CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI PHÂN PHỐI 1.1 Giới thiệu chung về lưới 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 1 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 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 Bài toán tái cấu trúc lưới 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 2 sự cố. Tái cấu trúc lưới điện có ý nghĩa quan trọng trong quản lý, vận hành lưới điện. 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.
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.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: ೕ మ ାொೕ మ Hàm cực tiểu : Ploss = σୀଵ σୀାଵ ܴ ሾ ሿ đạt giá trị min (2) ೕ మ Thỏa mãn theo các điều kiện ràng buộc: ۓ ݏൌ ܵ ሺʹǤͳሻ ۖ ୀଵ ۖ ݏ ܵ௫ ሺʹǤʹሻ ۖ οܸ οܸ௫ ሺʹǤ͵ሻ ۔ ݏ௧ ݏ௧ ሺʹǤͶሻ ۖ ۖ ௧ ۖߨߣ௧ ൌ ͳ ሺʹǤͷሻ ݐ݂ ە Trong đó: N: số nút tải có trên lưới 3 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 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.1) đảm bảo cung cấp đủ công suất theo nhu cầu của các phụ tải.3) là điều kiện chống quá tải tại trạm trung gian và sụt áp tại nơi tiêu thụ.4) đảm bảo rằng các trạm biến thế hoạt động trong giới hạn công suất cho phép.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: x Không xét điến các thiết bị bù phản kháng x Độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối được xem là không đổi khi cấu trúc lưới thay đổi.2 Một số phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối 1.1 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 4 tổn thất công suất bé nhất. Vì vậy để có lưới điện phân ph1ối 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.1 thể hiện giải thuật của Merlin và Back, đã được Shirmohammadi bổ sung: 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 1.1: 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. 5 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.