Tổng quan nghiên cứu

Mạng phân phối điện (MPP) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện quốc gia, chịu trách nhiệm truyền tải điện năng từ các trạm biến áp trung gian đến người tiêu dùng cuối cùng. Theo thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), tổn thất điện năng hàng năm chiếm khoảng 7% tổng công suất sản xuất, trong đó tổn thất trên mạng phân phối chiếm gần 5%. Tổn thất này xuất phát từ nhiều nguyên nhân như phương thức vận hành chưa tối ưu, đặc tính phụ tải đa dạng và phân bố không đồng đều, cũng như cấu trúc phức tạp của lưới điện phân phối. Với sự phát triển của thị trường điện và sự gia tăng nguồn năng lượng tái tạo phân tán (DG), việc tái cấu hình mạng phân phối nhằm giảm tổn thất điện năng khi phụ tải thay đổi trở nên cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng giải thuật tối ưu mới cho vấn đề tái cấu hình mạng phân phối nhằm giảm tổn thất điện năng trong điều kiện phụ tải và công suất DG thay đổi theo thời gian. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định cấu hình vận hành hình tia không đổi trong khoảng thời gian khảo sát, đảm bảo tổn thất điện năng nhỏ nhất và thỏa mãn các điều kiện vận hành kỹ thuật. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình mạng phân phối 37 nút và ứng dụng thực tế tại Điện lực Bình Đại – Công ty Điện lực Bến Tre trong khoảng thời gian khảo sát 3 tháng đầu năm.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc nâng cao hiệu quả vận hành mạng phân phối, giảm chi phí tổn thất điện năng, đồng thời hỗ trợ tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện truyền thống. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy phát triển thị trường điện cạnh tranh và bền vững tại Việt Nam.

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 tái cấu hình mạng phân phối: Mạng phân phối vận hành ở trạng thái hình tia (mạch vòng hở) nhằm đảm bảo độ tin cậy và giảm dòng ngắn mạch. Tái cấu hình mạng phân phối là quá trình thay đổi trạng thái đóng/mở các công tắc để tìm cấu hình vận hành tối ưu, giảm tổn thất điện năng và cân bằng tải.

  • Mô hình tổn thất điện năng trên mạng phân phối: Tổn thất được tính toán dựa trên công suất tác dụng và phản kháng trên các nhánh, điện trở nhánh và điện áp cuối nhánh. Hàm mục tiêu là giảm thiểu tổng tổn thất điện năng trong khoảng thời gian khảo sát.

  • Phương pháp heuristic và thuật toán di truyền: Các phương pháp này được sử dụng để giải bài toán tối ưu cấu hình mạng phân phối trong điều kiện phụ tải và công suất DG thay đổi theo thời gian.

  • Khái niệm công suất trung bình: Thay vì sử dụng đồ thị phụ tải chi tiết theo thời gian, nghiên cứu áp dụng công suất trung bình của phụ tải và DG trong khoảng thời gian khảo sát để đơn giản hóa bài toán mà vẫn đảm bảo tính chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu phụ tải và công suất phát của các máy phát điện phân tán được thu thập từ mạng phân phối 37 nút của lưới điện mẫu IEEE và thực tế tại Điện lực Bình Đại – Công ty Điện lực Bến Tre trong 3 tháng đầu năm.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình toán học tính tổn thất điện năng dựa trên công suất trung bình, áp dụng thuật toán heuristic tổng quát để tìm cấu hình vận hành tối ưu. Các ràng buộc kỹ thuật như cấu trúc hình tia, giới hạn điện áp và dòng điện được đảm bảo thông qua ma trận kết nối và kiểm tra giới hạn vận hành.

  • Phần mềm hỗ trợ: Mô phỏng và kiểm tra kết quả được thực hiện trên phần mềm PSS/U, sử dụng trình TOPO để xác định cấu hình lưới điện tối ưu.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 3 năm 2019, với các bước thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của phương pháp công suất trung bình: Việc sử dụng công suất trung bình của phụ tải và DG trong khoảng thời gian khảo sát giúp giảm đáng kể thời gian tính toán mà vẫn đảm bảo xác định được cấu hình lưới điện với tổn thất điện năng tối thiểu. Trên lưới mẫu 37 nút, tổn thất công suất tác dụng giảm xuống mức khoảng 309,3 kW trong một số thời đoạn, tương ứng với tổn thất điện năng khoảng 618,6 kWh.

  2. So sánh các cấu trúc lưới điện: Ba cấu trúc lưới điện được xác định cho các khoảng thời gian khác nhau trong ngày cho thấy sự biến đổi tổn thất công suất từ 309,3 kW đến 575,5 kW, với cấu trúc tối ưu có tổn thất thấp nhất chiếm ưu thế trong phần lớn thời gian khảo sát.

  3. Ảnh hưởng của máy phát điện phân tán (DG): Khi xét đến công suất thay đổi của DG như pin mặt trời và turbin gió theo giờ trong ngày, tổn thất điện năng được giảm thêm đáng kể so với trường hợp không có DG. Việc tích hợp DG giúp cân bằng tải và giảm quá tải trên các nhánh, nâng cao hiệu quả vận hành.

  4. Khả năng áp dụng thực tế: Ứng dụng phương pháp trên lưới điện thực tế tại Điện lực Bình Đại cho thấy giải thuật có thể xác định cấu hình vận hành ổn định trong suốt khoảng thời gian khảo sát, giảm tổn thất điện năng và chi phí vận hành so với cấu hình truyền thống.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng công suất trung bình trong bài toán tái cấu hình mạng phân phối là một giải pháp hiệu quả, phù hợp với điều kiện thực tế tại các mạng phân phối chưa được trang bị đầy đủ hệ thống đo đếm và điều khiển từ xa. So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào phụ tải cố định hoặc sử dụng đồ thị phụ tải chi tiết, phương pháp này giảm thiểu đáng kể khối lượng tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao.

Việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo phân tán như pin mặt trời và turbin gió được xem xét theo đặc tính công suất thay đổi theo giờ trong ngày giúp mô hình phản ánh sát thực tế vận hành hiện nay. Điều này phù hợp với xu hướng phát triển thị trường điện cạnh tranh và tăng cường sử dụng năng lượng sạch.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tổn thất công suất theo thời gian khảo sát, bảng so sánh tổn thất giữa các cấu trúc lưới và biểu đồ công suất phát của DG theo giờ để minh họa sự ảnh hưởng của DG đến tổn thất điện năng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống đo đếm và điều khiển từ xa: Đề xuất các công ty điện lực đầu tư phát triển hệ thống SCADA và công tắc điều khiển từ xa nhằm hỗ trợ việc tái cấu hình mạng phân phối linh hoạt, giảm chi phí vận hành và tổn thất điện năng trong thời gian thực.

  2. Áp dụng giải thuật tái cấu hình dựa trên công suất trung bình: Khuyến nghị áp dụng giải thuật đã phát triển cho các mạng phân phối có phụ tải biến động và có sự tham gia của DG nhằm tối ưu hóa cấu hình vận hành, đặc biệt tại các khu vực có mạng lưới phức tạp và chi phí chuyển công tắc cao.

  3. Tích hợp nguồn năng lượng tái tạo phân tán: Khuyến khích phát triển và kết nối các nguồn DG như pin mặt trời, turbin gió vào mạng phân phối, đồng thời áp dụng các giải pháp tái cấu hình để tận dụng tối đa công suất DG, giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  4. Nâng cao năng lực đào tạo và nghiên cứu: Đề xuất các cơ sở đào tạo và nghiên cứu tiếp tục phát triển các thuật toán tối ưu hóa mới, kết hợp trí tuệ nhân tạo và học máy để giải quyết bài toán tái cấu hình mạng phân phối trong điều kiện phụ tải và DG thay đổi phức tạp hơn.

  5. Thời gian thực hiện: Các giải pháp trên nên được triển khai thí điểm trong vòng 1-2 năm tại các khu vực có mạng phân phối tương tự như Điện lực Bình Đại, sau đó mở rộng áp dụng trên toàn quốc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên viên vận hành mạng phân phối điện: Nghiên cứu cung cấp giải pháp thực tiễn giúp họ tối ưu hóa cấu hình lưới, giảm tổn thất điện năng và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Thông tin về tác động của DG và thị trường điện đến vận hành mạng phân phối hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững và hiệu quả.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, mô hình toán học và phương pháp giải thuật hiện đại, phục vụ nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp năng lượng tái tạo: Hiểu rõ về ảnh hưởng của DG đến mạng phân phối giúp họ đưa ra quyết định đầu tư hợp lý và phối hợp vận hành hiệu quả với hệ thống điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải sử dụng công suất trung bình trong tái cấu hình mạng phân phối?
    Sử dụng công suất trung bình giúp giảm khối lượng tính toán và không yêu cầu dữ liệu phụ tải chi tiết theo thời gian, phù hợp với mạng phân phối chưa có hệ thống đo đếm và điều khiển hiện đại. Ví dụ, trên lưới 37 nút, phương pháp này vẫn đạt được cấu hình tối ưu với tổn thất điện năng giảm đáng kể.

  2. Giải thuật tái cấu hình có áp dụng được cho mạng có nhiều nguồn DG không?
    Có, giải thuật được thiết kế để xem xét công suất thay đổi của các nguồn DG như pin mặt trời và turbin gió theo giờ trong ngày, giúp tối ưu hóa cấu hình mạng trong điều kiện phụ tải và DG biến động.

  3. Chi phí chuyển công tắc ảnh hưởng thế nào đến việc tái cấu hình?
    Chi phí chuyển công tắc cao có thể làm giảm hiệu quả của việc tái cấu hình liên tục. Do đó, nghiên cứu đề xuất chọn cấu hình không đổi trong khoảng thời gian khảo sát để giảm chi phí vận hành và tránh mất điện không cần thiết.

  4. Phần mềm PSS/U được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    PSS/U được dùng để mô phỏng phân bố công suất và tính toán tổn thất điện năng trên các cấu hình mạng phân phối khác nhau, giúp kiểm chứng hiệu quả của giải thuật đề xuất.

  5. Làm thế nào để đảm bảo cấu hình mạng vận hành hình tia sau tái cấu hình?
    Nghiên cứu sử dụng ma trận kết nối và kiểm tra định thức của ma trận này để đảm bảo cấu hình mạng sau tái cấu hình vẫn là hình tia, đồng thời kiểm tra các ràng buộc về điện áp và dòng điện để đảm bảo vận hành an toàn.

Kết luận

  • Đã xây dựng và kiểm chứng thành công giải thuật tái cấu hình mạng phân phối dựa trên công suất trung bình, giảm tổn thất điện năng hiệu quả trong điều kiện phụ tải và DG thay đổi.
  • Phương pháp không yêu cầu dữ liệu phụ tải chi tiết theo thời gian, phù hợp với mạng phân phối thực tế tại Việt Nam.
  • Kết quả mô phỏng trên lưới mẫu 37 nút và lưới thực tế tại Điện lực Bình Đại cho thấy giảm tổn thất công suất tác dụng xuống khoảng 309 kW và tổn thất điện năng khoảng 618 kWh trong một số thời đoạn.
  • Giải thuật hỗ trợ tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo phân tán, góp phần phát triển thị trường điện cạnh tranh và bền vững.
  • Đề xuất triển khai thí điểm và mở rộng áp dụng trong 1-2 năm tới, đồng thời phát triển thêm các thuật toán tối ưu mới cho mạng phân phối hiện đại.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các đơn vị điện lực để triển khai thử nghiệm giải thuật, đồng thời nâng cấp hệ thống đo đếm và điều khiển từ xa nhằm tối ưu hóa vận hành mạng phân phối trong bối cảnh thị trường điện và năng lượng tái tạo phát triển mạnh mẽ.