Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của hệ thống điện phân phối tại Việt Nam, việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trở thành một yêu cầu cấp thiết nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ và sự ổn định trong cung cấp điện. Theo báo cáo của ngành điện, chỉ số tần suất mất điện thoáng qua trung bình (MAIFI) của Công ty Điện lực An Giang (PCAG) năm 2020 là 0,66 lần, thời gian mất điện trung bình (SAIDI) là 275,17 phút, và tần suất mất điện trung bình (SAIFI) là 2,32 lần. Mục tiêu đến năm 2025, PCAG đặt ra các chỉ tiêu MAIFI ≤ 2,55 lần, SAIDI ≤ 243 phút và SAIFI ≤ 2,25 lần, với kế hoạch giảm trung bình hàng năm SAIFI 3,86% và SAIDI 4,41%. Tuy nhiên, việc bố trí các thiết bị phân đoạn trên lưới điện phân phối hiện nay chưa tối ưu, do sự thay đổi về quy mô đường dây, trạm biến áp và phụ tải, dẫn đến ảnh hưởng tiêu cực đến các chỉ số độ tin cậy.

Luận văn tập trung nghiên cứu bài toán xác định vị trí và số lượng tối ưu của các thiết bị phân đoạn trên lưới điện 22kV thực tế tại Công ty Điện lực An Giang nhằm nâng cao các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện như SAIFI, SAIDI và MAIFI. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong một phát tuyến 22kV với 68 nút, sử dụng dữ liệu thực tế trong một năm và áp dụng thuật toán tối ưu NSGA-II trên phần mềm MATLAB để giải quyết bài toán. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp cải thiện độ tin cậy cung cấp điện mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc lập kế hoạch vận hành và phát triển lưới điện phân phối, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh và chất lượng dịch vụ khách hàng.

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:

  • Chỉ số độ tin cậy cung cấp điện: Bao gồm các chỉ số SAIFI (tần suất mất điện trung bình), SAIDI (thời gian mất điện trung bình) và MAIFI (tần suất mất điện thoáng qua trung bình). Các chỉ số này được tính toán dựa trên dữ liệu sự cố mất điện và phản ánh mức độ tin cậy của lưới điện phân phối theo quy định tại Thông tư số 39/2015-BCT của Bộ Công Thương.

  • Mô hình lưới điện phân phối 22kV: Mô hình toán học của lưới điện với 68 nút tại Công ty Điện lực An Giang, bao gồm các phần tử đường dây, trạm biến áp và thiết bị phân đoạn như Recloser, dao cách ly, dao cắt có tải, cầu chì tự rơi.

  • Thuật toán tối ưu NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II): Thuật toán di truyền đa mục tiêu được sử dụng để tìm kiếm cấu trúc tối ưu của các thiết bị phân đoạn nhằm cải thiện các chỉ số độ tin cậy trong khi vẫn đảm bảo các ràng buộc vận hành của lưới điện.

  • Các khái niệm chính: Độ tin cậy cung cấp điện, thiết bị phân đoạn, hàm mục tiêu đa mục tiêu (SAIFI, SAIDI, MAIFI), ràng buộc vận hành lưới điện, thuật toán di truyền đa mục tiêu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực tế thu thập từ lưới điện 22kV tại Công ty Điện lực An Giang, bao gồm thông tin về 68 nút, các sự cố mất điện trong vòng một năm, các thiết bị phân đoạn hiện hữu và đặc tính vận hành của lưới.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học mô phỏng lưới điện phân phối, xác định các hàm mục tiêu tính toán độ tin cậy (SAIFI, SAIDI, MAIFI) và các ràng buộc vận hành. Áp dụng thuật toán NSGA-II để tối ưu hóa vị trí và số lượng thiết bị phân đoạn nhằm cải thiện các chỉ số độ tin cậy.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 11/2023 đến tháng 6/2024, trong đó giai đoạn thu thập và xử lý dữ liệu, xây dựng mô hình và thuật toán diễn ra trong 4 tháng đầu, tiếp theo là chạy thuật toán và phân tích kết quả trong 2 tháng cuối.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình áp dụng cho một phát tuyến 22kV với 68 nút, được lựa chọn dựa trên tính đại diện và mức độ phức tạp phù hợp với phạm vi nghiên cứu.

  • Phần mềm sử dụng: MATLAB được sử dụng để lập trình và chạy thuật toán NSGA-II, xử lý dữ liệu và mô phỏng kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cải thiện chỉ số SAIFI: Thuật toán NSGA-II đã xác định được vị trí phân đoạn tối ưu giúp giảm tần suất mất điện trung bình từ 2,32 lần xuống còn khoảng 1,85 lần, tương đương giảm 20,3%. Kết quả này được xác nhận qua so sánh với dữ liệu vận hành thực tế.

  2. Giảm thời gian mất điện trung bình (SAIDI): Thời gian mất điện trung bình giảm từ 275,17 phút xuống còn khoảng 230 phút, tương đương giảm 16,4%. Điều này cho thấy việc tái bố trí thiết bị phân đoạn giúp thu hẹp phạm vi mất điện và rút ngắn thời gian khắc phục sự cố.

  3. Kiểm soát chỉ số MAIFI: Mặc dù MAIFI có xu hướng tăng trong giai đoạn trước, nghiên cứu cho thấy việc tối ưu vị trí thiết bị phân đoạn giúp duy trì chỉ số MAIFI ở mức ổn định khoảng 0,7 lần, giảm nhẹ so với mức 0,66 lần ban đầu, góp phần hạn chế mất điện thoáng qua.

  4. Hiệu quả thuật toán NSGA-II: Thuật toán hội tụ nhanh chóng sau khoảng 50 thế hệ, với độ hội tụ thể hiện qua biểu đồ giảm dần của các hàm mục tiêu SAIFI, SAIDI và MAIFI. Kết quả tính toán phù hợp với thực tế vận hành, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp.

Thảo luận kết quả

Việc tái bố trí và bổ sung thiết bị phân đoạn dựa trên thuật toán NSGA-II đã mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Nguyên nhân chính là do thuật toán cho phép cân bằng đa mục tiêu, đồng thời đảm bảo các ràng buộc vận hành như giới hạn dòng điện, điện áp và khả năng chịu tải của thiết bị. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng thuật toán di truyền đơn mục tiêu, phương pháp đa mục tiêu NSGA-II cho phép tối ưu đồng thời nhiều chỉ số độ tin cậy, từ đó nâng cao hiệu quả tổng thể.

Kết quả cũng phù hợp với các báo cáo của ngành điện về xu hướng giảm SAIFI và SAIDI hàng năm, đồng thời góp phần ổn định MAIFI – một chỉ số thường khó kiểm soát do tính chất mất điện thoáng qua. Việc sử dụng dữ liệu thực tế từ lưới điện 22kV tại An Giang giúp tăng tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của nghiên cứu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hội tụ thuật toán, bảng so sánh chỉ số độ tin cậy trước và sau tối ưu, cũng như sơ đồ vị trí thiết bị phân đoạn hiện hữu và tối ưu để minh họa sự khác biệt rõ ràng trong bố trí thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng thuật toán NSGA-II cho các phát tuyến 22kV khác: Đề nghị Công ty Điện lực An Giang mở rộng áp dụng phương pháp tối ưu này cho các phát tuyến có chỉ số độ tin cậy cao hơn mức bình quân, nhằm cải thiện đồng bộ toàn bộ hệ thống trong vòng 2 năm tới.

  2. Tăng cường đầu tư bổ sung thiết bị phân đoạn tại các vị trí tối ưu: Khuyến nghị ưu tiên đầu tư thiết bị phân đoạn mới tại các vị trí được xác định qua thuật toán nhằm giảm thiểu phạm vi mất điện và thời gian khắc phục, dự kiến hoàn thành trong 1-2 năm.

  3. Xây dựng hệ thống giám sát và quản lý thông tin mất điện tích hợp thuật toán tối ưu: Phát triển hệ thống OMS tích hợp thuật toán NSGA-II để tự động đề xuất phương án bố trí thiết bị phân đoạn, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và phản ứng nhanh với sự cố, thực hiện trong 3 năm tới.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về thuật toán tối ưu và ứng dụng trong quản lý lưới điện cho đội ngũ kỹ thuật viên và quản lý, nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả các giải pháp mới, triển khai liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ kỹ thuật và quản lý tại các Công ty Điện lực: Giúp hiểu rõ về phương pháp tối ưu hóa vị trí thiết bị phân đoạn, từ đó áp dụng vào công tác vận hành và lập kế hoạch nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện: Cung cấp tài liệu tham khảo về ứng dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu trong hệ thống điện phân phối, hỗ trợ nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ trong lĩnh vực điện năng: Tham khảo các mô hình toán học, thuật toán NSGA-II và kết quả thực nghiệm để phát triển các giải pháp tối ưu mới cho hệ thống điện.

  4. Các đơn vị tư vấn và thiết kế hệ thống điện: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tư vấn, thiết kế lưới điện phân phối với cấu trúc tối ưu, nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành cho khách hàng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thuật toán NSGA-II là gì và tại sao được chọn?
    NSGA-II là thuật toán di truyền đa mục tiêu giúp tìm kiếm các giải pháp tối ưu cân bằng giữa nhiều mục tiêu như SAIFI, SAIDI và MAIFI. Thuật toán này được chọn vì khả năng hội tụ nhanh, xử lý hiệu quả các bài toán phức tạp và đa mục tiêu trong hệ thống điện.

  2. Dữ liệu nghiên cứu lấy từ đâu và có độ tin cậy thế nào?
    Dữ liệu được thu thập từ lưới điện 22kV thực tế tại Công ty Điện lực An Giang, bao gồm 68 nút và các sự cố mất điện trong một năm. Dữ liệu này phản ánh chính xác tình hình vận hành thực tế, đảm bảo độ tin cậy cho kết quả nghiên cứu.

  3. Các chỉ số SAIFI, SAIDI và MAIFI có ý nghĩa gì?
    SAIFI đo tần suất mất điện trung bình của khách hàng, SAIDI đo thời gian mất điện trung bình, còn MAIFI đo tần suất mất điện thoáng qua. Ba chỉ số này phản ánh mức độ tin cậy và chất lượng cung cấp điện của lưới điện phân phối.

  4. Phương pháp tối ưu có thể áp dụng cho các lưới điện khác không?
    Có, phương pháp tối ưu sử dụng thuật toán NSGA-II có thể mở rộng áp dụng cho các lưới điện phân phối khác với quy mô và đặc điểm tương tự, giúp cải thiện độ tin cậy cung cấp điện trên phạm vi rộng hơn.

  5. Làm thế nào để triển khai kết quả nghiên cứu vào thực tế vận hành?
    Cần phối hợp giữa các phòng ban kỹ thuật và quản lý để áp dụng thuật toán vào hệ thống quản lý mất điện, đồng thời đầu tư bổ sung thiết bị phân đoạn theo vị trí tối ưu, kết hợp đào tạo nhân sự và giám sát liên tục để đảm bảo hiệu quả.

Kết luận

  • Luận văn đã thành công trong việc xây dựng mô hình toán học và áp dụng thuật toán NSGA-II để xác định vị trí và số lượng thiết bị phân đoạn tối ưu trên lưới điện 22kV thực tế tại Công ty Điện lực An Giang.
  • Kết quả nghiên cứu cho thấy cải thiện rõ rệt các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện: SAIFI giảm khoảng 20,3%, SAIDI giảm 16,4%, và MAIFI được duy trì ổn định.
  • Phương pháp tối ưu đa mục tiêu cho phép cân bằng hiệu quả giữa các chỉ số độ tin cậy và các ràng buộc vận hành, phù hợp với thực tiễn vận hành lưới điện phân phối.
  • Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, có thể áp dụng mở rộng cho các phát tuyến 22kV khác nhằm nâng cao chất lượng cung cấp điện và hiệu quả kinh doanh của các Công ty Điện lực.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng rộng rãi, đầu tư bổ sung thiết bị phân đoạn, phát triển hệ thống giám sát tích hợp thuật toán và đào tạo nhân sự để đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững.

Hành động ngay hôm nay: Các đơn vị quản lý lưới điện nên xem xét áp dụng phương pháp tối ưu này để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, đồng thời phối hợp nghiên cứu mở rộng nhằm phát triển hệ thống điện thông minh và bền vững trong tương lai.