So với dạng hình tia, mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn, đó chính là lí do
tồn tại của mạch vòng, song lại gây vấn đề phức tạp về bảo vệ rơle. Cấu trúc mạch
vòng chỉ thích hợp cho mạng có số lượng trạm trên mạch vòng ít. Mặt khác cùng với
một giá trị vốn đầu tư thì hiệu quả khai thác mạch vòng kín so với mạch hình tia là
thấp hơn. Ngoài ra, chất lượng phục vụ của mạng hình tia đã liên tục được cải thiện,
đặc biệt là những thập niên gần đây với sự xuất hiện các thiết bị công nghệ mới và các
thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện, tăng tiết diện dây dẫn và bù công
suất phản kháng, do vậy chất lượng điện mạng hình tia đã được cải tạo nhiều.
Kết quả của nhiều nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành đã đưa đến kết
luận nên vận hành lưới phân phối theo dạng hình tia bởi các lý do:
Dễ dàng hơn trong việc thiết kế hệ thống bảo vệ rơle
Điều chỉnh điện áp dễ dàng hơn
Dự báo và điều khiển dòng công suất dễ dàng hơn
Vận hành đơn giản, linh hoạt
Chi phí thấp
Do đó, LĐPP thường có các điểm mở để tạo thành lưới điện hình tia khi cần
thiết. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thì phụ tải của LĐPP thay đổi liên tục nên
bài toán xác định vị trí các điểm mở của LĐPP ngày càng quan trọng. Việc tìm điểm
mở trên LĐPP thực chất là đi xác định một cấu hình mới của LĐPP để đạt các mục
tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, cải thiện độ tin cậy cung cấp
điện, giảm tổn thất công suất tác dụng… Bài toán này thường được gọi là bài toán tái
cấu trúc LĐPP.
2.2 Bài toán tái cấu trúc lƣới điện phân phối
Bài toán tái cấu trúc lưới điện thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng/mở các
cặp thiết bị chuyển mạch không những không đòi hỏi nhiều về vốn đầu tư mà còn giúp
giảm tổn thất điện năng đáng kể khi cân bằng tải giữa các tuyến được thiết lập. Không
chỉ vậy, tái cấu trúc lưới điện phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới
điện, giảm sụt áp cuối lưới và giảm số khách hàng bị mất điện khi sự cố. Tái cấu trúc
lưới điện có ý nghĩa quan trọng trong quản lý, vận hành lưới điện.
4
Bài toán tái cấu trúc có thể được thực hiện với nhiều hàm mục tiêu khác nhau,
như hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất, hàm mục tiêu đảm bảo yêu cầu kỹ thuật,
đảm bảo dòng ngắn mạch, v.v. Trong phạm vi đồ án này, bài toán tái cấu trúc lưới điện
phân phối theo hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất sẽ được quan tâm.
2.2.1 Mô hình toán
Vấn đề tái cấu trúc hệ thống cũng tương tự nhiều bài toán tối ưu khác như bài
toán tính toán phân bố tối ưu công suất, tính toán tìm vị trí, dung lượng bù tối ưu…
Tuy nhiên, khối lượng tính toán của bài toán tái cấu trúc là lớn do có nhiều biến số tác
động đến các trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành như: lưới điện phân phối phải
vận hành hở, không quá tải máy biến áp, đường dây, thiết bị đóng cắt, và sụt áp tại các
hộ tiêu thụ điện phải nằm trong giới hạn cho phép. Vấn đề tiếp theo là phải đóng mở
các khóa trong mỗi vòng sao cho tổn thất công suất trên mạng phân phối đặc trưng là
nhỏ nhất. Để làm được điều này ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm kiếm cấu
trúc lưới có tổn thất công suất nhỏ nhất.
Về mặt toán học, tái cấu trúc lưới điện là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc
theo dòng công suất chạy trên các nhánh:
Hàm cực tiểu : Ploss = ∑ ∑ đạt giá trị min (2)
Thỏa mãn theo các điều kiện ràng buộc:
∑
∑
{
Trong đó:
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
St : công suất máy biến áp t
5
ft: các đường dây được cung cấp điện từ máy biến áp t
λft : có giá trị là 1 nếu đường dây ft làm việc, là 0 nếu đường dây ft
không làm việc.
Hàm mục tiêu (2) thể hiện tổng tổn thất công suất trên toàn lưới phân phối, có
thể đơn giản hóa hàm mục tiêu bằng cách xét dòng công suất nhánh chỉ có 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 theo nhu cầu của các phụ tải. Biểu thức (2.2) và (2.3) là điều kiện chống quá
tải tại trạm trung gian và sụt áp tại nơi tiêu thụ. Biểu thức (2.4) đảm bảo rằng các trạm
biến thế hoạt động trong giới hạn công suất cho phép. Biểu thức (2.5) đảm bảo mạng
điện được vận hành với cấu hình tia. Với mô tả trên, tái cấu trúc hệ thống lưới điện
phân phối là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc. Hàm mục tiêu bị gián đoạn, rất khó
để giải bài toán tái cấu trúc bằng phương pháp giải tích toán học truyền thống và điều
này còn gặp khó khăn hơn khi lưới điện không cân bằng.
- Các giả thiết trong bài toán tái cấu trúc:
Không xét điến các thiết bị bù phản kháng
Độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối được xem là không đổi khi
cấu trúc lưới thay đổi.
2.2.2 Một số phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối
2.2.2.1 Thuật toán cắt vòng kín [1]
Giải thuật của Merlin và Back khá đơn giản: “ Đóng tất cả các khóa điện lại tạo
thành 1 vòng kín, sau đó giải bài toán phân bố công suất và tiến hành mở lần lượt các
khóa có dòng điện bé nhất cho đến khi lưới điện trở thành dạng hình tia”. Ở đây
Merlin và Back cho rằng với mạch vòng, lưới điện phân phối luôn có mức tổn thất
công suất bé nhất. Vì vậy để có lưới điện phân phối vận hành hình tia, Merlin và Back
lần lượt loại bỏ những nhánh có tổn thất công suất nhỏ nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi
lưới điện đạt trạng thái vận hành hở. Các giải thuật tìm kiếm nhánh và biên ứng dụng
kỹ thuật Heuristic này mất nhiều thời gian do có khả năng sẽ xảy ra đến 2n cấu trúc nếu
có n đường dây được trang bị khóa điện. Hình 2.1 thể hiện giải thuật của Merlin và
Back, đã được Shirmohammadi bổ sung:
6
Đọc dữ liệu và khóa điện
Đóng tất cả các khóa điện
Giải bài toán phân bố công suất và thay thế
tải bằng các nguồn dòng
Giải bài toán phân bố công suất tối ưu
Mở khóa điện có dòng bé nhất
Yes
Đóng khóa điện vừa mở
Vi phạm các
Mở khóa điện có dòng bé nhất tiếp theo
điều kiện vận
No
No
Lưới điện hình
tia?
Yes
Kết quả
Hình 2.1: Giải thuật của Merlin và Back
Giải thuật này chỉ khác so với các giải thuật nguyên thủy của Merlin và Back ở
chỗ có xét đến điện thế ở trạm trung gian và yếu tố liên quan đến dòng điện.
Giải thuật của Merlin và Back được Shirmohammadi chỉnh sửa, ông là tác giả
đầu tiên sử dụng kĩ thuật bơm vào và rút ra một lượng công suất không đổi để mô
phỏng thao tác thay đổi cấu trúc của lưới điện phân phối hoạt động hở về mặt vật lý
nhưng về mặt toán học là một mạch vòng. Dòng công suất bơm vào và rút ra là một
đại lượng liên tục. Sau khi chỉnh sửa, kỹ thuật này vẫn còn bộc lộ nhiều nhược điểm
như:
- Mặc dù đã áp dụng các kỹ thuật tìm kiếm kinh nghiệm, giải thuật này vẫn
cần nhiều thời gian để tìm cấu trúc giảm tổn thất công suất.
- Tính chất không cân bằng và nhiều pha chưa được mô phỏng đầy đủ.
- Tổn thất công suất của máy biến áp chưa được xét đến trong giải thuật.
7
2.2.2.2 Thuật toán đổi nhánh [2]
Phương pháp kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange methods được bắt đầu với
giả thiết là: Lưới điện phân phối được vận hành với cấu trúc hình tia, một khóa điện
được đóng lại và đồng thời 1 khóa điện khác trong mạch vòng được mở ra đảm bảo
cấu trúc hình tia của lưới điện. Mỗi lần thay đổi trạng thái đóng/cắt của một cặp khóa
điện, sự thay đổi tổn thất công suất trên lưới lại được đánh giá. Phương pháp thay đổi
nhánh sẽ dừng lại khi không thể giảm tổn thất công suất được nữa.
Được Civanlar phát triển năm 1989, phương pháp này yêu cầu sự phân tích
đánh giá dòng công suất trên toàn bộ hệ thống tại thời điểm tính toán. Sự thay đổi tổn
thất nhờ sự thay đổi trạng thái đóng cắt của cặp khóa điện được tính qua công thức:
{ (∑ ) } |∑ |
Trong đó:
D : Tập các nút tải sẽ được đổi nhánh.
Ii : Dòng tải tại nút thứ i.
Em : Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra ở nút m.
En : Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút n.
Rloop : Tổng các điện trở trên vòng kín khi đóng các khóa điện.
Phương pháp này có hạn chế là khối lượng tính toán nhiều, trong lưới điện lớn,
số lượng khóa điện nhiều, việc tính toán chế độ trong mỗi lần thay đổi trạng thái
đóng/cắt của cặp khóa điện là rất khó khăn và mất nhiều thời gian.
8
Giảm số lần thao tác khóa điện bằng cách
xem xét các luật Heuristic
Tính toán tổn thất công suất cho các thao
tác đóng cắt được đề nghị
No
Các thao tác đóng
cắt làm giảm tổn
thất công suất?
Yes
Thực hiện thao tác đóng cắt khóa có mức
độ giảm tổn thất công suất nhất
Phân bố công suất cho lưới điện mới
Không thoả mãn
Kiểm tra quá tải Hệ thống được xem là tối ưu
và độ sụt áp cho
Thoả mãn
Kết quả
Hình 2.2: Phƣơng pháp kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange methods
2.2.2.3 Thuật toán tìm ngược Backtracking [3]
Thuật toán – Backtracking – được Thomas E.MacDermott nghiên cứu và phát
triển năm 1998, thuật toán này cũng là 1 trong những bài toán “mở lần lượt các thiết bị
đóng cắt phân đoạn – sequential switch opening method” nhưng xuất phát điểm lại
ngược lại so với thuật toán cắt vòng kín của Shirmohammadi. Trong thuật toán này,
Thomas giả thiết tất cả các khóa điện đều mở, các phụ tải được thay thế bởi các nguồn
dòng đồng thời đưa ra 1 tỷ số giữa tổn thất công suất và trị số nguồn dòng tại nút được
cấp điện nhờ khóa điện đang xét đóng. Tỷ số giữa tổn thất công suất và nguồn dòng
càng nhỏ thì càng có lợi.
Thuật toán Backtracking gồm các bước như sau:
9
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: Tìm cách gắn lần lượt từng phụ tải vào hệ thống qua một khóa điện
duy nhất, khóa điện này sẽ có trạng thái đóng. Các phụ tải có quyền lựa chọn xem việc
nối với nguồn nào để có tổn thất công suất nhỏ nhất.
Bước 3: Tải sau khi được nối vào hệ thống sẽ trở thành nguồn cho các tải kế
tiếp xem xét để kết nối ( điều này đảm bảo mỗi tải chỉ được cung cấp điện từ một
nguồn duy nhất – điều kiện cấu hình vận hành hình tia).
Bước 4: Quá trình hình thành lưới điện sẽ kết thúc khi tất cả các phụ tải đều
được cung cấp điện. Các khóa điện mở là các khóa còn lại trong hệ thống.
Phương pháp này của Thomas E.MacDermott đã chứng minh được tính đúng
đắn khi đi giải các bài toán mẫu đã được chứng minh như bài toán Civanlar hai nguồn,
ba nguồn, bài toán Glamocanin, bài toán Baran và Wu ... đều cho ra kết quả trùng lặp
với các phương pháp khác, điều đó chứng tỏ sự đúng đắn của giải thuật.
Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn bị hạn chế là khi lưới điện phân phối lớn
với rất nhiều nút và nhiều nguồn cung cấp thì phương pháp này tính toán và phân tích
kết quả của từng nhánh và từng nút trong lưới do đó khối lượng tính toán lớn, kết quả
đưa ra còn chậm.
2.2.2.4 Thuật toán tái cấu trúc cho hệ thống lưới điện phân phối lớn cho tổng
tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất [4]
Thuật toán này được F.Vanderson Gomes nghiên cứu và phát triển năm 2004.
Thuật toán này đặc biệt phù hợp với hệ thống lưới điện phân phối quy mô lớn. Thuật
toán bắt đầu với giả thiết tất cả các khóa điện đều đóng. Việc quyết định mở một khóa
dựa trên kết quả tính toán trào lưu công suất với tổng tổn thất công suất tác dụng trong
lưới nhỏ nhất. Phương pháp gồm hai giai đoạn:
1- Các khóa lần lượt được mở ra cho đến khi lưới trở thành hình tia, đồng thời
trong quá trình mở khóa, một danh sách các khóa liền kề với khóa được mở sẽ được
lưu lại.
2- Trao đổi trạng thái các khóa được mở với hai khóa liền kề chúng và so sánh
tổng tổn thất trong 2 trường hợp, lựa chọn mở hoàn toàn khóa cho tổn thất công suất
tác dụng nhỏ hơn.
10
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TÁI CẤU HÌNH
LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TP HÀ NỘI NHẰM
GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG
Ngô Thiệu Long
[email protected]
Ngành Quản lý kỹ thuật – công nghệ
Giảng viên hƣớng dẫn: TS. Trương Ngọc Minh
Chữ ký của GVHD
Khoa: Điện – Trƣờng Điện, Điện tử
Hà Nội, 2022
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Ngô Thiệu Long
Đề tài luận văn: Nghiên cứu thuật toán tái cấu hình lưới điện phân phối Thành
phố Hà Nội nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng
Chuyên ngành: Quản lý kỹ thuật – công nghệ
Mã số SV: 20202677M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã
sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 29/10/2022 với các nội
dung sau:
- Hiệu chỉnh lại phần Tóm tắt luận văn cho phù hợp.
- Bổ sung hiệu chỉnh lại phần Mục lục.
- Bổ sung sanh mục tài liệu tham khảo, trích dẫn.
- Hiệu chỉnh lại phần Kết luận của đề tài.
Ngày 22 tháng 11 năm 2022
Giáo viên hƣớng dẫn
Tác giả luận văn
Ngô Thiệu Long
TS. Trƣơng Ngọc Minh
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TS. Lã Minh Khánh
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Trong luận văn có sử
dụng một số tài liệu của các đồng nghiệp, trích dẫn một số bài viết, tài liệu chuyên
ngành liên quan đến lưới điện phân phối của Việt Nam. Các số liệu, kết quả nêu trong
luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
Ngô Thiệu Long
LỜI CẢM ƠN
Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của TS. Trương Ngọc Minh trong việc hoàn thành
luận văn này. Trong quá trình làm luận văn, em không thể tránh được các thiếu sót,
mong các thầy cô và các bạn góp ý để em hoàn thiện hơn luận văn của mình.
Em xin cam đoan luận văn: “Nghiên cứu thuật toán tái cấu hình lưới điện phân
phối TP Hà Nội nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng” do em tự nghiên cứu dưới sự
hướng dẫn của TS. Trương Ngọc Minh
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Em xin chân thành cảm ơn
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Lưới điện phân phối (LĐPP) thường có các điểm mở để tạo thành lưới điện
hình tia khi cần thiết. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thì phụ tải của LĐPP thay
đổi liên tục nên bài toán xác định vị trí các điểm mở của LĐPP ngày càng quan trọng.
Việc tìm điểm mở trên LĐPP thực chất là đi xác định một cấu hình mới của LĐPP để
đạt các mục tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, cải thiện độ tin cậy
cung cấp điện, giảm tổn thất công suất tác dụng… Bài toán này thường được gọi là bài
toán tái cấu trúc LĐPP.
Trong luận văn này, em đã xây dựng chương trình xác định vị trí mở của các
khóa điện cho hệ thống lưới phân phối để tạo nên chế độ vận hành tối ưu, dựa trên nền
tảng ngôn ngữ lập trình MATLAB. Phần mềm này có thư viện các hàm toán học hết
sức phong phú, và hỗ trợ mạnh mẽ các phép toán xử lý ma trận. Nội dung đề tài em
xin giới thiệu những module chính trong phần lập trình thông qua một ví dụ xác định
vị trí các khóa mở trong một lưới điện phân phối ở thành phố Hà Nội. Trong kết luận
em cũng xin đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.
HỌC VIÊN
Ngô Thiệu Long
MỤC LỤC
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
LỜI CẢM ƠN
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƢỚI PHÂN
PHỐI ............................................................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu chung về lưới điện phân phối ................................................................ 3
1.2 Bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ................................................................ 4
1.2.1 Mô hình toán ...................................................................................................5
1.2.2 Một số phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối ....................................6
1.2.2.1 Thuật toán cắt vòng kín [1] .....................................................................6
1.2.2.2 Thuật toán đổi nhánh [2] .........................................................................8
1.2.2.3 Thuật toán tìm ngược Backtracking [3] ..................................................9
1.2.2.4 Thuật toán tái cấu trúc cho hệ thống lưới điện phân phối lớn cho tổng
tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất [4] ...............................................10
1.2.3 Nhận xét ........................................................................................................11
CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN TRÀO LƢU CÔNG SUẤT ..........................................13
2.1 Xây dựng các hệ phương trình .............................................................................13
2.1.1 Hệ phương trình cân bằng dòng nút ............................................................. 13
2.1.2 Hệ phương trình cân bằng công suất nút ......................................................15
2.2 Phương pháp Newton-Raphson ............................................................................17
CHƢƠNG 3: ÁP DỤNG KỸ THUẬT THUẬT TOÁN TÌM KIẾM CẤU HÌNH
LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ TỔN THẤT CÔNG SUẤT NHỎ NHẤT .............24
3.1 Đặt vấn đề: ............................................................................................................24
3.2 Thuật toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ..........................................................25
3.2.1 Giai đoạn 1: ...................................................................................................25
3.2.2 Giai đoạn 2: ...................................................................................................26
3.3 Các bước tiến hành ............................................................................................... 28
3.4 Sơ đồ thuật toán ....................................................................................................29
3.4.1 Giai đoạn 1: ...................................................................................................29
3.4.2 Giai đoạn 2: ...................................................................................................30
3.5 Ví dụ .....................................................................................................................30
3.5.1 Giai đoạn 1: ...................................................................................................31
3.5.2 Giai đoạn 2: ...................................................................................................37
CHƢƠNG 4: TÍNH TOÁN ÁP DỤNG......................................................................39
4.1 Mô tả lưới điện: ....................................................................................................39
4.2 Mô tả quá trình thực hiện thuật toán: ...................................................................42
4.2.1 Giai đoạn 1: ...................................................................................................46
4.2.2 Giai đoạn 2: ...................................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 53
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Giải thuật của Merlin và Back .........................................................................7
Hình 1.2: Phương pháp kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange methods ......................9
Hình 1.3: Đồ thị so sánh kết quả các phương pháp .......................................................12
Hình 2.1: Minh họa phương pháp Newton-Raphson ....................................................18
Hình 2.2: Sơ đồ khối phương pháp Newton-Raphson ..................................................19
Hình 2.3: Sơ đồ khối áp dụng phương pháp Newton-Raphson trong tính toán trào lưu
công suất ........................................................................................................................23
Hình 4.1: Lưới điện .......................................................................................................40
Hình 4.2: Giao diện nhập dữ liệu nút ............................................................................42
Hình 4.3: Giao diện nhập dữ liệu nhánh........................................................................43
Hình 4.4: Giao diện chính của chương trình .................................................................44
Hình 4.5: Kết quả thu được qua 2 giai đoạn ..................................................................49
Hình 4.6: Kết quả cuối cùng của bài toán .....................................................................50
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh kết quả của các phương pháp nêu trên. ...........................................11
Bảng 4.1: ........................................................................................................................47
Bảng 4.2: ........................................................................................................................50
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
HTĐ : Hệ thống điện
LĐPP : Lưới điện phân phối
RMU : Thiết bị nối mạch vòng
IEEE : Lưới mẫu
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây
truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thực hiện nhiệm vụ sản xuất, truyền tải
và phân phối điện năng. Trong hệ thống điện, lưới điện phân phối (LĐPP) nhận điện
năng từ lưới truyền tải hay trạm biến áp trung gian của cấp truyền tải để cung cấp điện
đến các hộ tiêu thụ.
Tại Việt nam, lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối
điện cho các trạm phân phối trung áp, lưới hạ áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải hạ
áp. Phụ tải của lưới phân phối Việt Nam đa dạng và phức tạp, nhất là ở một số khu vực
các phụ tải sinh hoạt, dịch vụ và tiểu thủ công nghiệp đa phần cùng trong 1 hộ phụ tải.
Các LĐPP này khi thiết kế có dạng kín nhưng trong chế độ vận hành thì chúng
thường vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá. Trong mạch vòng các xuất tuyến
được liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc thiết bị nối mạch vòng (RMU), các thiết
bị này vận hành ở vị trí mở. Khi cần sửa chữa hoặc có sự cố đường dây điện thì việc
cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển đổi nguồn cung cấp bằng
thao tác đóng cắt dao cách ly phân đoạn hay tự động chuyển đổi nhờ các thiết bị nối
mạch vòng.
So với dạng hình tia, mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn, đó chính là lí do
tồn tại của mạch vòng, song lại gây vấn đề phức tạp về bảo vệ rơle. Cấu trúc mạch
vòng chỉ thích hợp cho mạng có số lượng trạm trên mạch vòng ít. Mặt khác cùng với
một giá trị vốn đầu tư thì hiệu quả khai thác mạch vòng kín so với mạch hình tia là
thấp hơn. Ngoài ra, chất lượng phục vụ của mạng hình tia đã liên tục được cải thiện,
đặc biệt là những thập niên gần đây với sự xuất hiện các thiết bị công nghệ mới và các
thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện, tăng tiết diện dây dẫn và bù công
suất phản kháng, do vậy chất lượng điện mạng hình tia đã được cải tạo nhiều.
Kết quả của nhiều nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành đã đưa đến kết
luận nên vận hành lưới phân phối theo dạng hình tia bởi các lý do:
Dễ dàng hơn trong việc thiết kế hệ thống bảo vệ rơle
Điều chỉnh điện áp dễ dàng hơn
Dự báo và điều khiển dòng công suất dễ dàng hơn
Vận hành đơn giản, linh hoạt
Chi phí thấp
1
Do đó, LĐPP thường có các điểm mở để tạo thành lưới điện hình tia khi cần
thiết. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thì phụ tải của LĐPP thay đổi liên tục nên
bài toán xác định vị trí các điểm mở của LĐPP ngày càng quan trọng. Việc tìm điểm
mở trên LĐPP thực chất là đi xác định một cấu hình mới của LĐPP để đạt các mục
tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, cải thiện độ tin cậy cung cấp
điện, giảm tổn thất công suất tác dụng… Bài toán này thường được gọi là bài toán tái
cấu trúc LĐPP.
Trong luận văn này, em đã xây dựng chương trình xác định vị trí mở của các
khóa điện cho hệ thống lưới phân phối để tạo nên chế độ vận hành tối ưu, dựa trên nền
tảng ngôn ngữ lập trình MATLAB. Phần mềm này có thư viện các hàm toán học hết
sức phong phú, và hỗ trợ mạnh mẽ các phép toán xử lý ma trận. Nội dung đề tài em
xin giới thiệu những module chính trong phần lập trình thông qua một ví dụ xác định
vị trí các khóa mở trong một lưới điện phân phối ở thành phồ Hà Nội. Trong kết luận
em cũng xin đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.
Giáo viên hƣớng dẫn
TS. Trƣơng Ngọc Minh
2
1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƢỚI
2 PHÂN PHỐI
2.1 Giới thiệu chung về lƣới điện phân phối
Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây
truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thực hiện nhiệm vụ sản xuất, truyền tải
và phân phối điện năng.
Trong hệ thống điện, lưới điện phân phối (LĐPP) nhận điện năng từ lưới truyền
tải hay trạm biến áp trung gian của cấp truyền tải để cung cấp điện đến các hộ tiêu thụ.
Các yêu cầu chính đối với lưới điện phân phối bao gồm:
- Mạng điện phân phối cung cấp điện năng trực tiếp cho khách hàng sử dụng,
do đó chất lượng điện áp là yêu cầu quan trọng cần được bảo đảm. Điện áp của lưới
phân phối phải nằm trong giới hạn cho phép. Độ biến thiên điện áp cho phép là ± 5%
Uđm;
- Các thiết bị như máy biến áp, đường dây, cầu chì…phải được đảm bảo không
bị quá tải;
- Để đảm bảo việc cung cấp điện liên tục và ít gây mất điện nhất cho khách
hàng, lưới điện phân phối phải được cung cấp từ nhiều nguồn khác nhau như : có
nhiều nguồn cung cấp, có đường dây dự phòng, có nguồn thay thế;
- 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.
Tại Việt nam, lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối
điện cho các trạm phân phối trung áp, lưới hạ áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải hạ
áp. Phụ tải của lưới phân phối Việt Nam đa dạng và phức tạp, nhất là ở một số khu vực
các phụ tải sinh hoạt, dịch vụ và tiểu thủ công nghiệp đa phần cùng trong 1 hộ phụ tải.
Các LĐPP này khi thiết kế có dạng kín nhưng trong chế độ vận hành thì chúng
thường vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá. Trong mạch vòng các xuất tuyến
được liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc thiết bị nối mạch vòng (RMU), các thiết
bị này vận hành ở vị trí mở. Khi cần sửa chữa hoặc có sự cố đường dây điện thì việc
cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển đổi nguồn cung cấp bằng
3
thao tác đóng cắt dao cách ly phân đoạn hay tự động chuyển đổi nhờ các thiết bị nối
mạch vòng.
So với dạng hình tia, mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn, đó chính là lí do
tồn tại của mạch vòng, song lại gây vấn đề phức tạp về bảo vệ rơle. Cấu trúc mạch
vòng chỉ thích hợp cho mạng có số lượng trạm trên mạch vòng ít. Mặt khác cùng với
một giá trị vốn đầu tư thì hiệu quả khai thác mạch vòng kín so với mạch hình tia là
thấp hơn. Ngoài ra, chất lượng phục vụ của mạng hình tia đã liên tục được cải thiện,
đặc biệt là những thập niên gần đây với sự xuất hiện các thiết bị công nghệ mới và các
thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện, tăng tiết diện dây dẫn và bù công
suất phản kháng, do vậy chất lượng điện mạng hình tia đã được cải tạo nhiều.
Kết quả của nhiều nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành đã đưa đến kết
luận nên vận hành lưới phân phối theo dạng hình tia bởi các lý do:
Dễ dàng hơn trong việc thiết kế hệ thống bảo vệ rơle
Điều chỉnh điện áp dễ dàng hơn
Dự báo và điều khiển dòng công suất dễ dàng hơn
Vận hành đơn giản, linh hoạt
Chi phí thấp
Do đó, LĐPP thường có các điểm mở để tạo thành lưới điện hình tia khi cần
thiết. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thì phụ tải của LĐPP thay đổi liên tục nên
bài toán xác định vị trí các điểm mở của LĐPP ngày càng quan trọng. Việc tìm điểm
mở trên LĐPP thực chất là đi xác định một cấu hình mới của LĐPP để đạt các mục
tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, cải thiện độ tin cậy cung cấp
điện, giảm tổn thất công suất tác dụng… Bài toán này thường được gọi là bài toán tái
cấu trúc LĐPP.
2.2 Bài toán tái cấu trúc lƣới điện phân phối
Bài toán tái cấu trúc lưới điện thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng/mở các
cặp thiết bị chuyển mạch không những không đòi hỏi nhiều về vốn đầu tư mà còn giúp
giảm tổn thất điện năng đáng kể khi cân bằng tải giữa các tuyến được thiết lập. Không
chỉ vậy, tái cấu trúc lưới điện phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới
điện, giảm sụt áp cuối lưới và giảm số khách hàng bị mất điện khi sự cố. Tái cấu trúc
lưới điện có ý nghĩa quan trọng trong quản lý, vận hành lưới điện.
4
Bài toán tái cấu trúc có thể được thực hiện với nhiều hàm mục tiêu khác nhau,
như hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất, hàm mục tiêu đảm bảo yêu cầu kỹ thuật,
đảm bảo dòng ngắn mạch, v.v. Trong phạm vi đồ án này, bài toán tái cấu trúc lưới điện
phân phối theo hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất sẽ được quan tâm.
2.2.1 Mô hình toán
Vấn đề tái cấu trúc hệ thống cũng tương tự nhiều bài toán tối ưu khác như bài
toán tính toán phân bố tối ưu công suất, tính toán tìm vị trí, dung lượng bù tối ưu…
Tuy nhiên, khối lượng tính toán của bài toán tái cấu trúc là lớn do có nhiều biến số tác
động đến các trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành như: lưới điện phân phối phải
vận hành hở, không quá tải máy biến áp, đường dây, thiết bị đóng cắt, và sụt áp tại các
hộ tiêu thụ điện phải nằm trong giới hạn cho phép. Vấn đề tiếp theo là phải đóng mở
các khóa trong mỗi vòng sao cho tổn thất công suất trên mạng phân phối đặc trưng là
nhỏ nhất. Để làm được điều này ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm kiếm cấu
trúc lưới có tổn thất công suất nhỏ nhất.
Về mặt toán học, tái cấu trúc lưới điện là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc
theo dòng công suất chạy trên các nhánh:
Hàm cực tiểu : Ploss = ∑ ∑ đạt giá trị min (2)
Thỏa mãn theo các điều kiện ràng buộc:
∑
∑
{
Trong đó:
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
St : công suất máy biến áp t
5
ft: các đường dây được cung cấp điện từ máy biến áp t
λft : có giá trị là 1 nếu đường dây ft làm việc, là 0 nếu đường dây ft
không làm việc.
Hàm mục tiêu (2) thể hiện tổng tổn thất công suất trên toàn lưới phân phối, có
thể đơn giản hóa hàm mục tiêu bằng cách xét dòng công suất nhánh chỉ có 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 theo nhu cầu của các phụ tải. Biểu thức (2.2) và (2.3) là điều kiện chống quá
tải tại trạm trung gian và sụt áp tại nơi tiêu thụ. Biểu thức (2.4) đảm bảo rằng các trạm
biến thế hoạt động trong giới hạn công suất cho phép. Biểu thức (2.5) đảm bảo mạng
điện được vận hành với cấu hình tia. Với mô tả trên, tái cấu trúc hệ thống lưới điện
phân phối là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc. Hàm mục tiêu bị gián đoạn, rất khó
để giải bài toán tái cấu trúc bằng phương pháp giải tích toán học truyền thống và điều
này còn gặp khó khăn hơn khi lưới điện không cân bằng.
- Các giả thiết trong bài toán tái cấu trúc:
Không xét điến các thiết bị bù phản kháng
Độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối được xem là không đổi khi
cấu trúc lưới thay đổi.
2.2.2 Một số phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối
2.2.2.1 Thuật toán cắt vòng kín [1]
Giải thuật của Merlin và Back khá đơn giản: “ Đóng tất cả các khóa điện lại tạo
thành 1 vòng kín, sau đó giải bài toán phân bố công suất và tiến hành mở lần lượt các
khóa có dòng điện bé nhất cho đến khi lưới điện trở thành dạng hình tia”. Ở đây
Merlin và Back cho rằng với mạch vòng, lưới điện phân phối luôn có mức tổn thất
công suất bé nhất. Vì vậy để có lưới điện phân phối vận hành hình tia, Merlin và Back
lần lượt loại bỏ những nhánh có tổn thất công suất nhỏ nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi
lưới điện đạt trạng thái vận hành hở. Các giải thuật tìm kiếm nhánh và biên ứng dụng
kỹ thuật Heuristic này mất nhiều thời gian do có khả năng sẽ xảy ra đến 2n cấu trúc nếu
có n đường dây được trang bị khóa điện. Hình 2.1 thể hiện giải thuật của Merlin và
Back, đã được Shirmohammadi bổ sung:
6
Đọc dữ liệu và khóa điện
Đóng tất cả các khóa điện
Giải bài toán phân bố công suất và thay thế
tải bằng các nguồn dòng
Giải bài toán phân bố công suất tối ưu
Mở khóa điện có dòng bé nhất
Yes
Đóng khóa điện vừa mở
Vi phạm các
Mở khóa điện có dòng bé nhất tiếp theo
điều kiện vận
No
No
Lưới điện hình
tia?
Yes
Kết quả
Hình 2.1: Giải thuật của Merlin và Back
Giải thuật này chỉ khác so với các giải thuật nguyên thủy của Merlin và Back ở
chỗ có xét đến điện thế ở trạm trung gian và yếu tố liên quan đến dòng điện.
Giải thuật của Merlin và Back được Shirmohammadi chỉnh sửa, ông là tác giả
đầu tiên sử dụng kĩ thuật bơm vào và rút ra một lượng công suất không đổi để mô
phỏng thao tác thay đổi cấu trúc của lưới điện phân phối hoạt động hở về mặt vật lý
nhưng về mặt toán học là một mạch vòng. Dòng công suất bơm vào và rút ra là một
đại lượng liên tục. Sau khi chỉnh sửa, kỹ thuật này vẫn còn bộc lộ nhiều nhược điểm
như:
- Mặc dù đã áp dụng các kỹ thuật tìm kiếm kinh nghiệm, giải thuật này vẫn
cần nhiều thời gian để tìm cấu trúc giảm tổn thất công suất.
- Tính chất không cân bằng và nhiều pha chưa được mô phỏng đầy đủ.
- Tổn thất công suất của máy biến áp chưa được xét đến trong giải thuật.
7
2.2.2.2 Thuật toán đổi nhánh [2]
Phương pháp kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange methods được bắt đầu với
giả thiết là: Lưới điện phân phối được vận hành với cấu trúc hình tia, một khóa điện
được đóng lại và đồng thời 1 khóa điện khác trong mạch vòng được mở ra đảm bảo
cấu trúc hình tia của lưới điện. Mỗi lần thay đổi trạng thái đóng/cắt của một cặp khóa
điện, sự thay đổi tổn thất công suất trên lưới lại được đánh giá. Phương pháp thay đổi
nhánh sẽ dừng lại khi không thể giảm tổn thất công suất được nữa.
Được Civanlar phát triển năm 1989, phương pháp này yêu cầu sự phân tích
đánh giá dòng công suất trên toàn bộ hệ thống tại thời điểm tính toán. Sự thay đổi tổn
thất nhờ sự thay đổi trạng thái đóng cắt của cặp khóa điện được tính qua công thức:
{ (∑ ) } |∑ |
Trong đó:
D : Tập các nút tải sẽ được đổi nhánh.
Ii : Dòng tải tại nút thứ i.
Em : Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra ở nút m.
En : Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút n.
Rloop : Tổng các điện trở trên vòng kín khi đóng các khóa điện.
Phương pháp này có hạn chế là khối lượng tính toán nhiều, trong lưới điện lớn,
số lượng khóa điện nhiều, việc tính toán chế độ trong mỗi lần thay đổi trạng thái
đóng/cắt của cặp khóa điện là rất khó khăn và mất nhiều thời gian.
8
Giảm số lần thao tác khóa điện bằng cách
xem xét các luật Heuristic
Tính toán tổn thất công suất cho các thao
tác đóng cắt được đề nghị
No
Các thao tác đóng
cắt làm giảm tổn
thất công suất?
Yes
Thực hiện thao tác đóng cắt khóa có mức
độ giảm tổn thất công suất nhất
Phân bố công suất cho lưới điện mới
Không thoả mãn
Kiểm tra quá tải Hệ thống được xem là tối ưu
và độ sụt áp cho
Thoả mãn
Kết quả
Hình 2.2: Phƣơng pháp kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange methods
2.2.2.3 Thuật toán tìm ngược Backtracking [3]
Thuật toán – Backtracking – được Thomas E.MacDermott nghiên cứu và phát
triển năm 1998, thuật toán này cũng là 1 trong những bài toán “mở lần lượt các thiết bị
đóng cắt phân đoạn – sequential switch opening method” nhưng xuất phát điểm lại
ngược lại so với thuật toán cắt vòng kín của Shirmohammadi. Trong thuật toán này,
Thomas giả thiết tất cả các khóa điện đều mở, các phụ tải được thay thế bởi các nguồn
dòng đồng thời đưa ra 1 tỷ số giữa tổn thất công suất và trị số nguồn dòng tại nút được
cấp điện nhờ khóa điện đang xét đóng. Tỷ số giữa tổn thất công suất và nguồn dòng
càng nhỏ thì càng có lợi.
Thuật toán Backtracking gồm các bước như sau:
9
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: Tìm cách gắn lần lượt từng phụ tải vào hệ thống qua một khóa điện
duy nhất, khóa điện này sẽ có trạng thái đóng. Các phụ tải có quyền lựa chọn xem việc
nối với nguồn nào để có tổn thất công suất nhỏ nhất.
Bước 3: Tải sau khi được nối vào hệ thống sẽ trở thành nguồn cho các tải kế
tiếp xem xét để kết nối ( điều này đảm bảo mỗi tải chỉ được cung cấp điện từ một
nguồn duy nhất – điều kiện cấu hình vận hành hình tia).
Bước 4: Quá trình hình thành lưới điện sẽ kết thúc khi tất cả các phụ tải đều
được cung cấp điện. Các khóa điện mở là các khóa còn lại trong hệ thống.
Phương pháp này của Thomas E.MacDermott đã chứng minh được tính đúng
đắn khi đi giải các bài toán mẫu đã được chứng minh như bài toán Civanlar hai nguồn,
ba nguồn, bài toán Glamocanin, bài toán Baran và Wu ... đều cho ra kết quả trùng lặp
với các phương pháp khác, điều đó chứng tỏ sự đúng đắn của giải thuật.
Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn bị hạn chế là khi lưới điện phân phối lớn
với rất nhiều nút và nhiều nguồn cung cấp thì phương pháp này tính toán và phân tích
kết quả của từng nhánh và từng nút trong lưới do đó khối lượng tính toán lớn, kết quả
đưa ra còn chậm.
2.2.2.4 Thuật toán tái cấu trúc cho hệ thống lưới điện phân phối lớn cho tổng
tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất [4]
Thuật toán này được F.Vanderson Gomes nghiên cứu và phát triển năm 2004.
Thuật toán này đặc biệt phù hợp với hệ thống lưới điện phân phối quy mô lớn. Thuật
toán bắt đầu với giả thiết tất cả các khóa điện đều đóng. Việc quyết định mở một khóa
dựa trên kết quả tính toán trào lưu công suất với tổng tổn thất công suất tác dụng trong
lưới nhỏ nhất. Phương pháp gồm hai giai đoạn:
1- Các khóa lần lượt được mở ra cho đến khi lưới trở thành hình tia, đồng thời
trong quá trình mở khóa, một danh sách các khóa liền kề với khóa được mở sẽ được
lưu lại.
2- Trao đổi trạng thái các khóa được mở với hai khóa liền kề chúng và so sánh
tổng tổn thất trong 2 trường hợp, lựa chọn mở hoàn toàn khóa cho tổn thất công suất
tác dụng nhỏ hơn.
10