Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối (LĐPP) đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện áp và độ tin cậy cung cấp điện. Tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực quận Ba Đình – một trong bốn quận trung tâm của Hà Nội, nhu cầu vận hành tối ưu lưới điện phân phối ngày càng trở nên cấp thiết nhằm giảm tổn thất công suất, nâng cao chất lượng điện áp và đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện. Theo báo cáo của ngành điện lực, tổn thất công suất trên lưới điện phân phối có thể chiếm tới khoảng 10-15% tổng điện năng truyền tải, gây lãng phí lớn và ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất giải pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối trung áp 22kV xuất tuyến 454E1.8 của Công ty Điện lực Ba Đình nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng, cải thiện chất lượng điện áp và đảm bảo các giới hạn kỹ thuật vận hành. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc xác định vị trí mở khóa điện để tạo cấu hình lưới hình tia tối ưu, dựa trên dữ liệu thực tế thu thập tại địa phương trong năm 2023. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối, giảm chi phí vận hành và tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khu vực trung tâm thủ đô.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết trào lưu công suất (Power Flow Analysis): Hệ phương trình cân bằng công suất và dòng điện tại các nút lưới điện được xây dựng dựa trên mô hình toán học phi tuyến, sử dụng phương pháp Newton-Raphson để giải hệ phương trình nhằm xác định điện áp và dòng điện trên từng nhánh.

  • Mô hình tái cấu trúc lưới điện phân phối: Bài toán được mô tả dưới dạng bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc với hàm mục tiêu là giảm thiểu tổng tổn thất công suất tác dụng trên toàn bộ lưới điện, đồng thời thỏa mãn các ràng buộc về giới hạn điện áp, công suất máy biến áp, và đảm bảo cấu hình lưới hình tia.

  • Các thuật toán tái cấu trúc lưới điện: Nghiên cứu và áp dụng thuật toán tái cấu trúc lưới điện phân phối của F. Vanderson Gomes, bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn mở khóa điện để phá vỡ các vòng kín và giai đoạn trao đổi trạng thái khóa nhằm tối ưu hóa cấu hình lưới.

Các khái niệm chính bao gồm: tổn thất công suất tác dụng, cấu hình lưới hình tia, điểm mở khóa điện, trào lưu công suất, và ma trận Jacobian trong phương pháp Newton-Raphson.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ lưới điện phân phối trung áp 22kV xuất tuyến 454E1.8 của Công ty Điện lực Ba Đình, bao gồm thông số điện áp, dòng điện, công suất phụ tải và trạng thái các khóa điện. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ các nút và nhánh trong xuất tuyến này, với khoảng 454 nút phụ tải.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng trào lưu công suất bằng phương pháp Newton-Raphson, kết hợp với thuật toán tái cấu trúc lưới điện phân phối gồm hai giai đoạn: mở khóa điện và trao đổi trạng thái khóa. Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2023.

Timeline nghiên cứu bao gồm: thu thập dữ liệu thực tế (tháng 1-2), xây dựng mô hình và thuật toán (tháng 3), thực hiện tính toán và mô phỏng (tháng 4), phân tích kết quả và đề xuất giải pháp (tháng 5).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm tổn thất công suất tác dụng: Áp dụng thuật toán tái cấu trúc lưới điện phân phối cho lưới 5 nút mẫu, tổng tổn thất công suất giảm từ 16,63 MW xuống còn 5,97 MW, tương đương giảm khoảng 64%. Trên lưới thực tế của Công ty Điện lực Ba Đình, tổn thất công suất dự kiến giảm khoảng 20-25% so với cấu hình hiện tại.

  2. Cải thiện chất lượng điện áp: Sau khi tái cấu trúc, điện áp tại các nút phụ tải được duy trì trong giới hạn cho phép ±5% điện áp định mức, với điện áp thấp nhất đạt 0,95 pu và cao nhất 1,06 pu, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật vận hành.

  3. Tối ưu hóa cấu hình lưới hình tia: Việc xác định vị trí mở khóa điện hợp lý giúp chuyển đổi lưới từ dạng vòng kín sang hình tia, đơn giản hóa hệ thống bảo vệ rơle và điều chỉnh điện áp, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì.

  4. Hiệu quả thuật toán: Thuật toán tái cấu trúc hai giai đoạn cho kết quả tối ưu hơn so với các phương pháp truyền thống như thuật toán cắt vòng kín hay đổi nhánh, với thời gian tính toán phù hợp cho lưới phân phối quy mô lớn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tổn thất công suất là do thuật toán đã xác định được cấu hình lưới tối ưu, cân bằng tải trên các nhánh và giảm dòng điện chạy qua các đường dây có điện trở lớn. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả giảm tổn thất đạt mức cao hơn đáng kể, nhờ áp dụng thuật toán của F. Vanderson Gomes phù hợp với lưới phân phối lớn và phức tạp.

Việc duy trì điện áp trong giới hạn cho phép chứng tỏ thuật toán không chỉ tập trung vào giảm tổn thất mà còn đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật vận hành. Kết quả này có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh điện áp tại các nút trước và sau tái cấu trúc, cũng như bảng tổng hợp tổn thất công suất từng bước mở khóa.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp một công cụ hiệu quả cho các đơn vị điện lực trong việc vận hành và quy hoạch lưới điện phân phối, góp phần nâng cao độ tin cậy và chất lượng cung cấp điện, đồng thời giảm chi phí vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng thuật toán tái cấu trúc lưới điện phân phối: Đề nghị Công ty Điện lực Ba Đình áp dụng thuật toán hai giai đoạn trong vận hành thực tế để giảm tổn thất công suất, với mục tiêu giảm ít nhất 20% tổn thất trong vòng 12 tháng.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển và giám sát: Cải tiến hệ thống SCADA và các thiết bị đóng cắt tự động để hỗ trợ việc thay đổi trạng thái khóa điện nhanh chóng, linh hoạt, đảm bảo vận hành lưới hình tia tối ưu.

  3. Đào tạo nhân lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư vận hành về thuật toán tái cấu trúc và phương pháp tính toán trào lưu công suất, nâng cao năng lực vận hành và xử lý sự cố.

  4. Mở rộng nghiên cứu và áp dụng: Khuyến khích nghiên cứu mở rộng áp dụng thuật toán cho các xuất tuyến khác trong mạng lưới điện Hà Nội, đồng thời tích hợp các yếu tố như bù công suất phản kháng và độ tin cậy cung cấp điện trong mô hình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và quản lý vận hành điện lực: Giúp hiểu rõ về phương pháp tối ưu hóa cấu hình lưới điện phân phối, giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện áp trong thực tế vận hành.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện – điện tử: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp luận hiện đại trong tính toán trào lưu công suất và tái cấu trúc lưới điện phân phối.

  3. Các đơn vị quy hoạch và thiết kế lưới điện: Hỗ trợ trong việc thiết kế lưới điện phân phối mới hoặc nâng cấp lưới hiện có với mục tiêu tối ưu hóa tổn thất và đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về năng lượng: Là tài liệu tham khảo để xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn vận hành lưới điện phân phối hiệu quả, bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải tái cấu trúc lưới điện phân phối?
    Tái cấu trúc giúp giảm tổn thất công suất, cải thiện chất lượng điện áp và độ tin cậy cung cấp điện bằng cách thay đổi trạng thái đóng/mở các khóa điện để tạo cấu hình lưới tối ưu.

  2. Thuật toán tái cấu trúc nào được áp dụng trong nghiên cứu?
    Luận văn áp dụng thuật toán hai giai đoạn của F. Vanderson Gomes, bắt đầu với lưới vòng kín và lần lượt mở khóa điện để tạo lưới hình tia tối ưu, sau đó trao đổi trạng thái khóa để tối ưu hóa thêm.

  3. Phương pháp Newton-Raphson được sử dụng như thế nào?
    Phương pháp Newton-Raphson giải hệ phương trình phi tuyến cân bằng công suất nút, giúp xác định điện áp và dòng điện trên lưới trong từng cấu hình, là cơ sở tính toán tổn thất công suất.

  4. Kết quả giảm tổn thất có thể đạt được bao nhiêu phần trăm?
    Theo mô phỏng, tổn thất công suất có thể giảm khoảng 20-25% trên lưới thực tế của Công ty Điện lực Ba Đình, và lên đến 64% trên lưới mẫu 5 nút.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Cần nâng cấp hệ thống điều khiển đóng cắt tự động, đào tạo nhân lực vận hành và tích hợp thuật toán vào phần mềm quản lý lưới điện để thực hiện tái cấu trúc linh hoạt theo điều kiện vận hành.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng và áp dụng thành công thuật toán tái cấu trúc lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng cho lưới điện trung áp 22kV của Công ty Điện lực Ba Đình.
  • Phương pháp Newton-Raphson được sử dụng hiệu quả trong tính toán trào lưu công suất, đảm bảo tính chính xác và tốc độ hội tụ nhanh.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy tổn thất công suất có thể giảm khoảng 20-25%, đồng thời cải thiện chất lượng điện áp và đảm bảo các giới hạn kỹ thuật vận hành.
  • Giải pháp tái cấu trúc lưới điện hình tia giúp đơn giản hóa vận hành, giảm chi phí bảo trì và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.
  • Đề xuất triển khai áp dụng thuật toán trong thực tế vận hành và mở rộng nghiên cứu cho các lưới phân phối khác nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành lưới điện.

Luận văn khuyến khích các đơn vị điện lực và nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển và ứng dụng các giải pháp tối ưu hóa lưới điện phân phối để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế và xã hội trong tương lai.