Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối tỉnh Bắc Kạn có quy mô quản lý vận hành 3.661 km đường dây cùng 803 trạm biến áp phân phối, bảo đảm cấp điện cho 122/122 xã, phường với tỷ lệ 96,72% số hộ dân có điện lưới quốc gia. Tuy nhiên, do đặc thù địa bàn miền núi trải rộng và phụ tải phân tán, lưới điện phân phối 35kV tại đây đối mặt với tổn thất công suất lớn và sự suy giảm chất lượng điện áp đáng kể. Vấn đề nghiên cứu cốt lõi bắt nguồn từ hiện trạng đường dây trung áp kéo dài, nhiều nhánh rẽ với nhiều chủng loại dây dẫn khác nhau, cùng sự phân bố tải không đồng đều giữa các trạm biến áp. Hiện tượng tụ bù tĩnh cố định không có khả năng tự điều chỉnh dẫn đến tình trạng dòng công suất phản kháng chạy ngược vào giờ thấp điểm gây quá áp cục bộ, trong khi vào giờ cao điểm điện áp cuối nguồn lại sụt giảm nghiêm trọng. Mục tiêu cụ thể của luận văn là khảo sát hiện trạng kỹ thuật, tính toán phân bố công suất và ứng dụng phần mềm PSS/ADEPT để xác định vị trí, dung lượng bù công suất phản kháng tối ưu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào 3 xuất tuyến trung áp 35kV chính là lộ 372, 373 và 374 nhận điện từ trạm 110kV E26.1 thành phố Bắc Kạn với tổng chiều dài 142,351 km và 85 trạm biến áp phân phối có tổng công suất đặt 13.619 kVA. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc nâng cao hệ số công suất cosφ đạt trên 0,95, ổn định độ lệch điện áp trong giới hạn cho phép ±5%, giảm từ 12% đến 18% tổn thất điện năng kỹ thuật và nâng cao tuổi thọ thiết bị điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết truyền tải và phân phối điện năng, lý thuyết bù công suất phản kháng tối ưu và mô hình xác suất thống kê trong đánh giá chất lượng điện áp. Khung phân tích dựa trên mô hình giải tích trào lưu công suất, lý thuyết các thành phần đối xứng Fortescue để đánh giá độ không cân bằng pha và mô hình tối ưu hóa vị trí tụ bù theo dòng tiền tệ chiết khấu (CAPO). Bốn khái niệm chính được làm rõ gồm: độ lệch điện áp danh định, dao động và nhấp nháy điện áp ngắn hạn và dài hạn theo chuẩn IEC 1000-3-7 (chỉ số Pst và Plt), hệ số không đối xứng điện áp thứ tự nghịch, cùng hiện tượng thác điện áp xảy ra khi điện áp sụt giảm xuống dưới ngưỡng 70% đến 80% giá trị định mức. Các quy định hiện hành bắt buộc duy trì độ lệch điện áp tại điểm đấu nối khách hàng trong dải ±5%, độ mất cân bằng pha không quá 5% trên lưới trung áp và hạ áp, đồng thời mức nhấp nháy Pst phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,9 và Plt không vượt quá 0,7.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ hồ sơ quản lý vận hành, thông số kỹ thuật đường dây, lý lịch trạm biến áp và đồ thị phụ tải ngày điển hình năm 2018 do Công ty Điện lực Bắc Kạn cung cấp. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 85 trạm biến áp phân phối cấp điện áp 35/0,4kV và 142,351 km đường dây thuộc 3 xuất tuyến 372, 373, 374 của trạm 110kV E26.1. Tác giả lựa chọn phương pháp chọn mẫu toàn phần (census sampling) trên 3 lộ đường dây đại diện này nhằm phản ánh chính xác cấu trúc lưới và tránh sai số ngoại suy. Phương pháp phân tích trọng tâm là mô phỏng số trên phần mềm PSS/ADEPT (Power System Simulator / Advanced Distribution Engineering Productivity Tool). Lý do lựa chọn PSS/ADEPT vì đây là công cụ chuyên dụng cho lưới phân phối hình tia phức tạp, cho phép thực hiện đồng thời thuật toán tính toán trào lưu công suất Newton-Raphson và mô-đun tối ưu hóa tụ bù đa mục tiêu, kết hợp chặt chẽ giữa ràng buộc kỹ thuật điện áp và bài toán hiệu quả kinh tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích cơ cấu phụ tải thành phố Bắc Kạn chỉ ra sự phân bố dung lượng bất hợp lý: trong tổng số 142 trạm biến áp phân phối toàn thành phố, có tới 46 trạm (chiếm 32,39%) vận hành quá tải trên 100% với tổng công suất 7.540 kVA, trong khi có 30 trạm (chiếm 21,13%) vận hành non tải dưới mức 50% công suất định mức.

Thứ hai, trên 3 lộ xuất tuyến khảo sát gồm lộ 372 (50,87 km), lộ 373 (64,939 km) và lộ 374 (26,542 km), điện áp tại thanh cái hạ áp của nhiều trạm biến áp cuối nguồn bị sụt giảm sâu dưới mức cho phép (-5%) vào giờ cao điểm. Hiện tượng này tập trung ở các nhánh rẽ dài có tiết diện dây nhỏ như nhánh rẽ TBA Đôn Phong 3 lộ 372 (dài 8,812 km, dây AC-70) hay nhánh Nông Thượng 3 lộ 373 (dài 6,435 km, dây AC-50).

Thứ ba, hệ thống bù hiện trạng gồm 1.200 kVAr tụ bù cố định trên lưới trung áp 35kV và 740 kVAr ở phía hạ áp 0,4kV không đáp ứng được tính biến thiên của phụ tải. Việc thiếu thiết bị điều khiển tự động khiến lưới điện bị quá điện áp vào ban đêm do thừa công suất phản kháng truyền ngược về trạm nguồn 110kV.

Thứ tư, kết quả tối ưu hóa từ PSS/ADEPT đã xác định phương án đặt bù kết hợp giữa bù cố định nền và bù tự động đóng cắt tại các nút xung yếu, đưa toàn bộ điện áp nút về dải tiêu chuẩn 0,95 đến 1,05 pu và nâng hệ số công suất trung bình các xuất tuyến lên trên 0,95.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn tới suy giảm chất lượng điện áp là cấu trúc hình tia kéo dài qua địa hình đồi núi phức tạp, kết hợp với việc sử dụng hỗn hợp nhiều loại dây dẫn từ AC-50 đến AC-120 gây tổn thất điện kháng lớn. So sánh với các nghiên cứu lưới điện phân phối khu vực trung du và miền núi phía Bắc, việc vận hành tụ bù cố định thuần túy theo kinh nghiệm thường gây ra nghịch lý: thiếu vô công giờ cao điểm nhưng lại thừa vô công giờ thấp điểm. Dữ liệu tính toán từ mô phỏng có thể được thể hiện trực quan qua biểu đồ đường cong phân bố điện áp 24 giờ của các nút thanh cái trước và sau khi bù, đi kèm bảng đối sánh chi tiết mức độ giảm tổn thất công suất tác dụng (kW) và công suất phản kháng (kVAr). Kết quả thảo luận khẳng định việc phân bổ tụ bù tối ưu đa cấp (trung áp 35kV và hạ áp 0,4kV) theo khuyến nghị của PSS/ADEPT giúp giảm tổn thất công suất trên 15%, chứng minh tính ưu việt vượt trội so với giải pháp bù tập trung tại đầu nguồn.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp và lắp đặt hệ thống tụ bù tự động đóng cắt: Thay thế các cụm tụ bù cố định bằng giàn tụ bù tự động điều khiển theo hệ số công suất cosφ và ngưỡng điện áp. Mục tiêu nâng cosφ toàn hệ thống lên 0,95 - 0,98 và giảm tổn thất điện năng từ 12% đến 18%. Tiến độ triển khai từ Quý I đến Quý III năm 2020, do Phòng Kế hoạch - Kỹ thuật cùng Đội quản lý đường dây và trạm biến áp thực hiện.

Thứ hai, cải tạo và nâng tiết diện dây dẫn tại các nhánh trục chính: Thực hiện thay thế các đoạn dây dẫn AC-50, AC-70 có chiều dài trên 5 km bằng dây AC-95 hoặc AC-120 trên lộ 372 và 373 nhằm hạn chế độ sụt áp cuối nguồn dưới mức 4%. Tiến độ hoàn thành giai đoạn 2020 - 2022, do Công ty Điện lực Bắc Kạn làm chủ đầu tư.

Thứ ba, điều chuyển và cân đối công suất máy biến áp phân phối: Lập phương án hoán chuyển công suất đối với 46 trạm biến áp đang vận hành quá tải trên 100%, kết hợp tận dụng máy biến áp non tải từ 13 trạm dưới 30% để đưa hệ số mang tải trung bình về mức kinh tế 65% - 80%. Thời gian thực hiện từ Quý II đến Quý IV năm 2020 dưới sự chỉ đạo của Ban Giám đốc Điện lực thành phố Bắc Kạn.

Thứ tư, tích hợp hệ thống giám sát SCADA và công tơ đo xa: Lắp đặt hệ thống giám sát thông số vận hành trực tuyến tại 85 trạm biến áp phân phối thuộc 3 xuất tuyến nhằm theo dõi liên tục độ lệch điện áp, mức nhấp nháy và sóng hài. Tiến độ thực hiện từ năm 2021 đến 2023, do Tổ trực vận hành phối hợp Phòng Kinh doanh triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư quản lý kỹ thuật và điều độ viên tại các công ty điện lực: Luận văn cung cấp cẩm nang thực hành tính toán trào lưu công suất, tối ưu hóa vị trí và dung lượng tụ bù trên phần mềm PSS/ADEPT cho các lưới phân phối 35kV thực tế.

Thứ tư, cán bộ quy hoạch và đầu tư phát triển hệ thống điện: Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về bán kính cấp điện, mật độ phụ tải và khối lượng 142,351 km đường dây để xây dựng dự án cải tạo lưới điện trung áp nông thôn miền núi.

Thứ ba, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện: Đề tài là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp đánh giá chất lượng điện năng theo mô hình xác suất, tích phân điện áp và thuật toán tối ưu hóa kinh tế kỹ thuật.

Thứ tư, đơn vị tư vấn thiết kế và doanh nghiệp quản lý trạm biến áp chuyên dùng: Luận văn hướng dẫn quy trình xác định dung lượng tụ bù hạ áp 0,4kV và lựa chọn nấc phân áp máy biến áp nhằm bảo đảm an toàn cho các thiết bị điện công nghiệp nhạy cảm.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc lắp đặt tụ bù cố định trên lưới 35kV Bắc Kạn trước đây lại gây ra hiện tượng quá áp? Tụ bù cố định phát công suất phản kháng liên tục không đổi. Vào ban đêm khi phụ tải xuống thấp, lượng dư thừa công suất phản kháng chạy ngược về trạm biến áp 110kV E26.1, đẩy điện áp tại các nút lên cao vượt mức cho phép, gây nguy cơ chọc thủng cách điện của các thiết bị trên lưới.

Phần mềm PSS/ADEPT mang lại ưu thế gì vượt trội trong tính toán tối ưu hóa lưới điện phân phối? PSS/ADEPT tích hợp mô-đun CAPO chuyên biệt cho mạng hình tia, tự động giải bài toán tối ưu hóa đa biến gồm vị trí nút, dung lượng tụ và chế độ đóng cắt dựa trên phân tích dòng tiền chiết khấu, mang lại độ chính xác cao hơn hẳn phương pháp giải tích thủ công.

Tiêu chuẩn độ lệch điện áp cho phép đối với khách hàng sử dụng điện theo quy định hiện hành là bao nhiêu? Theo quy định hiện hành của ngành điện Việt Nam, trong chế độ vận hành bình thường, độ lệch điện áp tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện phải được duy trì nghiêm ngặt trong giới hạn cho phép là ±5% so với điện áp danh định của lưới điện phân phối.

Tại sao cần kết hợp đồng thời bù công suất phản kháng ở cả lưới trung áp 35kV và thanh cái hạ áp 0,4kV? Bù tại thanh cái hạ áp 0,4kV giúp giảm dòng tải chạy qua máy biến áp, giảm tổn thất cuộn dây và giải phóng dung lượng trạm. Trong khi đó, bù trên lưới trung áp 35kV hỗ trợ nâng cao điện áp trên toàn tuyến trục chính và giảm tổn thất truyền tải diện rộng.

Làm thế nào để xử lý triệt để tình trạng 46 trạm biến áp vận hành quá tải trên địa bàn thành phố Bắc Kạn? Giải pháp căn cơ là tiến hành hoán đổi máy biến áp theo mức tải thực tế, nâng công suất các máy quá tải trên 100% bằng cách điều chuyển các máy biến áp thu hồi từ 13 trạm đang vận hành non tải dưới 30%, kết hợp cân pha lưới hạ áp.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện hiện trạng vận hành của 142,351 km đường dây trung áp 35kV và 85 trạm biến áp phân phối với tổng công suất 13.619 kVA trên địa bàn thành phố Bắc Kạn.
  • Làm rõ nguyên nhân gây tổn thất và sụt áp do 46 trạm biến áp quá tải và 1.200 kVAr tụ bù cố định trung áp vận hành chưa linh hoạt.
  • Ứng dụng thành công phần mềm PSS/ADEPT để mô phỏng chính xác chế độ xác lập và tối ưu hóa vị trí, dung lượng hệ thống tụ bù đóng cắt tự động.
  • Đề xuất 4 nhóm giải pháp công nghệ và quản lý giúp giữ vững độ lệch điện áp trong dải ±5% và đưa hệ số công suất cosφ đạt trên 0,95.
  • Đóng góp khung phương pháp luận khoa học và lộ trình kỹ thuật cụ thể từ năm 2020 đến 2025 phục vụ công tác hiện đại hóa lưới điện phân phối vùng cao.

Các kỹ sư vận hành, đơn vị tư vấn và nhà quản lý hệ thống điện có thể áp dụng ngay quy trình tính toán tối ưu này để nâng cao chất lượng điện áp và hiệu quả kinh tế cho mạng lưới điện phân phối khu vực.