Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện nghiên cứu phương pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện trung áp khu vực thị xã duyên hải tỉnh trà vinh

Nghiên cứu phương pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện trung áp tại thị xã Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh, mang lại hiệu quả cao.

• Tác giả: Nguyễn Đình Yến Nhi
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Quốc Việt
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Giảm Tổn Thất Điện Năng Trên Lưới Điện Trung Áp Tại Trà Vinh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP
• 1.1. Cấu trúc và đặc điểm của lưới điện phân phối trung áp
• 1.1.1. Định nghĩa lưới điện phân phối trung áp
• 1.1.2. Đặc điểm của lưới điện trung áp
• 1.1.3. Phân loại lưới điện trung áp
• 1.2. Vai trò của lưới điện trung áp
• 1.3. Các phần tử chính của lưới điện trung áp
• 1.4. Cấu trúc của lưới điện trung áp
• 1.5. Hiện trạng lưới điện trung áp Việt Nam
• 1.5.1. Tình hình phát triển lưới điện trung áp của nước ta
• 1.5.2. Tình hình phát triển phụ tải điện
• 1.6. Yêu cầu kỹ thuật trong vận hành hệ thống điện phân phối
• 1.6.1. Hệ số công suất
• 1.6.2. Sự nhấp nháy điện áp
• 1.6.3. Dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ sự cố
• 1.7. Đặc tính tải của LĐPP trung áp
• 1.7.1. Phụ tải và đồ thị phụ tải
• 1.7.2. Tính ngẫu nhiên của phụ tải điện
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP
• 2.1. Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong LĐPP
• 2.1.1. Tổn thất kỹ thuật
• 2.1.2. Tổn thất phi kỹ thuật
• 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất
• 2.2.1. Điện áp làm việc của trang thiết bị
• 2.2.2. Truyền tải CSPK
• 2.3. Các biện pháp giảm thiểu tổn thất trong LĐPPTA
• 2.4. Giải pháp quản lý nhu cầu điện
• 2.4.1. Khái niệm về quản lý nhu cầu điện
• 2.4.2. Chiến lược của DSM trong hệ thống điện
• 2.5. Phương pháp bù CSPK và hiệu quả của biện pháp bù CSPK trong giảm tổn thất của LĐPPTA
• 2.5.1. Khái niệm về CSPK
• 2.5.2. Bù CSPK trong hệ thống điện
• 2.5.3. Hệ số công suất và quan hệ với bù CSPK
• 3. CHƯƠNG 3: BÙ CSPK TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP XÉT ĐẾN XÁC XUẤT CỦA TẢI
• 3.1. Thiết bị bù CSPK
• 3.1.1. Máy phát và máy bù đồng bộ
• 3.1.2. Tụ bù tĩnh
• 3.1.2.1. Tụ bù tĩnh cố định
• 3.1.2.2. Tụ bù tĩnh điều chỉnh có cấp
• 3.1.3. Thiết bị điều chỉnh vô cấp SVC (Static Var Compensater)
• 3.2. Phương pháp bù trong LĐPP
• 3.2.1. Các phương pháp tính toán trong LĐPP
• 3.2.2. Bù CSPK nâng cao hệ số cos 𝛗
• 3.2.3. Cực tiểu tổn thất công suất
• 3.2.4. Theo điều kiện chỉnh điện áp
• 3.2.5. Phương pháp bù kinh tế
• 3.2.5.1. Cực tiểu chi phí tính toán 𝑍𝑚𝑖𝑛
• 3.2.5.2. Cực đại lợi nhuận
• 3.2.6. Nhận xét
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG BÙ TỐI ƯU CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP THỊ XÃ DUYÊN HẢI – TUYẾN 476DT
• 4.1. Mô hình toán xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu của tụ điện trong LĐPPTA xét đến tải ngẫu nhiên
• 4.1.1. Hàm mục tiêu
• 4.2. Công cụ tính toán
• 4.2.1. Giới thiệu phần mềm PSS/Adept
• 4.2.1.1. Chức năng của PSS/Adept
• 4.2.1.2. Các bước thực hiện
• 4.2.2. Chương trình tính toán vị trí và dung lượng bù tối ưu bằng ngôn ngữ lập trình GAMS
• 4.2.2.1. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình GAMS
• 4.2.2.2. Thuật toán và solver BONMIN trong chương trình GAMS
• 4.3. Ví dụ minh họa
• 5. CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN TỔN THẤT CÔNG SUẤT CỦA PHÁP TUYẾN 476DT CÓ XÉT ĐẾN PHỤ TẢI THAY ĐỔI
• 5.1. Hiện trạng tuyến 476DT
• 5.1.1. Hiện trạng nguồn cung cấp điện
• 5.1.2. Hiện trạng lưới điện và các trạm biến áp
• 5.1.3. Hiện trạng bù của tuyến 476DT
• 5.1.4. Sơ đồ và thông số của lưới điện tuyến 476DT
• 5.2. Xây dựng mô hình tuyến 476DT trong PSS/Adept
• 5.3. Xây dựng chương trình GAMS trong chương trình tính toán tối ưu bù CSPK có xét đến yếu tố ngẫu nhiên
• 6. CHƯƠNG 6: ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT CHO TUYẾN 476DT XÉT ĐẾN TÍNH NGẪU NHIÊN CỦA PHỤ TẢI
• 6.1. Hiện trạng tổn thất và thông số chế độ của LĐTA thị xã Duyên Hải
• 6.1.1. Kết quả tính toán tổn thất với thông số hiện trạng
• 6.2. Áp dụng phương pháp bù tối ưu cho tuyến 476DT
• 6.2.1. Sơ đồ và thông số của tuyến 476DT
• 6.2.2. Thông số tải và tụ bù
• 6.2.3. Kết quả tính toán, lựa chọn và dung lượng bù tối ưu
• 6.2.4. Đánh giá tổn thất điện năng và độ lệch điện áp
• 6.3. Áp dụng phương pháp điều chỉnh nấc MBA đầu nguồn
• 6.3.1. Khái niệm chung về điều chỉnh điện áp
• 6.3.2. Mô phỏng trên chương trình PSS/Adept thay đổi nấc MBA đầu nguồn
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về lưới điện phân phối trung áp

Lưới điện phân phối trung áp (LĐPPTA) là phần quan trọng trong hệ thống điện, có chức năng phân phối điện năng từ các trạm trung gian đến người tiêu dùng. Đặc điểm của LĐPPTA bao gồm sự phân bố rộng rãi, thường vận hành không đối xứng và có tổn thất điện năng lớn. Theo nghiên cứu, tổn thất điện năng thấp nhất trên LĐPPTA vào khoảng 4%. Điều này liên quan chặt chẽ đến các vấn đề kỹ thuật từ thiết kế đến vận hành. Mặc dù trong những năm gần đây, LĐPPTA đã phát triển mạnh mẽ và tỷ lệ tổn thất điện năng đã giảm, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Các cấp điện áp chủ yếu của LĐPPTA là 6kV, 10kV, 22kV và 35kV, phục vụ cho các trạm biến áp và phụ tải cấp điện áp trung áp.

1.1 Đặc điểm của lưới điện trung áp

LĐPPTA được phân loại theo nhiều tiêu chí, bao gồm đối tượng phục vụ, thiết bị dẫn điện và cấu trúc hình dáng. Đặc biệt, lưới điện trung áp có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng điện năng cho phụ tải. Điều này bao gồm việc giữ ổn định tần số và điện áp trong giới hạn cho phép. Hệ thống này không chỉ đảm bảo cung cấp điện an toàn mà còn góp phần vào sự phát triển kinh tế xã hội của địa phương.

II. Phương pháp giảm tổn thất điện năng

Trong lưới điện phân phối trung áp, tổn thất điện năng có thể được phân thành hai loại chính: tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật. Các nguyên nhân gây ra tổn thất bao gồm điện áp làm việc của trang thiết bị và truyền tải công suất phản kháng. Để giảm thiểu tổn thất, nhiều biện pháp đã được đề xuất, trong đó có giải pháp quản lý nhu cầu điện (DSM) và bù công suất phản kháng (CSPK). Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ giúp giảm tổn thất mà còn nâng cao hiệu quả vận hành của lưới điện.

2.1 Nguyên nhân gây ra tổn thất trong LĐPPTA

Tổn thất trong LĐPPTA chủ yếu do các yếu tố như dòng điện, điện áp và thiết bị không đạt tiêu chuẩn. Tổn thất kỹ thuật thường xảy ra do điện trở của dây dẫn và các thiết bị điện, trong khi tổn thất phi kỹ thuật liên quan đến các vấn đề như trộm cắp điện hoặc sai sót trong đo đạc. Việc phân tích các nguyên nhân này là rất cần thiết để đưa ra giải pháp hợp lý nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng.

III. Ứng dụng bù công suất phản kháng

Bù công suất phản kháng (CSPK) là một trong những giải pháp quan trọng nhằm giảm tổn thất điện năng trong lưới điện trung áp. Việc áp dụng CSPK giúp cải thiện hệ số công suất, từ đó nâng cao hiệu suất sử dụng điện năng. Các thiết bị bù như tụ bù tĩnh và máy phát đồng bộ được sử dụng phổ biến để thực hiện chức năng này. Đặc biệt, việc tối ưu hóa vị trí và dung lượng bù sẽ giúp đạt được hiệu quả cao nhất trong việc giảm tổn thất.

3.1 Thiết bị bù công suất phản kháng

Các thiết bị bù công suất phản kháng như tụ bù tĩnh và máy phát đồng bộ đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng điện năng. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp và xác định dung lượng bù tối ưu là rất cần thiết để đảm bảo hiệu quả trong việc giảm tổn thất điện năng. Các phương pháp tính toán hiện đại cho phép mô hình hóa và tối ưu hóa việc bù công suất, từ đó nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống điện.

IV. Kết luận và kiến nghị

Đề tài nghiên cứu phương pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện trung áp tại Trà Vinh đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp bù công suất phản kháng và quản lý nhu cầu điện là rất cần thiết. Những giải pháp này không chỉ giúp giảm thiểu tổn thất mà còn nâng cao hiệu quả vận hành của lưới điện. Để đạt được kết quả tốt hơn, cần có sự đầu tư và nghiên cứu sâu hơn về công nghệ và thiết bị bù trong tương lai.

4.1 Kiến nghị

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới nhằm cải thiện hiệu quả của lưới điện phân phối trung áp. Đồng thời, việc đào tạo nhân lực và nâng cao nhận thức về quản lý điện năng cũng là yếu tố quan trọng để đảm bảo sự phát triển bền vững của hệ thống điện. Các cơ quan quản lý cần xem xét và triển khai các chính sách hỗ trợ cho việc áp dụng công nghệ mới trong lĩnh vực này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối trung áp đóng vai trò là mắt xích cuối cùng đưa điện năng trực tiếp đến các hộ tiêu thụ, nhưng cũng là nơi chiếm tỷ trọng tổn thất điện năng rất lớn trong toàn hệ thống điện quốc gia, thường dao động từ 40% đến 50% tổng tổn thất, trong đó mức tổn thất kỹ thuật tối thiểu trên lưới trung áp luôn ở mức khoảng 4%. Trong bối cảnh nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng trưởng bình quân khoảng 12.7%/năm theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia, áp lực vận hành an toàn, tin cậy và kinh tế lên lưới phân phối ngày càng gia tăng.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của đề tài xuất phát từ thực trạng lưới điện phân phối trung áp tại khu vực thị xã Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh. Đây là địa bàn ven biển đặc thù với bán kính cấp điện trải dài, môi trường nhiễm mặn gây suy hao cách điện, phụ tải biến động phức tạp giữa mùa mưa và mùa khô do hoạt động nuôi trồng thủy sản. Phương pháp tính toán bù công suất phản kháng truyền thống dựa trên công suất cực đại và hệ số công suất tĩnh bộc lộ nhiều sai số lớn, dẫn đến tình trạng quá bù vào giờ thấp điểm hoặc thiếu bù vào giờ cao điểm, gây mất ổn định điện áp nút.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu lựa chọn thiết bị, xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu trên lưới điện phân phối trung áp có xét đến yếu tố biến thiên ngẫu nhiên của phụ tải; đồng thời kết hợp giải pháp điều chỉnh nấc phân áp máy biến áp đầu nguồn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào xuất tuyến trung áp 22kV 476DT thuộc Trạm biến áp 110kV Duyên Hải, dữ liệu thu thập chi tiết trong giai đoạn từ tháng 09/2022 đến tháng 12/2022.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc lượng hóa hiệu quả giảm tổn thất công suất tác dụng từ 20% đến 28.5%, duy trì độ lệch điện áp toàn tuyến trong ngưỡng tiêu chuẩn quy định từ -5% đến +5% (tương ứng dải điện áp 20.9 kV đến 23.1 kV đối với cấp điện áp danh định 22kV), nâng cao hệ số công suất lên trên 0.95 và mang lại giá trị kinh tế trực tiếp cho đơn vị quản lý vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của hai lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật hệ thống điện và toán học ứng dụng:

Thứ nhất, lý thuyết truyền tải công suất phản kháng và cân bằng điện áp trong lưới điện phân phối. Mối quan hệ giữa dòng truyền tải, tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng được xác định qua nguyên lý Joule-Lenz. Khi công suất phản kháng truyền tải trên đường dây giảm nhờ thiết bị bù tại chỗ, tổn thất công suất tác dụng tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện sẽ giảm rõ rệt theo công thức liên hệ trực tiếp giữa điện trở, điện áp vận hành và lượng công suất truyền tải.

Thứ hai, lý thuyết xác suất thống kê mô hình hóa phụ tải điện ngẫu nhiên. Thay vì xem phụ tải là một đại lượng hằng số cố định, nghiên cứu áp dụng hàm mật độ xác suất phân phối chuẩn (Gaussian distribution) với giá trị kỳ vọng và độ lệch chuẩn để mô tả sự phân bố phụ tải theo từng thời điểm trong ngày và theo mùa.

Các khái niệm chính được vận dụng xuyên suốt gồm:

• Công suất phản kháng (CSPK) và hệ số công suất: Đại lượng phản ánh nhu cầu từ hóa của thiết bị, theo Quy định hệ thống điện phân phối yêu cầu các hộ tiêu thụ phải duy trì hệ số công suất từ 0.85 trở lên.
• Bù kinh tế và bù kỹ thuật: Bù kỹ thuật nhằm đảm bảo điện áp nút không vượt quá giới hạn an toàn, trong khi bù kinh tế hướng đến cực tiểu hóa tổng chi phí đầu tư thiết bị bù và chi phí tổn thất điện năng hàng năm.
• Phân loại tổn thất: Bao gồm tổn thất kỹ thuật (tổn thất do nhiệt trên dây dẫn, tổn thất lõi từ máy biến áp) và tổn thất phi kỹ thuật (sai số thiết bị đo đếm, tổn thất quản lý thương mại).

[Nguồn điện 110kV / TBA Duyên Hải]
[Tuyến trung áp 22kV - Tuyến 476DT]
[Kết quả: Vị trí & Dung lượng bù tối ưu + Điều chỉnh nấc MBA]

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được trích xuất trực tiếp từ hệ thống thu thập số liệu đo đếm từ xa MDAS, hệ thống SCADA và hồ sơ quản lý kỹ thuật của Công ty Điện lực Trà Vinh trong năm 2022.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 100% các nút phụ tải và trạm biến áp phân phối thuộc xuất tuyến 476DT, với chuỗi dữ liệu đo đếm liên tục 24 giờ của các ngày điển hình trong mùa khô (chế độ tải cực đại) và mùa mưa (chế độ tải cực tiểu). Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chọn mẫu toàn phần theo mục tiêu kỹ thuật, đảm bảo phản ánh đầy đủ đặc tính vận hành khắc nghiệt nhất của lưới điện khu vực ven biển.

Phương pháp phân tích được thực hiện qua hai bước tích hợp:

• Sử dụng phần mềm chuyên ngành PSS/Adept để mô phỏng sơ đồ lưới điện, thông số đường dây, máy biến áp và tính toán trào lưu công suất ở trạng thái hiện hữu.
• Lập trình mô hình toán tối ưu hóa phi tuyến số nguyên hỗn hợp (MINLP) trên ngôn ngữ GAMS, sử dụng thuật toán giải BONMIN để xác định đồng thời vị trí nút đặt tụ và dung lượng bù tối ưu dưới dạng các biến số nguyên (tương ứng với cấp dung lượng thực tế của tụ điện thương mại).

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích này là vì thuật toán MINLP giải bằng BONMIN cho phép xử lý đồng thời các ràng buộc phi tuyến của phương trình dòng công suất và các ràng buộc rời rạc của dung lượng tụ bù, khắc phục triệt để nhược điểm nghiệm cục bộ của các phương pháp quy hoạch tuyến tính truyền thống. Timeline nghiên cứu được thực hiện từ tháng 09/2022 đến tháng 12/2022 và hoàn thiện bảo vệ vào tháng 02/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán và mô phỏng trên tuyến 476DT thị xã Duyên Hải đã mang lại 4 phát hiện quan trọng có giá trị khoa học và thực tiễn cao:

Thứ nhất, mức tổn thất công suất tác dụng ở chế độ vận hành ban đầu rất lớn vào giờ cao điểm mùa khô, đạt mức tổn thất công suất khoảng 250 kW đến 310 kW trên toàn tuyến. Điện áp tại các nút phụ tải cuối đường dây bị sụt giảm sâu, giá trị điện áp thấp nhất ghi nhận chỉ đạt 0.93 pu (tương đương khoảng 20.46 kV), vi phạm giới hạn cho phép theo Quy định kỹ thuật điện lực.

Thứ hai, việc áp dụng mô hình phụ tải ngẫu nhiên theo phân phối xác suất chuẩn giúp giảm sai số tính toán dung lượng bù hơn 15% so với phương pháp tính theo công suất cực đại cố định. Điều này ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng quá điện áp (lên tới 1.06 pu) vào các giờ thấp điểm ban đêm trong mùa mưa.

Thứ ba, kết quả tối ưu hóa từ chương trình GAMS đã xác định được cấu hình bù tối ưu gồm các bộ tụ bù tĩnh cố định kết hợp tụ bù điều chỉnh có cấp đặt tại các nút có mật độ phụ tải tập trung cao. Sau khi lắp đặt tụ bù tối ưu, tổn thất công suất tác dụng trên tuyến giảm mạnh từ 20.5% đến 28.5%, hệ số công suất trung bình toàn tuyến được nâng từ mức 0.82 lên mức trên 0.95.

Thứ tư, khi kết hợp giải pháp bù công suất phản kháng tối ưu với việc điều chỉnh tăng 1 nấc điện áp tại máy biến áp 110kV đầu nguồn trong chế độ cực đại, điện áp tại tất cả các nút phụ tải đều được cải thiện vượt bậc, đạt dải giá trị an toàn từ 0.98 pu đến 1.02 pu.

Chỉ tiêu kỹ thuật	Hiện trạng trước khi tối ưu	Sau khi bù tối ưu	Kết hợp điều chỉnh nấc MBA
Tổn thất công suất tác dụng ($\Delta P$)	100% (Mức cơ sở)	Giảm 20.5% - 28.5%	Giảm 25.0% - 31.2%
Điện áp nút thấp nhất ($U_{min}$)	0.93 pu (20.46 kV)	0.96 pu (21.12 kV)	0.98 pu (21.56 kV)
Điện áp nút cao nhất ($U_{max}$)	1.03 pu (22.66 kV)	1.02 pu (22.44 kV)	1.02 pu (22.44 kV)
Hệ số công suất trung bình ($\cos\varphi$)	0.82	0.95	0.96

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng tổn thất cao và sụt áp trước khi tối ưu là do tuyến 476DT trải dài trên địa bàn nông thôn ven biển với phụ tải nuôi tôm công nghiệp sử dụng nhiều động cơ không đồng bộ tiêu thụ lượng công suất phản kháng lớn (chiếm từ 70% đến 80% tổng nhu cầu công suất phản kháng toàn hệ thống). Khi các trạm biến áp phân phối nhận công suất phản kháng từ trạm nguồn 110kV ở khoảng cách xa, dòng điện chạy trên đường dây tăng cao làm tổn hao công suất trên điện trở đường dây tăng theo hàm bậc hai.

Dữ liệu mô phỏng được thể hiện chi tiết qua đồ thị trào lưu công suất 24 giờ và bảng thống kê điện áp đa nút xuất từ phần mềm PSS/Adept. Các biểu đồ phân bố điện áp dọc tuyến cho thấy rõ ràng đường cong điện áp sau khi tối ưu đã được nâng phẳng, triệt tiêu hoàn toàn vùng lõm sụt áp tại các nhánh rẽ cuối nguồn.

Khi so sánh với các nghiên cứu tương tự trong ngành điện tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, giải pháp sử dụng công cụ GAMS kết hợp PSS/Adept có xét đến tính ngẫu nhiên của phụ tải cho thấy tính ưu việt vượt trội về độ tin cậy. Phương pháp không chỉ giúp giảm chi phí mua điện năng tổn thất hàng năm cho Công ty Điện lực Trà Vinh mà còn kéo dài tuổi thọ vận hành cho máy biến áp và dây dẫn nhờ giảm tải dòng làm việc hiệu dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể:

Thứ nhất, lắp đặt ngay hệ thống tụ bù tĩnh với tổng dung lượng đã được tính toán tối ưu trên tuyến 476DT. Cụ thể, phối hợp giữa các cụm tụ bù cố định đặt tại trục chính đường dây trung thế để đáp ứng phụ tải nền và các bộ tụ bù điều chỉnh tự động theo thời gian thực đặt tại các trạm biến áp phân phối có phụ tải biến động lớn. Mục tiêu đạt hệ số công suất toàn tuyến trên 0.96, lộ trình thực hiện trong vòng 6 tháng do Điện lực Duyên Hải chủ trì.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình điều chỉnh nấc phân áp máy biến áp 110kV tại Trạm biến áp Duyên Hải theo mùa vận hành. Thực hiện tăng nấc phân áp thêm +2.5% vào mùa khô (mùa cao điểm nuôi trồng thủy sản) và đưa về nấc định mức vào mùa mưa nhằm duy trì điện áp các nút trong dải tối ưu từ 0.97 pu đến 1.03 pu. Quy trình này do Phòng Điều độ Công ty Điện lực Trà Vinh ban hành và giám sát định kỳ hàng quý.

Thứ ba, đẩy mạnh triển khai chương trình Quản lý nhu cầu điện (DSM) đối với các khách hàng sử dụng điện lớn có công suất từ 80 kW hoặc máy biến áp từ 100 kVA trở lên. Khuyến khích các hộ nuôi tôm dịch chuyển thời gian vận hành các thiết bị sục khí công suất lớn sang khung giờ thấp điểm đêm (từ 22h00 đến 04h00 sáng hôm sau), giúp san bằng đồ thị phụ tải, giảm chênh lệch công suất cực đại và cực tiểu khoảng 10% đến 12%, thực hiện thường xuyên liên tục.

Thứ tư, tăng cường công tác kiểm tra, vệ sinh cách điện hotline định kỳ 2 tháng một lần trên các tuyến đường dây trung áp ven biển nhằm giảm thiểu dòng điện rò bề mặt do nhiễm mặn, triệt tiêu tổn thất phi kỹ thuật và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, do Đội Quản lý vận hành lưới điện phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang tính ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

• Kỹ sư điều độ và quy hoạch lưới điện tại các Công ty Điện lực: Sử dụng trực tiếp thuật toán và mô hình tính toán GAMS để tối ưu hóa phân bổ dung lượng tụ bù cho các xuất tuyến trung áp kéo dài có tổn thất cao tại các địa phương có địa hình tương đồng.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện: Sử dụng luận văn làm tài liệu học thuật tham khảo chuyên sâu về phương pháp giải bài toán tối ưu hóa phi tuyến số nguyên hỗn hợp (MINLP) kết hợp phần mềm mô phỏng hệ thống điện PSS/Adept và mô hình xác suất phụ tải.
• Cán bộ quản lý kỹ thuật tại các Ban Quản lý dự án điện lực: Tham khảo các tiêu chuẩn kỹ thuật, phân tích chi phí - lợi ích kinh tế của thiết bị bù để lập dự toán và luận chứng kinh tế - kỹ thuật cho các dự án đầu tư nâng cấp, cải tạo lưới điện phân phối.
• Doanh nghiệp sản xuất, hợp tác xã và các trang trại nuôi trồng thủy sản quy mô lớn: Ứng dụng nguyên lý bù công suất phản kháng tại chỗ để tự thiết kế hệ thống tụ bù hạ áp cho cơ sở sản xuất, nâng cao hệ số công suất trên 0.85 nhằm tránh bị tính tiền mua công suất phản kháng theo quy định của Bộ Công Thương.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần xét đến tính ngẫu nhiên của phụ tải khi tính toán bù công suất phản kháng?
Trong thực tế, phụ tải điện liên tục biến động theo thời tiết và nhu cầu sản xuất, không phải là một hằng số. Nếu chỉ tính toán bù theo công suất cực đại, vào các giờ thấp điểm hệ thống sẽ bị thừa công suất phản kháng, dẫn đến hiện tượng quá điện áp và làm tăng ngược lại tổn thất điện năng khoảng 10% đến 15%. Mô hình xác suất giúp dung lượng bù đáp ứng chính xác mọi trạng thái vận hành.

Phần mềm GAMS và thuật toán BONMIN đóng vai trò gì trong đề tài?
GAMS là ngôn ngữ lập trình mô hình hóa toán học bậc cao, cho phép thiết lập hàm mục tiêu cực tiểu hóa chi phí tổn thất điện năng đi kèm các ràng buộc điện áp phi tuyến. Thuật toán BONMIN chuyên giải bài toán tối ưu phi tuyến số nguyên hỗn hợp (MINLP), giúp tìm ra chính xác vị trí nút và dung lượng tụ bù chuẩn hóa theo các cấp thương mại có sẵn trên thị trường.

Sự khác nhau cơ bản giữa bài toán bù kinh tế và bù kỹ thuật là gì?
Bù kỹ thuật là giải pháp bắt buộc nhằm đưa điện áp các nút về dải cho phép từ -5% đến +5% so với điện áp danh định khi hệ thống bị sụt áp nghiêm trọng. Trong khi đó, bù kinh tế là bài toán tối ưu hóa tài chính, chỉ thực hiện khi giá trị điện năng tiết kiệm được do giảm tổn thất lớn hơn tổng chi phí đầu tư và chi phí vận hành bảo dưỡng trạm bù.

Đặc thù lưới điện thị xã Duyên Hải ảnh hưởng thế nào đến tổn thất điện năng?
Thị xã Duyên Hải có bán kính cấp điện dài, phụ tải chủ yếu là nuôi tôm với hàng ngàn động cơ điện vận hành theo mùa vụ, tạo ra chênh lệch công suất cực đại và cực tiểu rất lớn. Ngoài ra, khí hậu ven biển nhiễm mặn làm tăng dòng rò cách điện. Những yếu tố này cộng hưởng khiến tổn thất công suất tác dụng trên tuyến 476DT trước khi tối ưu lên tới trên 250 kW.

Điều chỉnh nấc phân áp máy biến áp có thể thay thế hoàn toàn việc lắp đặt tụ bù không?
Không thể thay thế hoàn toàn. Điều chỉnh nấc phân áp máy biến áp chỉ giúp nâng cao mức điện áp vận hành đầu nguồn nhưng không làm giảm dòng điện phản kháng chạy dọc trên đường dây. Do đó, muốn triệt tiêu tổn thất công suất tác dụng và nâng cao hệ số công suất, bắt buộc phải kết hợp đồng thời giải pháp bù công suất phản kháng tại chỗ và điều chỉnh nấc phân áp.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học tối ưu hóa vị trí và dung lượng bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối trung áp có xét đến tính ngẫu nhiên của phụ tải.
• Làm chủ công cụ lập trình GAMS với thuật toán BONMIN kết hợp phần mềm mô phỏng PSS/Adept, giải quyết triệt để bài toán trào lưu công suất tối ưu phi tuyến số nguyên hỗn hợp.
• Áp dụng thành công trên xuất tuyến thực tế 476DT thị xã Duyên Hải, giúp giảm tổn thất công suất tác dụng từ 20.5% đến 28.5% và nâng hệ số công suất toàn tuyến lên trên 0.95.
• Cải thiện toàn diện chất lượng điện áp, đảm bảo độ lệch điện áp tại tất cả các nút phụ tải luôn nằm trong giới hạn an toàn quy định từ -5% đến +5%.
• Đề xuất quy trình kết hợp khoa học giữa lắp đặt tụ bù tĩnh và điều chỉnh nấc phân áp máy biến áp 110kV theo mùa vận hành, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật rõ rệt.

Đóng góp chính của luận văn là cung cấp một khung phương pháp luận và bộ công cụ tính toán tự động có độ tin cậy cao, hỗ trợ trực tiếp các công ty điện lực trong công tác quy hoạch và vận hành giảm tổn thất lưới phân phối.

Lộ trình tiếp theo dự kiến triển khai mở rộng thuật toán cho toàn bộ các xuất tuyến trung áp trên địa bàn tỉnh Trà Vinh trong giai đoạn 2024 - 2026. Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện phân phối nên sớm áp dụng phương pháp mô hình hóa phụ tải ngẫu nhiên này vào thực tế để tối ưu hóa chi phí đầu tư và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP 1. Cấu trúc và đặc điểm của lưới điện phân phối trung áp 1. Định nghĩa lưới điện phân phối trung áp LĐPPTA là một phần của hệ thống điện, làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải. LĐPPTA là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng [1][2].

Tính đến nay lưới điện trung áp đã trải khắp các xã trên đất nước, tuy nhiên còn một số thôn, bản vẫn chưa được dùng điện lưới quốc gia mà họ vẫn phải dùng điện từ các thuỷ điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel. Đặc điểm của lưới điện trung áp LĐPPTA được phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn thất lớn. Qua nghiên cứu cho thấy tổn thất thấp nhất trên LĐPPTA vào khoảng 4% [2][3]. Vấn đề tổn thất trên LĐPPTA liên quan chặt chẽ đến các vấn đề kỹ thuật của lưới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành.

Do đó, trên cơ sở các số liệu về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của LĐPPTA. Trong những năm gần đây, LĐPPTA của nước ta phát triển mạnh, các Công ty Điện lực cũng được phân cấp mạnh mẽ về quản lý. Vì vậy, chất lượng vận hành của LĐPPTA được nâng cao rõ rệt, tỷ lệ tổn thất điện năng giảm mạnh song vẫn còn rất khiêm tốn. Phân loại lưới điện trung áp Lưới điện trung áp chủ yếu ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35kV phân phối điện cho các trạm biến áp trung áp/hạ áp và các phụ tải cấp điện áp trung áp [1][2].

Phân loại LĐPPTA trung áp theo 3 dạng: - Theo đối tượng và địa bàn phục vụ, có 3 loại: Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi Trang 1 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Huỳnh Quốc Việt + Lưới phân phối thành phố; + Lưới phân phối nông thôn; + Lưới phân phối xí nghiệp. - Theo thiết bị dẫn điện: + Lưới phân phối trên không; + Lưới phân phối cáp ngầm. - Theo cấu trúc hình dáng: + Lưới hở (hình tia) có phân đoạn và không phân đoạn. + Lưới kín vận hành hở; + Sơ đồ hình lưới 1.

Vai trò của lưới điện trung áp LĐPPTA làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải điện. LĐPPTA được xây dựng, lắp đặt phải đảm bảo nhận điện năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ điện. Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ sao cho ít gây ra mất điện nhất, đảm bảo cho nhu cầu phát triển của phụ tải. Đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp trong giới hạn cho phép.

LĐPPTA trung áp có tầm quan trọng đặc biệt đối với hệ thống điện: - Trực tiếp đảm bảo chất lượng điện áp cho phụ tải. - Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải. Có đến 98% điện năng bị mất là do sự cố và ngừng điện kế hoạch lưới phân phối. Mỗi sự cố trên LĐPPTA trung áp đều có ảnh hưởng rất lớn đến sinh hoạt của nhân dân và các hoạt động kinh tế, xã hội.

Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi Trang 2 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Huỳnh Quốc Việt - Sử dụng tỷ lệ vốn rất lớn: khoảng 50% vốn cho hệ thống điện (35% cho nguồn điện, 15% cho lưới hệ thống và lưới truyền tải). - Tỷ lệ tổn thất điện năng rất lớn: khoảng 40-50% tổn thất điện năng xảy ra trên LĐPPTA. Và tổn thất kinh doanh cũng chỉ xảy ra này. - LĐPPTA gần với người dùng điện, do đó vấn đề an toàn điện cũng là rất quan trọng.

Các phần tử chính của lưới điện trung áp Các phần tử chủ yếu trong LĐPPTA bao gồm [2][3]: - MBA trung gian và MBA phân phối. - Thiết bị dẫn điện: Đường dây tải điện. - Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét van, aptomat, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch. - Thiết bị điều chỉnh điện áp: Thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị lọc sóng hài bậc cao.

- Thiết bị đo lường: Công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản kháng, đồng hồ đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lường. - Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù. - Thiết bị nâng cao độ tin cậy: Thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đường dây, kháng điện hạn chế ngắn mạch,. - Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo xa, thiết bị truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị thực hiện,.

Mỗi phần tử trên lưới điện đều có các thông số đặc trưng (công suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt .) được chọn trên cơ sở tính toán kỹ thuật. Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi Trang 3 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Huỳnh Quốc Việt Những phần tử có dòng công suất đi qua (MBA, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, máy biến dòng, tụ bù .) thì thông số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến thông số chế độ (điện áp, dòng điện, công suất) nên được dùng để tính toán chế độ làm việc của LĐPPTA. Nói chung, các phần tử chỉ có 2 trạng thái: Làm việc và không làm việc. Một số ít phần tử có nhiều trạng thái như: Hệ thống điều áp, tụ bù có điều khiển, mỗi trạng thái ứng với một khả năng làm việc.

Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dưới tải) như: Máy cắt, aptomat, các thiết bị điều chỉnh dưới tải. Một số khác có thể thay đổi khi cắt điện như: Dao cách ly, đầu phân áp cố định. MBA và đường dây nhờ các máy cắt có thể thay đổi trạng thái dưới tải. Nhờ các thiết bị phân đoạn, đường dây tải điện được chia thành nhiều phần tử của hệ thống điện.

Không phải lúc nào các phần tử của lưới phân phối cũng tham gia vận hành, một số phần tử có thể nghỉ vì lý do sự cố hoặc lý do kỹ thuật, kinh tế khác. Ví dụ tụ bù có thể bị cắt lúc phụ tải thấp để giữ điện áp, một số phần tử của lưới không làm việc để LĐPPTA vận hành hở theo điều kiện tổn thất công suất nhỏ nhất. Cấu trúc của lưới điện trung áp Cấu trúc của LĐPPTA bao gồm cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành [2][3]. - Cấu trúc tổng thể: Là cấu trúc bao gồm tất cả các phần tử và sơ đồ lưới đầy đủ.

Muốn lưới điện có độ tin cậy cung cấp điện cao thì cấu trúc tổng thể phải là cấu trúc thừa. Thừa về số phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về khả năng lập sơ đồ. Ngoài ra trong vận hành còn phải dự trữ các thiết bị thay thế và vật liệu để sửa chữa. Trong một chế độ vận hành nhất định chỉ cần một phần của cấu trúc tổng thể là đủ đáp ứng nhu cầu, đa phần đó là cấu trúc vận hành.

- Cấu trúc vận hành: Là một phần của cấu trúc tổng thể, có thể là một hay một vài phần tử của cấu trúc tổng thể và gọi đó là một trạng thái của lưới điện. Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi Trang 4 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Huỳnh Quốc Việt Cấu trúc vận hành bình thường gồm các phần tử và các sơ đồ vận hành do người vận hành lựa chọn. Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều kiện kỹ thuật, người ta phải chọn cấu trúc vận hành tối ưu theo điều kiện kinh tế nhất (tổn thất nhỏ nhất). Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận hành bị hỏng thì cấu trúc vận hành bị rối loạn, người ta phải nhanh chóng chuyển qua cấu trúc vận hành sự cố bằng cách thay đổi các trạng thái phần tử cần thiết.

Cấu trúc vận hành sự cố có chất lượng vận hành thấp hơn so với cấu trúc vận hành bình thường. Trong chế độ vận hành sau sự cố có thể xảy ra mất điện phụ tải. Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng thao tác thuận lợi. Ngoài ra, cấu trúc LĐPPTA còn có thể có các dạng như: - Cấu trúc tĩnh: Với cấu trúc này LĐPPTA không thể thay đổi sơ đồ vận hành.

Khi cần bảo dưỡng hay sự cố thì toàn bộ hoặc một phần LĐPPTA phải ngừng cung cấp điện. Cấu trúc dạng này chính là LĐPPTA hình tia không phân đoạn và hình tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt. - Cấu trúc động không hoàn toàn: Trong cấu trúc này, LĐPPTA có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức là khi đó LĐPPTA được cắt điện để thao tác. Đó là lưới điện trung áp có cấu trúc kín vận hành hở.

- Cấu trúc động hoàn toàn: Đối với cấu trúc dạng này, LĐPPTA có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngay cả khi lưới đang trong trạng thái làm việc. Cấu trúc động được áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung cấp điện. Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh tế LĐPPTA, trong đó cấu trúc động không hoàn toàn và cấu trúc động hoàn toàn mức thấp cho phép vận hành kinh tế lưới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải thay đổi đáng kể. Cấu trúc động ở mức cao cho phép vận hành lưới điện trong thời gian thực.

LĐPPTA trong cấu trúc này phải được thiết kế sao cho có thể vận hành kín trong thời gian ngắn để thao tác sơ đồ. Một số dạng sơ đồ cấu trúc LĐPPTA: - Lưới hình tia: Lưới này có ưu điểm là rẻ tiền nhưng độ tin cậy rất thấp như Hình 1. Học viên thực hiện Nguyễn Đình Yến Nhi Trang 5 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Huỳnh Quốc Việt - Lưới hình tia phân đoạn: Độ tin cậy cao hơn. Phân đoạn lưới phía nguồn có độ tin cậy cao do sự cố hay dừng điện công tác các đoạn lưới phía sau, vì nó ảnh hưởng ít đến các phân đoạn trước (Hình 1.1: Sơ đồ lưới phân phối hình tia Hình 1.