Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng ổn định và hiệu quả cho các khu vực dân cư và công nghiệp. Tại khu vực Tân Phước, hệ thống lưới điện trung thế và hạ thế đang quản lý tổng chiều dài hơn 659 km dây dẫn, với 439 trạm biến áp phân phối và hơn 21.000 khách hàng sử dụng điện. Năm 2017, tổn thất điện năng trên lưới điện của Điện lực Tân Phước đạt 7,53%, trong đó tổn thất hạ thế chiếm tỷ lệ cao 6,8%. Đây là mức tổn thất vượt ngưỡng mục tiêu 7,0% do Tập đoàn Điện lực Việt Nam đề ra, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả vận hành và chi phí điện năng.

Vấn đề tổn thất điện năng trên lưới hạ thế, đặc biệt trong các lưới điện dạng hình tia chưa được kết vòng, là thách thức lớn đối với các kỹ sư và điều độ viên tại Điện lực Tân Phước. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là áp dụng một gói giải pháp tổng hợp nhằm giảm tổn thất điện năng trên lưới hạ thế, bao gồm cân bằng tải giữa các trạm biến áp hạ thế, xác định vị trí và dung lượng bù công suất phản kháng tối ưu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ba trạm biến áp hạ thế đặc trưng với cấu hình 1 pha 3 dây, chiều dài gần 1000m, tại khu vực Tân Phước trong năm 2017-2018.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng điện, giảm tổn thất năng lượng, đồng thời góp phần thực hiện mục tiêu giảm tổn thất điện năng của ngành điện Việt Nam. Kết quả nghiên cứu dự kiến sẽ hỗ trợ các đơn vị quản lý lưới điện trong việc tối ưu hóa vận hành, giảm chi phí và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vận hành lưới điện phân phối, tập trung vào bài toán giảm tổn thất điện năng và cân bằng tải. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Tổn thất điện năng (ΔA): Là phần điện năng bị hao hụt trên đường dây và thiết bị trong quá trình truyền tải, được tính toán dựa trên công suất tổn thất (ΔP) và điện năng tiêu thụ thực tế.
  • Cân bằng tải phân phối: Phương pháp điều chỉnh phân phối công suất giữa các trạm biến áp và đường dây nhằm giảm quá tải và tổn thất.
  • Giải thuật TOPO (Tie Open Point Optimization): Thuật toán xác định điểm mở tối ưu trên lưới điện hình tia để giảm tổn thất công suất, được tích hợp trong phần mềm PSS/ADEPT.
  • Đơn giản hóa lưới điện phân phối: Kỹ thuật gom nhóm phụ tải thành phần tử tương đương để giảm độ phức tạp của lưới điện, giúp giải thuật TOPO vận hành hiệu quả trên lưới lớn.
  • Bù công suất phản kháng tối ưu: Xác định vị trí và dung lượng tụ bù nhằm cải thiện hệ số công suất, giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện áp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp phân tích lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm trên phần mềm chuyên dụng PSS/ADEPT. Cụ thể:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu điện năng tiêu thụ, thông số kỹ thuật lưới điện, sơ đồ đơn tuyến, và dữ liệu đo xa từ hệ thống CMIS của Điện lực Tân Phước.
  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn ba trạm biến áp hạ thế đặc trưng với cấu hình 1 pha 3 dây, chiều dài gần 1000m, đại diện cho đặc điểm vận hành của lưới điện khu vực.
  • Phân tích dữ liệu: Xây dựng đồ thị phụ tải đặc trưng cho từng loại phụ tải (sinh hoạt, kinh doanh, sản xuất) dựa trên số liệu tiêu thụ điện và đồ thị phụ tải điển hình. Tính toán công suất trung bình P, Q từng giờ cho từng trạm.
  • Mô phỏng và tính toán: Sử dụng phần mềm PSS/ADEPT để xây dựng mô hình lưới điện tương đương, áp dụng giải thuật TOPO để xác định cấu hình lưới điện tối ưu giảm tổn thất công suất. Tính toán tổn thất điện năng trước và sau cân bằng tải.
  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý dữ liệu trong năm 2017-2018, mô phỏng và phân tích kết quả trong tháng 9-10/2018.

Phương pháp tiếp cận này cho phép đánh giá chính xác hiệu quả các giải pháp giảm tổn thất điện năng trong điều kiện thực tế của lưới điện phân phối Tân Phước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tỷ lệ tổn thất điện năng trên lưới hạ thế cao: Năm 2017, tổn thất điện năng toàn lưới đạt 7,53%, trong đó tổn thất hạ thế chiếm 6,8%, vượt mục tiêu 7,0% của ngành điện. Đây là mức tổn thất đáng kể, ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận hành và hiệu quả sử dụng điện.

  2. Hiệu quả của giải pháp cân bằng tải và tái cấu hình lưới: Sau khi áp dụng giải thuật TOPO trên mô hình lưới điện tương đương ba trạm biến áp hạ thế, tổn thất điện năng giảm từ 0,042% xuống còn 0,028% trong một ngày vận hành, tương đương giảm 33,33% tổn thất so với ban đầu.

  3. Giảm tổn thất điện năng tuyệt đối: Tổn thất điện năng giảm được khoảng 0,22 kWh/ngày trên ba trạm biến áp nghiên cứu, cho thấy hiệu quả thực tiễn của giải pháp trong việc tiết kiệm năng lượng.

  4. Thay đổi trạng thái khóa điện tối ưu: Kết quả mô phỏng cho thấy việc đóng/mở các khóa điện theo cấu hình mới giúp cân bằng tải và giảm tổn thất, với các khóa điện được chuyển trạng thái từ đóng sang mở hoặc ngược lại, tạo thành cấu hình lưới hình tia tối ưu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của tổn thất cao là do lưới điện hạ thế thiết kế dạng hình tia, không kết vòng, dẫn đến mất cân bằng pha và quá tải cục bộ. Việc áp dụng giải thuật TOPO giúp xác định điểm mở tối ưu, tái cấu hình lưới điện để cân bằng tải giữa các trạm biến áp, giảm dòng điện tải trên từng nhánh, từ đó giảm tổn thất công suất.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả giảm tổn thất 33,33% là mức cải thiện đáng kể, phù hợp với các báo cáo của ngành điện miền Nam và các nghiên cứu quốc tế về cân bằng tải và tái cấu hình lưới điện phân phối. Việc sử dụng phần mềm PSS/ADEPT cho phép mô phỏng chính xác các trạng thái vận hành và tính toán tổn thất điện năng theo từng giờ, giúp đánh giá hiệu quả giải pháp một cách khoa học.

Biểu đồ tỷ lệ tổn thất điện năng trước và sau cân bằng tải minh họa rõ sự giảm sút tổn thất, đồng thời bảng trạng thái khóa điện cho thấy các thao tác đóng/mở khóa điện cần thiết để đạt cấu hình tối ưu. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các kỹ sư vận hành lưới điện đưa ra quyết định điều chỉnh cấu hình lưới phù hợp, giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng giải thuật TOPO rộng rãi: Khuyến nghị các đơn vị quản lý lưới điện tại Tân Phước và các khu vực tương tự áp dụng giải thuật TOPO trong phần mềm PSS/ADEPT để tái cấu hình lưới điện hạ thế, giảm tổn thất điện năng. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do phòng kỹ thuật chủ trì.

  2. Đầu tư thiết bị đo đếm và hệ thống đo xa: Nâng cấp hệ thống đo đếm điện năng và lắp đặt thiết bị đo xa để thu thập dữ liệu phụ tải chính xác theo giờ, hỗ trợ việc xây dựng đồ thị phụ tải và tính toán tổn thất hiệu quả hơn. Thời gian triển khai 2-3 năm, phối hợp với các nhà cung cấp thiết bị và phòng công nghệ thông tin.

  3. Tăng cường công tác cân bằng tải và bảo trì lưới điện: Đào tạo nhân viên vận hành về kỹ thuật cân bằng tải, quản lý trạng thái khóa điện và bảo trì lưới điện nhằm duy trì cấu hình tối ưu, giảm tổn thất lâu dài. Thực hiện liên tục, do phòng kỹ thuật và đào tạo phối hợp thực hiện.

  4. Nghiên cứu và áp dụng bù công suất phản kháng tối ưu: Xác định vị trí và dung lượng tụ bù phù hợp trên lưới hạ thế để cải thiện hệ số công suất, giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện áp. Thời gian nghiên cứu và triển khai 1-2 năm, do phòng kỹ thuật và nghiên cứu phát triển thực hiện.

  5. Xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo tự động: Phát triển hệ thống SCADA tích hợp với phần mềm PSS/ADEPT để giám sát trạng thái lưới điện, cảnh báo quá tải và tổn thất cao, hỗ trợ điều độ viên ra quyết định nhanh chóng. Thời gian triển khai 2-3 năm, phối hợp phòng công nghệ thông tin và vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhân viên vận hành lưới điện phân phối: Nghiên cứu cung cấp phương pháp và công cụ thực tiễn để cân bằng tải, tái cấu hình lưới điện, giảm tổn thất điện năng, nâng cao hiệu quả vận hành.

  2. Quản lý và lãnh đạo các đơn vị điện lực: Tham khảo để xây dựng kế hoạch đầu tư, nâng cấp hệ thống đo đếm, áp dụng công nghệ mới nhằm giảm tổn thất và tăng độ tin cậy cung cấp điện.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo về các giải thuật tối ưu hóa lưới điện phân phối, ứng dụng phần mềm PSS/ADEPT và các phương pháp phân tích tổn thất điện năng.

  4. Các nhà hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học và số liệu thực tế để xây dựng chính sách giảm tổn thất điện năng, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong ngành điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tổn thất điện năng trên lưới hạ thế lại cao?
    Tổn thất cao do lưới điện hạ thế thiết kế dạng hình tia, không kết vòng, gây mất cân bằng pha và quá tải cục bộ. Ngoài ra, chiều dài đường dây lớn và công suất phản kháng không được bù hợp lý cũng làm tăng tổn thất.

  2. Giải thuật TOPO hoạt động như thế nào trong việc giảm tổn thất?
    TOPO xác định điểm mở tối ưu trên lưới điện hình tia để tái cấu hình lưới, cân bằng tải giữa các nhánh, giảm dòng điện tải và tổn thất công suất. Giải thuật này được tích hợp trong phần mềm PSS/ADEPT và cho kết quả chính xác.

  3. Làm thế nào để xây dựng đồ thị phụ tải khi không có dữ liệu P(t), Q(t) chi tiết?
    Có thể xây dựng đồ thị phụ tải đặc trưng dựa trên số liệu điện năng tiêu thụ tổng hợp từ hệ thống đo xa và phân loại theo loại phụ tải (sinh hoạt, kinh doanh, sản xuất), kết hợp với đồ thị phụ tải điển hình để mô phỏng.

  4. Việc tái cấu hình lưới điện có ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện không?
    Tái cấu hình lưới điện giúp cân bằng tải, giảm quá tải và tổn thất, từ đó nâng cao độ tin cậy. Tuy nhiên, cần đảm bảo các thao tác đóng/mở khóa điện được thực hiện đúng quy trình để tránh mất điện không mong muốn.

  5. Giải pháp nào khác có thể kết hợp để giảm tổn thất điện năng?
    Ngoài cân bằng tải và tái cấu hình, việc đầu tư bù công suất phản kháng tối ưu, nâng cấp tiết diện dây dẫn, cải thiện hệ thống đo đếm và giám sát tự động cũng góp phần giảm tổn thất hiệu quả.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định và áp dụng thành công giải thuật TOPO trên phần mềm PSS/ADEPT để tái cấu hình lưới điện hạ thế tại Điện lực Tân Phước, giảm tổn thất điện năng từ 0,042% xuống 0,028%, tương đương giảm 33,33%.
  • Việc đơn giản hóa lưới điện phân phối giúp giải thuật TOPO vận hành hiệu quả trên lưới điện có quy mô lớn với nhiều nút và nhánh.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho các đơn vị điện lực trong việc tối ưu hóa vận hành, nâng cao hiệu quả sử dụng điện và giảm chi phí.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi giải pháp cân bằng tải, đầu tư thiết bị đo đếm, bù công suất phản kháng và hệ thống giám sát tự động nhằm duy trì hiệu quả lâu dài.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu trên toàn bộ lưới điện phân phối, cập nhật dữ liệu đo đếm chi tiết và phát triển hệ thống cảnh báo tự động để hỗ trợ vận hành thông minh.

Hành động ngay hôm nay: Các đơn vị điện lực nên bắt đầu khảo sát, xây dựng mô hình lưới điện tương đương và áp dụng giải thuật TOPO để giảm tổn thất, đồng thời đầu tư nâng cấp hệ thống đo đếm và giám sát nhằm nâng cao hiệu quả vận hành trong tương lai gần.