Luận văn thạc sĩ: Giải pháp tự phục hồi trong lưới điện phân phối

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật điện giải pháp tự phục hồi trong lưới điện phân phối, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực

• Tác giả: Nguyễn Phi Triều
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Liêm
• Trường học: Đại học Quốc gia Tp.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Giải Pháp Tự Phục Hồi Trong Lưới Điện Phân Phối
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp.Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH
• 2.1. Tổng quan lưới điện thông minh
• 2.2. Đặc điểm chính của lưới điện thông minh
• 2.3. Các vấn đề khi phát triển lưới điện thông minh
• 2.3.1. Đầu tư nâng cấp hạ tầng đo đếm thông minh
• 2.3.2. Ảnh hưởng khi tích hợp nguồn DG vào hệ thống điện
• 2.3.3. Tự khắc phục trong lưới điện
• 2.4. Tóm tắt
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU GIẢI PHÁP TỰ PHỤC HỒI LƯỚI ĐIỆN
• 3.1. Giới thiệu chung
• 3.2. Mô hình tự phục hồi lưới điện phân phối
• 3.2.1. Mô hình cấu trúc phân tán
• 3.2.2. Mô hình cấu trúc bán tập trung
• 3.2.3. Mô hình cấu trúc tập trung
• 3.3. Các giải pháp tự phục hồi lưới điện
• 4. CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP PHỤC HỒI LƯỚI ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN VÙNG THÀNH NHIỀU HỆ THỐNG ĐIỆN NHỎ
• 4.2. Mô hình thuật toán
• 4.3. Thông số đầu vào hệ thống
• 4.4. Công thức tối ưu hệ thống
• 4.4.1. Tối ưu trong chế độ vận hành bình thường
• 4.4.2. Tối ưu trong chế độ sự cố
• 5. CHƯƠNG 5: SỬ DỤNG HÀM FMINCON TRONG CHẾ ĐỘ BÌNH THƯỜNG
• 5.1. Giới thiệu hàm fmincon
• 5.2. Chế độ bình thường
• 6. CHƯƠNG 6: SỬ DỤNG HÀM MINLP TRONG CHẾ ĐỘ SỰ CỐ
• 6.1. Giới thiệu về bài toán MINLP
• 6.2. Các phương pháp giải bài toán MINLP
• 6.3. Chế độ sự cố
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN
• 8. CHƯƠNG 8: THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Đề tài "Giải pháp tự phục hồi cho lưới điện phân phối" được thực hiện nhằm mục tiêu nâng cao độ tin cậy và chất lượng cung cấp điện. Sự chuyển đổi từ lưới điện truyền thống sang lưới điện thông minh là một xu thế tất yếu trong bối cảnh hiện đại. Lưới điện thông minh không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất điện mà còn tối ưu hóa quá trình vận hành, nâng cao khả năng phát hiện và khắc phục sự cố. Đặc biệt, việc áp dụng các giải pháp tự phục hồi cho lưới điện phân phối sẽ giúp cải thiện đáng kể độ tin cậy cấp điện, giảm thiểu thời gian mất điện cho khách hàng. Theo TS. Nguyễn Văn Liêm, việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ tự động hóa trong lưới điện là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.

II. Tổng quan về lưới điện thông minh

Lưới điện thông minh được định nghĩa là một hệ thống điện hoàn toàn tự động, cho phép giám sát và điều khiển thời gian thực. Việc xây dựng lưới điện thông minh tại Việt Nam nhằm nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện, và khuyến khích sử dụng năng lượng tiết kiệm. Các đặc điểm chính của lưới điện thông minh bao gồm khả năng tự phục hồi, tương tác, tối ưu hóa, và an toàn. Đặc biệt, khả năng tự phục hồi (self-healing) cho phép lưới điện phát hiện và cô lập sự cố nhanh chóng, từ đó tự động phục hồi cung cấp điện cho các vùng không bị ảnh hưởng. Theo nghiên cứu, tự phục hồi là một trong những đặc điểm quan trọng để nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối.

2.1 Đặc điểm chính của lưới điện thông minh

Lưới điện thông minh có bảy đặc điểm chính, trong đó tự phục hồi là một yếu tố quan trọng. Điều này có nghĩa là khi có sự cố xảy ra, lưới điện có thể tự động phát hiện và khôi phục trạng thái bình thường một cách nhanh chóng. Nhờ vào sự phát triển của công nghệ, lưới điện thông minh có thể sử dụng các thiết bị giám sát và điều khiển để tối ưu hóa quy trình vận hành, từ đó giảm thiểu thời gian và chi phí cho các công ty điện lực. Việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính bền vững và hiệu quả của lưới điện.

III. Giới thiệu giải pháp tự phục hồi lưới điện

Giải pháp tự phục hồi lưới điện phân phối được thiết kế nhằm giảm thiểu thời gian mất điện và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Các mô hình tự phục hồi bao gồm cấu trúc phân tán, bán tập trung và tập trung, mỗi mô hình có những ưu điểm riêng. Việc áp dụng các thuật toán tối ưu như fmincon và minlp trong quá trình phục hồi không chỉ giúp tối ưu hóa công suất phát mà còn đảm bảo chất lượng điện năng. Theo các chuyên gia, việc phát triển các giải pháp tự phục hồi là cần thiết để lưới điện có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường ngày càng phức tạp.

3.1 Mô hình tự phục hồi lưới điện phân phối

Mô hình tự phục hồi lưới điện phân phối có thể được chia thành ba loại chính: mô hình cấu trúc phân tán, bán tập trung và tập trung. Mô hình phân tán cho phép các phần của lưới điện hoạt động độc lập, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của sự cố đến toàn bộ hệ thống. Mô hình bán tập trung kết hợp giữa tính độc lập và khả năng điều phối, trong khi mô hình tập trung phù hợp với các hệ thống lớn, nơi mà việc quản lý tập trung có thể mang lại hiệu quả cao hơn. Mỗi mô hình đều có những ứng dụng và lợi ích riêng, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của từng hệ thống điện.

IV. Giải pháp phục hồi lưới điện sử dụng phương pháp phân vùng

Giải pháp phân vùng lưới điện thành nhiều hệ thống điện nhỏ có khả năng tự cung tự cấp là một trong những phương pháp hiệu quả để phục hồi lưới điện. Bằng cách sử dụng các thuật toán tối ưu hóa, các nhà nghiên cứu có thể xác định cách phân bổ nguồn phát và tải một cách hợp lý, từ đó giảm thiểu tổn thất điện năng. Việc áp dụng mô hình này không chỉ giúp cải thiện độ tin cậy mà còn tạo ra sự linh hoạt trong việc quản lý và vận hành lưới điện. Chuyên gia trong ngành cho rằng, việc phân vùng lưới điện là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển lưới điện thông minh tại Việt Nam.

4.1 Mô hình thuật toán

Mô hình thuật toán cho giải pháp phục hồi lưới điện bao gồm các phương pháp tối ưu hóa như fmincon và minlp. Các phương pháp này cho phép tính toán hiệu quả công suất phát trong cả chế độ bình thường và sự cố. Việc áp dụng các thuật toán này không chỉ giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất điện mà còn đảm bảo rằng lưới điện có thể hoạt động ổn định trong mọi tình huống. Theo các nghiên cứu, việc sử dụng các hàm toán học này là rất cần thiết để đạt được mục tiêu tối ưu hóa trong lưới điện phân phối.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối khu vực miền Nam do Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVN SPC) quản lý bao gồm 1.161 tuyến trung thế với tổng chiều dài 52.922 km vận hành ở cấp điện áp 22 kV. Trong bối cảnh hạ tầng bọc hóa mới chỉ đạt 1.400,3 km (chiếm tỷ lệ 2,6%), các sự cố ngẫu nhiên trên đường dây thường gây gián đoạn cung cấp điện trên diện rộng. Số liệu thống kê cơ sở ghi nhận chỉ số thời gian mất điện trung bình (SAIDI) của toàn hệ thống lên tới 2.088 phút/khách hàng/năm và chỉ số số lần mất điện trung bình (SAIFI) là 6,78 lần/khách hàng/năm. Đứng trước áp lực nâng cao chất lượng dịch vụ và mục tiêu chiến lược hạ giảm 85,3% chỉ số SAIDI xuống còn 306 phút cùng SAIFI giảm 22,3% xuống 5,27 lần, việc chuyển đổi mô hình quản lý vận hành truyền thống sang mô hình lưới điện thông minh (Smart Grid) là yêu cầu tất yếu.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự xuất hiện ngày càng nhiều của các nguồn phát điện phân tán (Distributed Generation - DG) như pin mặt trời, phong điện và tua-bin khí mini (Micro Turbine). Nguồn DG mang lại cơ hội cấp điện linh hoạt nhưng đồng thời làm phức tạp hóa chế độ điện áp, dòng ngắn mạch và tính chọn lọc của hệ thống rơ le bảo vệ. Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình thuật toán tự phục hồi (Self-healing) tối ưu cho lưới điện phân phối có tích hợp DG. Nghiên cứu thực hiện trên mô hình chuẩn hiệu chỉnh IEEE 69 nút nhằm giải quyết đồng thời hai bài toán: tối thiểu hóa chi phí sản xuất điện trong chế độ vận hành bình thường và cực tiểu hóa lượng phụ tải sa thải cùng độ lệch điện áp trong chế độ sự cố. Giải pháp tạo lập các vùng lưới điện nhỏ (Microgrid - MG) độc lập tự cung tự cấp đóng vai trò trọng tâm trong việc bảo đảm an ninh năng lượng và duy trì độ tin cậy cung cấp điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết lưới điện thông minh với 7 thuộc tính căn bản: tự phục hồi, tương tác, tối ưu hóa, tương thích, tích hợp, an toàn và bảo đảm chất lượng điện năng cao. Trọng tâm của công trình xoay quanh lý thuyết điều độ tối ưu dòng công suất (Optimal Power Flow - OPF) và lý thuyết vận hành phân vùng hệ thống điện nhỏ độc lập (Microgrid Islanding).

Hệ thống khái niệm kỹ thuật nền tảng bao gồm:

1. Cơ chế tự phục hồi (Self-healing): Khả năng tự động phát hiện, khoanh vùng, cô lập phân đoạn sự cố và tái cấu trúc mạch vòng để khôi phục cấp điện nhanh chóng cho các vùng không bị sự cố.
2. Lưới điện nhỏ (Microgrid): Tập hợp các phụ tải và nguồn phân tán DG được kết nối trong ranh giới điện xác định, có thể vận hành hòa lưới hoặc vận hành độc lập (islanding).
3. Bài toán quy hoạch phi tuyến hỗn hợp số nguyên (Mixed-Integer Nonlinear Programming - MINLP): Mô hình toán học kết hợp biến liên tục (công suất, điện áp) và biến nhị phân rời rạc (trạng thái đóng cắt của máy cắt, tình trạng sa thải tải).
4. Các chỉ số độ tin cậy theo tiêu chuẩn IEEE 1366 bao gồm SAIDI, SAIFI và MAIFI (chỉ số số lần mất điện thoáng qua trung bình với giá trị cơ sở là 0,336 lần).
5. Tiêu chuẩn chất lượng điện áp theo quy định tại Thông tư 32/2010/TT-BCT của Bộ Công Thương với độ lệch cho phép không vượt quá 5% điện áp danh định.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu sử dụng hệ thống lưới điện phân phối hình tia chuẩn IEEE 69 nút 73 nhánh hiệu chỉnh, vận hành ở cấp điện áp danh định 12,66 kV với công suất cơ bản 10 kVA. Hệ thống tích hợp 10 cụm nguồn phân tán DG tại các nút 15, 19, 25, 32, 44, 47, 56, 58, 60 và 63 với tổng công suất khả dụng vượt mức 2.800 kW, kết hợp cùng số liệu vận hành thực tế thu thập từ 1.161 lộ đường dây của EVN SPC trong giai đoạn 2014-2016.

Phương pháp chọn mẫu áp dụng kỹ thuật lấy mẫu chuẩn hóa định chuẩn (benchmark testing) trong kỹ thuật điện. Mẫu hệ thống 69 nút được lựa chọn nhờ cấu trúc nhánh phức tạp, tính đại diện cao cho các xuất tuyến trung thế đô thị và nông thôn điển hình tại Việt Nam.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích toán học chuyên sâu:

• Đối với chế độ vận hành bình thường: Sử dụng hàm fmincon với thuật toán điểm trong (Interior-point) trên nền tảng MATLAB. Phương pháp này xử lý tối ưu bài toán liên tục đa biến phi tuyến quy mô lớn, tính toán nhanh chóng điểm cực tiểu chi phí phát điện dựa trên biểu giá chênh lệch giữa nguồn phong điện (1.733 đồng/kWh) và tua-bin khí (1.065 đồng/kWh).
• Đối với chế độ sự cố mất điện đầu nguồn: Áp dụng thuật toán BONMIN (Basic Open-source Nonlinear Mixed Integer Programming) với kỹ thuật nhánh và biên phi tuyến (B-BB) kết hợp xấp xỉ ngoài (B-OA). Thuật toán này là công cụ hoàn hảo để xử lý các biến nhị phân điều khiển dao cách ly và sa thải tải mà không làm mất tính hội tụ của phương trình dòng công suất phi tuyến AC.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và tính toán số liệu trên mô hình IEEE 69 nút mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, trong chế độ vận hành bình thường, thuật toán fmincon đã điều độ tối ưu công suất nguồn phát đạt 2.809,5 kW để đáp ứng hoàn hảo tổng công suất phụ tải toàn mạng là 2.791,89 kW. Chi phí phát điện cực tiểu đạt mức 2.200 đồng/giờ. Hệ thống đã tự động dừng huy động nguồn điện gió 1.000 kW tại nút 60 do giá thành sản xuất cao hơn 163% so với tua-bin khí (1.733 đồng/kWh so với 1.065 đồng/kWh), giúp tiết kiệm ngân sách vận hành tối đa.

Thứ hai, biên độ điện áp tại tất cả 69 nút phụ tải trong chế độ bình thường được duy trì ổn định tuyệt đối trong phạm vi từ 0,995 pu đến 1,001 pu. Mức dao động điện áp cực đại chỉ là 0,5%, đáp ứng nghiêm ngặt giới hạn cho phép 5% theo tiêu chuẩn vận hành kỹ thuật.

Thứ ba, khi giả lập sự cố đứt tuyến nghiêm trọng tại nhánh 1-2 (đầu nguồn xuất tuyến), mô hình cấu trúc tập trung đã phân chia vùng mất điện thành các lưới điện nhỏ Microgrid độc lập. Trong kịch bản tổng công suất nguồn lớn hơn phụ tải, thuật toán phân bổ dòng công suất tái lập điện năng cho 100% các nút tải không bị hư hỏng vật lý mà không cần sa thải bất kỳ phụ tải nào.

Thứ tư, trong kịch bản nguồn phát bị thiếu hụt so với tổng tải, việc tích hợp trọng số ưu tiên vào hàm mục tiêu MINLP cho phép hệ thống duy trì cấp điện liên tục 100% cho các phụ tải trọng yếu cấp một, đồng thời sa thải chính xác lượng phụ tải không ưu tiên tại các nút ngoại vi, giữ vững điện áp nút sự cố trên ngưỡng 0,95 pu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp giải pháp phân vùng Microgrid đạt hiệu quả vượt trội là khả năng chuyển đổi tức thời từ bài toán tối ưu chi phí sang bài toán cực tiểu hóa công suất mất điện và độ lệch điện áp. Cơ chế sa thải tải có chọn lọc dựa trên trọng số phụ tải giúp ngăn chặn hiện tượng sụp đổ điện áp dây chuyền (voltage collapse) thường gặp trên lưới điện truyền thống.

So sánh với mô hình cấu trúc phân tán sử dụng bộ phần mềm WSOS5 của Schneider Electric (thời gian cô lập sự cố 20-60 giây dựa trên giao tiếp ngang hàng peer-to-peer), mô hình cấu trúc tập trung kết hợp thuật toán BONMIN thể hiện ưu thế vượt bậc về độ ổn định toàn cục. Mô hình phân tán cục bộ tuy có tốc độ tác động nhanh nhưng dễ dẫn đến mất ổn định tần số khi có nhiều nguồn DG cùng tham gia hòa lưới. Trong khi đó, thuật toán MINLP xử lý triệt để các ràng buộc phi tuyến của phương trình dòng công suất, tối ưu hóa cả công suất tác dụng lẫn phản kháng.

Các tập dữ liệu phân bố công suất và điện áp trong nghiên cứu được minh họa trực quan thông qua biểu đồ phân bố điện áp 69 nút và các bảng cân bằng công suất. Dữ liệu dạng bảng đối chiếu chi tiết giữa công suất đặt, công suất phát huy động và hệ số công suất phản kháng tại từng nút tải, giúp kỹ sư vận hành dễ dàng nhận diện các nút nhạy cảm điện áp và các phân đoạn lưới có nguy cơ quá tải cục bộ sau sự cố.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, 4 giải pháp trọng tâm được khuyến nghị nhằm hiện đại hóa lưới điện phân phối:

1. Nâng cấp đồng bộ hạ tầng đo đếm thông minh (AMI) và chuẩn hóa giao thức truyền thông: Triển khai lắp đặt công tơ điện tử thông minh có chức năng đo đếm đa biểu giá và truyền thông hai chiều thời gian thực. Thống nhất chuyển đổi các giao thức phân tán (như 3G, GSM, IEC 60870-5-101) sang chuẩn giao thức thống nhất IEC 60870-5-104 trên nền cáp quang. Mục tiêu rút ngắn độ trễ truyền dữ liệu xuống dưới 1 giây. Lộ trình thực hiện từ năm 2026 đến 2027, chủ trì bởi Tổng công ty Điện lực miền Nam và các Công ty Điện lực trực thuộc.

2. Tích hợp thuật toán MINLP và bộ công cụ BONMIN vào hệ thống phần mềm SCADA/DMS trung tâm: Nâng cấp mô đun quản lý năng lượng (EMS) tại các trung tâm điều độ để tự động hóa hoàn toàn quy trình phân vùng Microgrid và sa thải phụ tải tối ưu. Mục tiêu giảm thời gian nhận diện, cô lập và tái cấu trúc lưới điện xuống dưới 30 giây khi xảy ra sự cố đầu nguồn. Lộ trình triển khai từ năm 2027 đến 2028, chịu trách nhiệm bởi Trung tâm Điều độ Hệ thống điện và Ban Công nghệ Thông tin.

3. Tăng cường lắp đặt các thiết bị đóng cắt tự động thông minh Recloser và LBS trên các xuất tuyến mạch vòng: Phân đoạn các tuyến đường dây trung thế có chiều dài trên 20 km bằng các thiết bị đóng cắt có khả năng kết nối điều khiển từ xa. Mục tiêu đạt 100% tỷ lệ số hóa các thiết bị phân đoạn trên các mạch liên lạc trọng điểm, góp phần giảm chỉ số SAIDI của đơn vị xuống dưới 300 phút. Lộ trình thực hiện giai đoạn 2026-2029, giao Ban Quản lý Dự án Lưới điện thực hiện.

4. Xây dựng cơ chế giá mua điện linh hoạt và tiêu chuẩn kỹ thuật hòa lưới cho nguồn phân tán DG: Ban hành quy chế phối hợp vận hành giữa đơn vị phân phối và các chủ đầu tư nguồn điện năng lượng tái tạo, bảo đảm khả năng điều độ công suất tác dụng và phản kháng theo thời gian thực nhằm giữ độ lệch điện áp trong ngưỡng 5%. Lộ trình hoàn thiện cơ chế từ năm 2027 đến 2030, chủ trì bởi Cục Điều tiết Điện lực phối hợp cùng các Tập đoàn năng lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, Kỹ sư vận hành và điều độ viên tại các Trung tâm Điều độ Hệ thống điện phân phối (A0, A2, các Công ty Điện lực tỉnh): Luận văn cung cấp phương pháp luận chi tiết và các thuật toán điều độ kinh tế nguồn phát, hỗ trợ xây dựng kịch bản xử lý sự cố mất điện diện rộng và chuyển đổi phương thức cấp điện tối ưu.

Thứ hai, Cán bộ quản lý kỹ thuật và hoạch định chiến lược lưới điện tại các Tổng công ty Điện lực: Tài liệu cung cấp cơ sở định lượng về các chỉ số độ tin cậy SAIDI, SAIFI, MAIFI và phân tích hiệu quả kinh tế - kỹ thuật giữa các mô hình kiến trúc tự phục hồi (tập trung, phân tán, bán tập trung) phục vụ công tác lập dự án đầu tư tự động hóa lưới phân phối (DAS).

Thứ ba, Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo và Tự động hóa: Công trình là tài liệu tham khảo giá trị về cách ứng dụng các công cụ tối ưu hóa phi tuyến như fmincon và MINLP (BONMIN) giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp trong hệ thống điện hiện đại.

Thứ tư, Các kỹ sư phát triển phần mềm và chuyên gia tích hợp hệ thống SCADA/EMS/DMS: Cung cấp mô hình toán học giải thuật phân vùng Microgrid có thể nhúng trực tiếp vào các hệ thống điều khiển lưới điện thông minh thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải pháp tự phục hồi trong lưới điện phân phối hoạt động theo nguyên lý nào? Hệ thống giám sát liên tục các thông số dòng điện, điện áp tại từng nút thông qua hạ tầng đo đếm AMI. Khi xảy ra sự cố, hệ thống SCADA trung tâm tự động gửi tín hiệu mở máy cắt để cô lập vùng sự cố, sau đó phân chia lưới điện lành lặn thành các vùng Microgrid độc lập nhằm tự cân bằng công suất nguồn và tải, duy trì điện áp trong giới hạn 5%.

2. Tại sao luận văn lựa chọn mô hình cấu trúc tập trung thay vì mô hình phân tán? Mô hình cấu trúc tập trung cho phép máy chủ SCADA/DMS thu thập bức tranh toàn cảnh về dòng công suất và điện áp của toàn bộ 69 nút lưới điện. Nhờ đó, hệ thống có thể xử lý đa mục tiêu phi tuyến phức tạp, bảo đảm tính ổn định điện áp và tối ưu hóa chi phí vận hành, điều mà cấu trúc phân tán ngang hàng cục bộ không thực hiện được.

3. Thuật toán fmincon và MINLP khác nhau như thế nào trong bài toán tối ưu lưới điện? Hàm fmincon giải quyết bài toán tối ưu liên tục phi tuyến trong điều kiện vận hành bình thường nhằm cực tiểu hóa chi phí phát điện (đạt mức 2.200 đồng/giờ). Ngược lại, thuật toán MINLP (BONMIN) xử lý bài toán có chứa cả biến liên tục và biến nhị phân rời rạc (trạng thái đóng cắt dao cách ly, sa thải tải) trong chế độ sự cố.

4. Sự gia tăng của các nguồn phân tán DG gây ra những thách thức kỹ thuật gì? Nguồn DG có tính bất định cao (gió, mặt trời) làm gia tăng dòng ngắn mạch hệ thống, gây nhấp nháy điện áp (flicker), xuất hiện sóng hài bậc cao và làm giảm tính chọn lọc của rơ le bảo vệ. Ngoài ra, giá điện gió cao (1.733 đồng/kWh) đòi hỏi phải có thuật toán điều độ kinh tế để tránh tăng chi phí phát điện.

5. Việc phân chia lưới điện thành các Microgrid nhỏ cải thiện chỉ số độ tin cậy như thế nào? Giải pháp tạo lập Microgrid ngăn chặn tình trạng mất điện toàn bộ xuất tuyến khi có sự cố đầu nguồn. Bằng cách huy động nguồn DG tại chỗ cấp điện cho các phụ tải cô lập, hệ thống giảm thiểu tối đa số khách hàng mất điện kéo dài, trực tiếp hạ giảm chỉ số SAIDI và SAIFI hướng tới mục tiêu giảm 85% thời gian mất điện.

Kết luận

• Đề tài đã giải quyết trọn vẹn bài toán vận hành tối ưu lưới điện phân phối tích hợp nguồn phân tán DG trên mô hình chuẩn IEEE 69 nút trong cả hai chế độ bình thường và sự cố.
• Ứng dụng thành công hàm fmincon giúp xác lập chế độ điều độ kinh tế nguồn phát, tiết giảm chi phí sản xuất xuống mức tối ưu 2.200 đồng/giờ mà vẫn đảm bảo điện áp các nút dao động chặt chẽ trong khoảng 0,995 - 1,001 pu.
• Ứng dụng xuất sắc thuật toán MINLP với bộ giải BONMIN giúp tự động phân vùng lưới điện thành các hệ thống Microgrid tự cung tự cấp, sa thải tối thiểu phụ tải và bảo đảm an toàn cung cấp điện tuyệt đối cho các phụ tải ưu tiên.
• Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho lộ trình hiện đại hóa lưới điện thông minh của EVN SPC, hướng tới mục tiêu giảm chỉ số SAIDI từ 2.088 phút xuống 306 phút và nâng cao chất lượng điện năng theo Thông tư 32/2010/TT-BCT.
• Các đơn vị quản lý vận hành phân phối cần khẩn trương số hóa hạ tầng đo đếm AMI và tích hợp các thuật toán tối ưu hóa vào hệ thống SCADA để sẵn sàng vận hành lưới điện tự phục hồi tự động trong giai đoạn 2026-2030.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lý do chọn đề tài Hiện nay, hệ thống điện Việt Nam đang dần chuyển từ lưới điện truyền thống sang lưới điện thông minh với công nghệ hiện đại theo [1] nhằm mục tiêu:  Nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện;  Góp phần trong công tác quản lý nhu cầu điện, khuyến khích sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả;  Tạo điều kiện nâng cao năng suất lao động, giảm nhu cầu đầu tư vào phát triển nguồn và lưới điện;  Tăng cường khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế - xã hội bền vững. Để đạt được mục tiêu trên, cần thiết phải đầu tư xây dựng hệ thống các thiết bị phần cứng để đo lường, điều khiển, truyền thông cũng như hệ thống phần mềm nhằm tính toán, vận hành tối ưu hệ thống, tối ưu sự phối hợp từ nguồn phát, truyền tải, phân phối và khách hàng. Vì lưới điện phân phối là khâu cuối cùng, đưa điện năng tới khách hàng, là mắt xích quan trọng phản ánh rõ chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện và đánh giá được mức độ hài lòng của khách hàng tốt nhất. Do đó, công việc giám sát, điều khiển, vận hành lưới điện phân phối nhằm đảm bảo cung cấp điện ổn định, đáp ứng đủ nhu cầu điện phát triển kinh tế xã hội, đồng thời giảm số lần và thời gian mất điện, giảm tổn thất điện năng là nhu cầu cấp thiết cho các Tổng Công ty Điện lực ngày nay.2 Mục tiêu Đề tài ”Giải pháp tự phục hồi trong lưới điện phân phối” được nghiên cứu nhằm mục đích đưa ra giải pháp tối ưu lợi ích kinh tế, đảm bảo cung cấp điện trong chế độ GVHD: TS.

Nguyễn Văn Liêm HVTH: Nguyễn Phi Triều Trang 1-2 vận hành bình thường của lưới phân phối. Đồng thời trong chế độ sự cố,vẫn đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, mà vẫn duy trì cung cấp điện, hạn chế tối đa số lượng khách hàng mất điện.3 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài là lưới điện phân phối đã được xây dựng hệ thống giám sát từ xa, có khả năng truyền thông về hệ thống trung tâm. Đồng thời, hệ thống điện đã xuất hiện các nguồn phát phân tán (Ditribution Generator), và ứng dụng với số lượng tương đối lớn, được bố trí gần các khu vực trung tâm phụ tải.4 Ý nghĩa khoa học Đề tài sử dụng các hàm toán như fmincon, minlp nhằm mục đích cực tiểu giá trị sản xuất điện (trong chế độ vận hành bình thường); cực tiểu giá trị độ lệch điện áp và mức độ sa thải phụ tải mà vẫn thỏa mãn được các ràng buộc trong vận hành hệ thống điện. Từ đó, có các chiến lược, phương án cụ thể để vận hành lưới điện ổn định kinh tế, đồng thời tự khắc phục nhanh sự cố.

Nguyễn Văn Liêm HVTH: Nguyễn Phi Triều Trang 2-1 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH 2.1 Tổng quan lưới điện thông minh Lưới điện thông minh, theo [2] được định nghĩa là : là một lưới điện hoàn toàn tự động, mà mỗi thiết bị trên lưới đều có thể được giám sát thời gian thực (real-time). Nhờ vào sự phát triển của các thiết bị điện tử thông minh, truyền thông băng thông rộng, và tích hợp điều khiển tự động, mà lưới điện thông minh có thể đảm bảo việc điều khiển, quản lý trực tuyến thời gian thực, cũng như dự báo, phát hiện các sự cố. Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, là áp lực cung cấp điện cho các khách hàng ổn định, tăng độ tin cậy cung cấp điện, tăng chất lượng điện năng. Vì thế, việc xây dựng lưới điện thông minh nhằm đạt được các mục tiêu trên là xu thế phát triển tất yếu của lưới điện Việt Nam.2 Đặc điểm chính của lưới điện thông minh Theo [3], đặc điểm chính của lưới điện thông minh có thể tóm tắt qua 7 đặc điểm chính sau:  Tự phục hồi (Self-healing) : liên tục đánh giá trạng thái của lưới để giám sát tình trạng hoạt động của lưới điện và sử dụng các phương pháp điều khiển phòng ngừa để phát hiện, chẩn đoán và loại bỏ các sự cố tiềm ẩn đúng lúc.

Khi sự cố xảy ra, lưới điện sẽ nhanh chóng phát hiện, cô lập sự cố, tự động phục hồi và đưa hệ thống điện về trạng thái bình thường.  Tương tác (Interactive) : Smart Grid có thể nhận ra được kết nối liên tục giữa hệ thống và thị trường điện. Nó có thể hỗ trợ việc bán điện thương phẩm hiệu quả, tối ưu hóa công suất nguồn phát và gia tăng mức độ tin cậy lưới điện.  Tối ưu hóa (Optimized) : dễ dàng nhận thấy rằng lưới điện thông minh sử dụng rất nhiều thiết bị giám sát, điều khiển sẽ tối ưu hóa các kế hoạch quản lý tài sản, xây dựng, bảo trì.

bên cạnh đó, việc kiểm tra và vận GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm HVTH: Nguyễn Phi Triều Trang 2-2 hành các thiết bị một cách hợp lý giúp tiết kiệm chi phí vận hành, bảo dưỡng và đầu tư.  Tương thích (Compatible) : lưới điện thông minh phù hợp với nhu cầu nguồn phát tập trung hoặc phân tán. Ngoài ra, nó còn tương thích với các nguồn năng lượng mới như máy phát điện gió, điện mặt trời,.

làm cho lưới điện và phát triển môi trường hài hòa, hợp lý hơn.  Tích hợp ( Integrated) : thông qua quá trình tối ưu hóa liên tục và tích hợp thông tin, lưới điện thông minh có thể tích hợp các chương trình quản lý doanh nghiệp, quản lý sản phẩm. Giúp nâng cao hiệu quả quản lý doanh nghiệp. Hệ thống truyền thông tích hợp cho phép thu thập thông tin, kiểm soát và trao đổi dữ liệu theo thời gian thực để tối ưu hóa độ tin cậy của hệ thống, sử dụng tài sản, và an ninh  An toàn (Safety) : nó có thể chống lại được một cách hiệu quả các tác nhân vật lý trong lưới điện (đứt dây, sự cố) và các cuộc tấn công mạng hệ thống máy tính.

 Chất lượng cao (high-quality) : chất lượng điện cung cấp cho khách hàng được đảm bảo hiệu quả, nhờ có các thiết bị giám sát và điều khiển một cách linh hoạt, nên điện áp và dòng điện luôn được duy trì trong giới hạn cho phép trong vận hành.3 Các vấn đề khi phát triển lưới điện thông minh 2.1 Đầu tư nâng cấp hạ tầng đo đếm thông minh Phát triển hệ thống đo đếm thông minh AMI - Advanced Metering Infrastructure là một trong những yếu tố căn bản, và quan trọng trong việc phát triển lưới điện thông minh. AMI là một tập hợp các thiết bị đo đếm có tính chính xác, độ tin cậy cao, có khả năng truyền thông để giám sát các thiết bị điện từ xa. Tuy nhiên, do hệ thống AMI tiếp cận, giám sát tới từng hộ khách hàng, nên cấu trúc rất phức tạp, đa dạng. Đồng thời, môi trường nguy hiểm của sự phát triển hệ thống truyền thông sẽ làm cho hệ thống AMI dễ bị tấn công, và làm thay đổi dữ liệu trên hệ thống.

Vì thế, an GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm HVTH: Nguyễn Phi Triều Trang 2-3 ninh trong hệ thống đo đếm là một vấn đề cần quan tâm khi phát triển lưới điện thông minh.2 Ảnh hưởng khi tích hợp nguồn DG vào hệ thống điện Trong lưới điện truyền thống, các nguồn điện thường được đầu tư với công suất cao, quy mô lớn, chiếm nhiều diện tích nên thường được xây dựng tại các vùng xa trung tâm phụ tải. Do truyền tải đi xa, nên tổn thất điện năng trên lưới truyền tải là rất lớn, đồng thời khi lưới điện xảy ra sự cố thì khó phục hồi và thời gian sửa chữa chậm. Sự phát triển lưới điện thông minh cùng với của khoa học công nghệ hiện đại, và sự ra đời của các nguồn năng lượng sạch, bảo vệ môi trường, chi phí sản xuất thấp, công suất nhỏ, diện tích nhỏ, thời gian xây dựng nhanh, bố trí gần khu vực trung tâm phụ tải nên góp phần khắc phục các nhược điểm của lưới điện truyền thống.

Tuy nhiên các nguồn điện này thường có đầu vào không ổn định như ánh nắng (điện mặt trời), gió (phong điện), giá dầu diesel (nhiệt điện) … gây khó khăn trong việc hòa lưới. Bên cạnh đó, do chi phí sản xuất điện của các nguồn điện phân tán thường lớn hơn chi phí của các nguồn phát truyền thống (thủy điện), nên tối ưu chi phí nguồn phát là một trong những bài toán quan tâm của lưới điện thông minh.3 Tự khắc phục trong lưới điện Để lưới điện có thể hoạt động hiệu quả, tin cậy, lưới điện thông minh cần có đặc điểm tự khắc phục. Với chế độ này, khi xuất hiện sự cố, nó có thể tự tính toán khoanh vùng sự cố, đồng thời, tự khôi phục cung cấp điện cho những vùng không bị sự cố, giảm khu vực mất điện tối đa, đảm bảo hệ thống ổn định. Trong những năm gần đây, có nhiều giải thuật được phát triển nhằm giải quyết vấn đề cấu hình lại các ngăn lộ ra để tự khôi phục hệ thống.

Cấu hình hệ thống phân phối để giảm tổn thất lần đầu được đưa ra bởi Merlin and Back. Họ sử dụng phương pháp tối ưu nhánh và biên để xác định cấu hình tổn thất tối thiểu. Sau đó, là hàng loạt các giải thuật khác ra đời bao gồm : giải thuật di truyền ( genetic algorithm), GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm HVTH: Nguyễn Phi Triều Trang 2-4 đánh giá kinh nghiệm (heuristic), simulated annealing, tối ưu bầy đàn (Particle swarm) và trí thông minh nhân tạo (artificial intelligence),… 2.4 Tóm tắt Tự phục hồi là một trong những đặc điểm quan trọng hệ thống lưới điện phân phối thông minh, nó sử dụng các giải thuật thông minh nhằm ngăn ngừa sự cố, và đồng thời giải trừ các sự cố trên lưới điện khi xảy ra.

Đặc biệt, khi xuất hiện các sự cố lớn, gần đầu máy cắt phát tuyến, hệ thống có khả năng cô lập sự cố, và tự phục hồi lưới điện bằng cách tạo nhiều vùng hệ thống điện nhỏ tự cung tự cấp, để cung cấp điện tới nhiều khách hàng có thể, mà vẫn đảm bảo hệ thống được ổn định và tin cậy. Nguyễn Văn Liêm HVTH: Nguyễn Phi Triều Trang 3-1 CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU GIẢI PHÁP TỰ PHỤC HỒI LƯỚI ĐIỆN Chương 3 sẽ giới thiệu tổng quát về các chỉ số đánh giá độ tin cậy của lưới điện, đồng thời đưa ra các chỉ tiêu, cũng như kế hoạch phấn đấu giảm các chỉ số tin cậy như SAIDI,SAIFI, MAIFI của Tổng Công ty Điện lực Miền Nam.