Nâng cao chất lượng điện năng lưới điện phân phối theo phương pháp tái cấu trúc lưới

năng mà còn góp phần đảm bảo khả năng cung cấp điện ổn định cho các phụ tải điện. Dựa trên cấu trúc lưới điện có sẵn, tác giả đưa ra giải thuật tính toán và phân tích bài toán mẫu Civanlar 3 nguồn và cấu trúc lưới điện kín vận hành hở để đánh giá hiệu quả giảm tổn thất điện năng. Kết quả tính toán bằng phần mềm PSS/ADEAPT cho thấy việc thay đổi cấu trúc lưới phân phối mẫu đem lại hiệu quả cao và có thể ứng dụng trong thực tế để vận hành lưới điện. Từ khóa: PSS, chất lượng điện năng, lưới phân phối, tái cấu trúc, Civanlar ĐẶT VẤN ĐỀ* Phụ tải điện ngày càng tăng do nhu cầu sử dụng và sự phát triển của xã hội hiện đại, tuy nhiên sự gia tăng tải phải nằm trong giới hạn cho phép. Do cấu trúc của mạng điện không thay đổi dẫn đến tổn thất điện năng của mạng phân phối điện tăng lên. Nếu muốn giảm tổn thất điện năng, các biện pháp thường được sử dụng bao gồm: Đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lưới điện Các phương pháp này cho thấy phải chi phí nhiều vốn đầu tư mà hiệu quả giảm tổn thất lại không đáng kể. Vì vậy, khi tải tăng trong giới hạn cho phép của mạng phân phối, ta có thể sử dụng phương pháp tái cấu trúc để làm giảm tổn thất trên đường dây. Có rất nhiều phương pháp để tái cấu trúc lưới phân phối, ví dụ như Phương pháp cổ điển cho kết quả chính xác tuy nhiên lại không dùng được trong mạng phân phối thực tế do không gian thực nghiệm lớn sẽ mất nhiều thời gian cho việc tìm kiếm cấu trúc tối ưu. Các nghiên cứu trước đây cho thấy có nhiều phương pháp nhân tạo để tái cấu trúc trên lưới phân phối như giải thuật Heruistic [1], giải thuật mô phỏng luyện kim (SA)[2]. Hai giải thuật nói trên có độ tin cậy tìm cấu trúc tối ưu không cao. Ngày nay, một số phương pháp * Tel: 0985 504561, Email: honganhtnvn@gmail.com tiên tiến áp dụng các giải thuật trong trí truệ nhân tạo như giả thuật Gen di truyền (GA) [3,4], giải thuật kiến (ACS) [5,6,7] được sử dụng nhằm giải quyết các bài toán này. Kết quả của các hướng nghiên cứu này cho tập nghiệm, giá trị hàm mục tiêu tốt hơn và tốc độ xử lý nhanh hơn. Các kết quả tính toán theo phương pháp nói trên thường được kiểm nghiệm bằng nhiều phần mềm lập trình khác nhau để giải tích lưới điện như Malab, Visuabasic, Exel, C++..vv. Tuy nhiên, trên thực tế, tác giả thấy rằng số liệu tải nhập vào thường là giá trị phụ tải tĩnh do đó có thể ứng dụng ngay chương trình giải tích lưới phân phối PSS/ADEAPT phiên bản 5.0 [8] cho bài toán mẫu Civanlar 3 nguồn mẫu để đánh giá nhanh hiệu quả của phương pháp này. MÔ HÌNH ĐẶC TRƯNG CỦA MẠNG PHÂN PHỐI Để xây dựng bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối, trước tiên phải xây dựng hàm mục tiêu. Khi thay đổi tái cấu trúc lưới điện có rất nhiều các hàm mục tiêu khác nhau, như tối ưu hóa tổn thất công suất trên toàn hệ thống, mục tiêu đảm bảo chất lượng điện áp Vấn đề tái cấu trúc hệ thống cũng tương tự nhiều bài toán tối ưu khác nhau như bài toán tính toán phân bố tối ưu công suất, tính toán tìm vị trí, dung lượng bù tối ưu Tuy nhiên, Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 43 - 48 44 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 cắtvà sụt áp tại các hộ tiêu thụ nằm trong giới hạn cho phép. Mạng phân phối đặc trưng là mạch vòng nhưng vận hành hở có nghĩa là mạng vận hành phải là mạng hình tia. 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 cho tổn thất công suất là nhỏ nhất. Về mặt toán học, tái cấu trúc lưới điện là bài toán quy hoạch chi phí phi tuyến rời rạc theo dòng công suất chạy trên các nhánh. Hàm mục tiêu như sau: Plosse = ∑ ∑ Rj - 1,j [( Pj2 + Q2j ) / Vj2 ] => min (1) Thỏa mãn các điều kiện ràng buộc: ∑ni = 1 Si j = Sj (2) Si j ≤ Si j max (3) ΔVi j ≤ ΔV i j max (4) ft n ft ft SS  (5) 1 ftft  (6) Trong đó: + n: Số nút tải có trên lưới + Si j : Dòng công suất trên nhánh ij + Sj: Nhu cầu công suất điện tại nút j + ΔVij: Sụt áp trên nhánh ij + Sƒt : Dòng công suất trên đường dây ƒt + ƒt : Các đường dây cung cấp điện từ máy biến áp t + λƒt : Có giá trị là 1 nếu đường dây ƒt làm việc, là 0 nếu đường dây ƒt không làm việc. Hàm mục tiêu 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) đảm bảo cung cấp đủ công suất theo nhu cầu của các phụ tải. Biểu thức (3) và (4) là điều kiện chống quá tải trạm trung gian và sụt áp tại nơi tiêu thụ. Biểu thức (5) đảm bảo rằng các trạm biến thế hoạt động trong giới hạn công suất cho phép. Biểu thức (6) đảm bảo mạng điện được vận hành với cấu trúc 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. Hình 1: Sơ đồ khối thuật toán tái cấu trúc lưới trung áp giảm tổn thất điện năng GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM MỞ TỐI ƯU TRONG LƯỚI ĐIỆN MẠCH VÒNG Lưới điện vận hành kín đạt hiệu quả cao nhất về chỉ tiêu tổn thất điện áp, điện năng, và các chỉ tiêu kỹ thuật khác. Tuy nhiên, việc vận hành lưới điện kín cũng gây nhiều khó khăn, đặc biệt là vấn đề phối hợp bảo vệ cho các phần tử trên lưới rất phức tạp, dễ dẫn đến hệ thống bảo vệ làm việc không chọn lọc gây ra hiệu quả nghiêm trọng. Cũng chính vì vậy mà các lưới phân phối được thiết kế theo mạch vòng liên thông Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 43 - 48 45 nhưng vẫn được vận hành với cấu trúc hình tia bằng cách mở các khóa trong những mạch vòng trên hệ thống điện. Mở khóa tối ưu cho lưới mạch vòng này chính là điểm mà tại đó phụ tải nhận công suất từ cả hai chiều của lưới điện hay gọi là "điểm phân công suất". GIẢI BÀI TOÁN MẪU SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSS /ADEAPT Kiểm tra bài toán mẫu Civanlar 3 nguồn bằng phần mềm Pss/Adept 5.0. Bài toán Civanlar 3 nguồn vận hành ở điện áp 23 kV có cấu trúc như sau: Hình 2: Sơ đồ ban đầu của lưới điện Civanlar 3 nguồn có cấu hình vận hành hở, ban đầu mở mạch vòng tại các khóa 05 - 11, 10 - 14, 07 - 16 Thông số tải và đường dây được cho như sau: Bảng 1. Thông số của mạch điện Civanlar 3 nguồn Nhánh Tổng trở Nút Công suất Từ nút Đến nút R(Ω) X(Ω) P(kW) Q(kW) 01 04 0.4124 0.5313 04 2072 1710 04 05 0.4124 0.5963 05 3024 1640 05 11 0.4832 0.8529 06 2111 821 04 06 0.2248 0.2248 07 1428 1189 06 07 0.5963 0.5313 08 4145 2721 02 08 0.5963 0.5963 09 5324 3124 08 10 0.4124 0.8529 10 1053 924 08 09 0.5963 0.2248 11 582 97 09 11 0.4124 0.5313 12 5572 1957 09 12 0.4124 0.5963 13 1056 925 03 13 0.4832 0.8529 14 1056 737 13 14 0.2248 0.2248 15 1157 957 13 15 0.5963 0.5313 16 2015 978 15 16 0.5963 0.5963 05 11 0.4124 0.8529 10 14 0.5963 0.2248 07 16 0.4832 0.6547 Sơ đồ mô phỏng trên Pss/Adept 5.0: Hình 3. Điện áp nút cuối của lưới điện Civanlar 3 nguồn có cấu hình vận hành hở, ban đầu mở mạch vòng tại các khóa 05 - 11, 10 - 14, 07 – 16 Bảng 2. Phân phối tải và điện áp của lưới điện Civanlar 3 nguồn Nhánh Dòng điện (A) Điện áp nút cuối (kv) Công suất trên các nhánh Từ nút Đến nút P (kw) Q (kVAr) 01 04 260.51 22.715 8800.2 5497.1 04 05 87.82 22.617 3033.5 1650.1 04 06 105.36 22.562 3610.7 2032.6 06 07 48.68 22.563 1483.6 1186.9 02 08 494.98 22.307 17283.9 9487.7 08 09 332.38 21.948 11645.3 5409.4 09 11 15.53 21.929 582.4 94.0 09 12 156.49 21.789 5602.3 1997.3 08 10 36.35 22.254 1055.4 922.8 03 13 162.52 22.767 5346.1 3647.9 13 14 32.72 22.724 1057.5 735.3 13 15 94.68 22.664 3185.3 1944.1 15 16 57.13 22.634 2017.2 976.5 Tổn thất công suất và tổn thất điện áp của mạng điện như sau: Bảng 3. Tổn thất công suất và tổn thất điện áp của mạng điện ban đầu Nhánh Điện áp nút cuối (kv) ΔU % Tổn thất công suất trên các nhánh Từ nút Đến nút ΔP (kw) ΔQ (kVAr) 01 04 22.715 1.24 83.9 104.4 04 05 22.617 1.67 9.5 10.1 04 06 22.562 1.90 16.1 24.7 06 07 22.563 2.02 1.6 -2.1 02 08 22.307 3.01 438.2 434.6 08 09 21.948 4.57 136.7 194.1 09 11 21.929 4.65 0.4 -3.0 09 12 21.789 5.27 30.3 40.4 08 10 22.254 3.24 2.4 -1.2 03 13 22.767 1.01 47.2 43.5 13 14 22.724 1.20 1.5 -1.7 13 15 22.664 1.46 11.1 10.6 15 16 22.634 1.59 2.2 -1.5 Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 43 - 48 46 - Tổn thất công suất tác dụng: ΔP = 781.222 kW - Nút điện áp thấp nhất là nút 12 với giá trị điện áp là 21.789 kV - Tổn thất điện áp lớn nhất trên lưới là ΔU = 1.211 kV hay ΔU% = 5.27% Vòng lặp 1: Bước 1: Đọc các thông số của lưới như số nút, nhánh. Bước 2: Đóng tất cả các khóa điện đưa lưới về dạng mạch vòng kín. Bước 3: Giải bài toán tính các thông số chế độ của lưới, tìm điện áp nút cuối và dòng công suất trên lưới. Hình 4. Điện áp nút cuối và dòng công suất của lưới điện Civanlar 3 nguồn khi đóng tất cả các khóa điện Sau khi tính toán ta được các thông số sau: Bảng 4. Dòng điện, điện áp nút cuối và công suất trên các nhánh của lưới điện Civanlar 3 nguồn khi đóng tất cả các khóa điện Nhánh Dòng điện (A) Điện áp nút cuối (kV) Công suất trên các nhánh Từ nút Đến nút P (kW) Q (kVAr) 01 04 335.21 22.633 11292.9 7122.9 04 05 183.52 22.430 6399.9 3282.9 05 11 95.08 22.380 3334.2 1586.3 11 09 80.60 22.268 -2746.1 -1486.8 09 08 232.40 22.518 8257.6 3734.1 08 02 344.19 23.000 12027.5 6580.3 08 10 15.20 22.536 -587.3 -79.7 10 14 49.27 22.562 -1642.0 -1001.6 14 13 82.13 22.669 2707.7 1747.9 13 03 233.56 23.000 7977.2 4785.0 13 15 116.79 22.547 4115.9 2018.2 15 16 79.96 22.507 2942.1 1043.2 16 07 23.74 22.486 -922.8 -64.5 07 06 32.20 22.502 560.7 1119.0 06 04 84.71 22.633 2682.1 1954.7 09 12 154.20 22.111 5601.3 1996.0 Bước 4: Mở khóa điện có dòng đi qua bé nhất và khó có độ sụt áp lớn nhất nằm trên đường tạo mạch vòng. Từ kết quả trên ta thấy khóa điện có dòng đi qua bé nhất (15.20) nằm trên đường tạo mạch vòng giữa nguồn hai và nguồn ba trên nhánh 08 - 10. Khóa có điện áp nút cuối thấp nhất (22.268kV) nằm trên đường tạo mạch vòng giữa nguồn 1 và nguồn 2 trên nhánh 11 - 09. Mở khóa điện trên nhánh 08 - 10 và 11 - 09. Tính điện áp nút cuối và dòng công suất trên lưới ta có: Hình 5. Điện áp nút cuối và dòng công suất của lưới điện Cavanlar ba nguồn khi mở khóa điện trên nhánh 08 - 10 và 11 - 09 Sau khi tính toán lại ta có các thông số sau: Bảng 5. Dòng điện, điện áp nút cuối và công suất trên các nhánh của lưới điện Civanlar ba nguồn khi mở khóa 08 - 10 và 11 – 09 Nhánh Dòng điện (A) Điện áp nút cuối (kV) Công suất trên các nhánh Từ nút Đến nút P (kW) Q (kVAr) 01 04 262.73 22.711 8763.7 5718.6 04 05 102.22 22.599 3619.1 1748.5 05 11 15.08 22.593 582.2 93.5 04 06 93.68 22.567 2987.3 2153.9 06 07 40.31 22.545 863.6 1314.1 07 16 16.20 22.554 -619.9 130.8 15 16 70.85 22.589 2638.3 846.9 13 15 107.40 22.701 3809.6 1818.6 03 13 209.99 23.000 7061.1 4482.2 13 14 68.53 22.609 2116.7 1663.5 10 14 35.81 22.589 -1053.9 -921.2 02 08 443.19 22.381 15546.0 8364.8 08 09 316.13 22.037 11049.6 5296.2 09 12 155.85 21.878 5602.0 1997.0 Bước 5: Kiểm tra các điều kiện điện áp và tổn thất công suất Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 43 - 48 47 Bảng 6. Tổn thất công suất và tổn thất điện áp của mạng điện sau khi mở khóa 08 - 10 và 11 – 09 Nhánh Điện áp nút cuối (kV) ΔU % Công suất trên các nhánh Từ nút Đến nút P (kW) Q (kVAr) 01 04 22.711 1.26 85.4 106.2 04 05 22.599 1.74 12.9 15.0 05 11 22.593 1.77 0.2 -3.5 04 06 22.567 1.88 12.7 18.8 06 07 22.545 1.98 1.1 -2.6 07 16 22.554 1.94 0.4 -3.1 15 16 22.589 1.79 3.4 -0.3 13 15 22.701 1.30 14.3 14.7 03 13 23.000 0.00 78.9 75.1 13 14 22.609 1.70 6.8 5.3 10 14 22.589 1.79 0.9 -2.8 02 08 22.381 2.69 351.3 347.6 08 09 22.037 4.19 123.6 175.2 09 12 21.878 4.88 30.0 40.0 Bước 6: Do chưa thỏa mãn điều kiện lưới điện hình tia do trên lưới vẫn còn 1 mạch vòng kín nên cần tiếp tục vòng lặp. Vòng lặp 2: Bước 3: Giải bài toán tính các thông số chế độ của lưới. Từ bảng 6. ở trên ta mở khóa điện nằm trên nhánh 07 - 16 là khóa có dòng đi qua nhỏ nhất (16.20 A) để tạo thành lưới hình tia. Hình 6. Lưới điện Civanlar ba nguồn khi mở khóa điện trên nhánh 08 - 10 , 11 - 09 và 07 - 16 Bước 4: Tính toán lại các thông số chế độ của lưới khi mở khóa điện trên nhánh 08 - 10, 11 - 09 và 07 - 16. Bảng 7. Dòng điện, điện áp nút cuối và công suất trên các nhánh của lưới điện Civanlar ba nguồn khi mở khóa 08 - 10, 11 - 09 và 07 - 16 Nhánh Dòng điện (A) Điện áp nút cuối (kV) Công suất trên các nhánh Từ nút Đến nút P (kW) Q (kVAr) 01 04 274.70 22.702 9395.1 5607.7 04 05 102.26 22.591 3619.1 1784.5 05 11 15.08 22.584 582.2 93.5 04 06 105.42 22.549 3610.7 2032.7 06 07 48.71 22.523 1483.6 1186.9 07 16 443.19 22.381 15546.0 8364.8 15 16 316.13 22.037 11049.6 5296.2 13 15 155.85 21.878 5602.0 1997.0 03 13 198.47 22.714 6428.5 4599.4 13 14 68.49 22.622 2116.7 1663.5 10 14 35.78 22.602 -1053.9 -921.2 02 08 94.90 22.611 3185.3 1944.2 08 09 57.27 22.581 2017.2 976.5 Bước 5: Kiểm tra các điều kiện điện áp và tổn thất công suất. Bảng 8. Tổn thất công suất và tổn thất điện áp của mạng điện sau khi mở khóa 08 - 10, 11 - 09 và 07 - 16 Nhánh Điện áp nút cuối (kV) ΔU % Công suất trên các nhánh Từ nút Đến nút ΔP (kW) ΔQ (kVAr) 01 04 22.702 1.29 93.3 116.5 04 05 22.591 1.78 12.9 15.0 05 11 22.584 1.81 0.2 -3.5 04 06 22.549 1.96 16.1 24.7 06 07 22.523 2.08 1.6 -2.1 02 08 22.381 2.69 351.3 347.6 08 09 22.037 4.19 123.6 175.2 09 12 22.878 4.88 30.0 40.0 03 13 23.714 1.24 70.4 66.7 13 14 22.622 1.64 6.8 5.3 10 14 22.602 1.73 0.9 -2.8 13 15 22.611 1.69 11.1 10.7 15 16 22.581 1.82 2.2 -1.5 - Tổn thất công suất tác dụng: ΔP = 720.586 kW - Nút có điện áp thấp nhất là nút 12 với giá trị điện áp là 21.878 kV - Tổn thất điện áp lớn nhất trên lưới là ΔU = 1.122 kV hay ΔU% = 4.88% Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 43 - 48 48 Bước 6: Điều kiện lưới điện hình tia đã được thõa mãn KẾT LUẬN Như vậy, sau khi kết thúc hai vòng lặp ta đã lựa chọn được ba vị trí mở khóa trên các nhánh 08 - 10, 11 - 09 và 06 - 17. So với sơ đồ ban đầu thì tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện áp đều giảm. Qua tính toán ở trên, chúng ta đã thấy rõ lợi ích mang lại khi áp dụng tái cấu trúc lưới điện phân phối về mặt giảm tổn thất điện năng trong quá trình vận hành hệ thống. Áp dụng phương pháp để kiểm tra trên bài toán mẫu, kết quả thu được hoàn toàn phù hợp với những nghiên cứu trước đây. Tính toán phân tích lưới để đưa ra các cấu trúc lưới vận hành tốt nhất làm giảm tổn thất điện năng truyền tải trên đường dây - đây chính là phương pháp và là mục đích của bài toán tái cấu trúc lưới điện. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. T . P Wagner , A.Y . Chikhanni and R. Hackam, Feeder reconfiguration for loss reduction an application of distribution automation, IEEE transactions on power Delivery , vol 6, no. 4, October (1994). 2. Y oung Jae Jeon and Jae Chul Kim, Network reconfiguration in radial distribution systems using simulated annealing and T abu search, IEEE (2000). 3. Bhoomesh Radha, Robert T .F .Ah King and Harry C.S. Rughooputh, A modified genetic algorithm for optimal electrical distribution network r econfiguration, IEEE (2003). 4. Jen-Hao Teng and Chan Nan Lu, Feeder- switches relocation for customer interruption cost minimization, IEEE transactions on power delivery , vol. 17, No. 1, January(2002) 5."Haibao Zhai, Haozhong Cheng And Xuwang, Using ant colony system algorithm to solve dynamic transmission network expansion plainning, Singapore, 27-29 November (2003). 6. Enrico Carpaneto and Gianfranco chicco, Ant colony search based minimum losses reconfiguration of distribution systems, IEEE MELECON 2004, Dubrovnik, croaria, May12-15, (2004) 7. Jen-Hao Teng and Yi-Hwa Lui, A novel ACS based optimum switch relocation method, IEEE transactions on power systems, V ol 18, No, 1 February(2003). 8. Đại học Điện lực Hà Nội (2007), Áp dụng PSS/ADEPT 5.0 trong lưới điện phân phối, Trường Đại học Điện lưc.PSS/ADEAPT 5.0 trong lưới điện phân phối. SUMMARY IMPROVING POWER GRID METHOD DISTRIBUTION NETWORK RESTRUCTURING Pham Thi Hong Anh* College of Information & Communication Technology - TNU 1. This paper presents and evaluates the effectiveness of methods of reducing losses in electricity distribution networks by changing the grid structure. The reduction of power losses in power distribution networks not only contribute significantly to reducing energy costs, but also the ability to contribute to ensuring a stable power supply for the electrical load. Based on the available grid structure, the authors analyzed sample problem Civanlar 3 sources and grid structure open secret operation to evaluate the effectiveness of reducing power losses. The results calculated by the software PSS / ADEAPT shows the structural change distribution patterns bring high efficiency and can be applied in actual grid operator. Key words: PSS, power quality, distribution, restructuring, Civanlar Ngày nhận bài:12/9/2014; Ngày phản biện:25/9/2014; Ngày duyệt đăng: 25/11/2014 Phản biện khoa học: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà – Đại học Thái Nguyên * Tel: 0985 504561, Email: honganhtnvn@gmail.com