Tổng quan nghiên cứu

Giảm tổn thất điện năng trong hệ thống phân phối là một trong những nhiệm vụ trọng tâm nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và độ tin cậy cung cấp điện tại Việt Nam. Theo số liệu thống kê của Tổng công ty Điện lực Miền Nam, tổn thất điện năng toàn hệ thống năm 2016 ở mức 6,66% với mục tiêu hạ xuống còn 3,5% vào năm 2020. Trong bối cảnh đó, Điện lực Chợ Gạo được giao chỉ tiêu kiểm soát tỷ lệ tổn thất ở mức 5,08% đến năm 2020. Khu vực Chợ Gạo sở hữu hệ thống lưới điện trung áp 22kV có tổng chiều dài 320,541 km (trong đó tài sản ngành điện là 262,74 km và khách hàng là 57,801 km), cấp nguồn cho 1.747 trạm biến áp với tổng dung lượng 133.304 kVA qua 17 tuyến phát chính.

Thực trạng vận hành cho thấy lưới điện Chợ Gạo được thiết kế mạch vòng nhưng vận hành hình tia, cơ cấu phụ tải sinh hoạt chiếm tỷ trọng lớn và phụ tải 1 pha phát triển không đồng đều. Điều này dẫn đến sự mất cân bằng giữa các pha, làm tăng dòng điện trung tính và gây quá tải cục bộ trên các tuyến dây trong giờ cao điểm. Các giải pháp truyền thống như nâng tiết diện dây dẫn hay xây mới trạm biến áp đòi hỏi kinh phí đầu tư xây dựng cơ bản rất lớn.

Do đó, mục tiêu của đề tài là tìm kiếm giải thuật tái cấu hình tối ưu lưới điện phân phối hiện hữu thông qua phần mềm mô phỏng PSS/ADEPT và phân hệ tối ưu điểm mở mạch vòng. Phương pháp này cho phép phân bố lại công suất truyền tải giữa 17 tuyến phát mà không phát sinh chi phí mua sắm thiết bị mới, giúp giảm tổn thất công suất tác dụng và điện năng, đồng thời đảm bảo tiêu chuẩn vận hành an toàn n-1 với dòng tải mỗi tuyến không vượt quá 300 A.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết giải tích lưới điện và các mô hình toán học tối ưu hóa hệ thống điện phân phối hình tia. Trọng tâm lý thuyết là hàm tổn thất công suất tác dụng xác định theo biểu thức phụ thuộc vào điện áp vận hành định mức 22kV, điện trở đơn vị đường dây, chiều dài tuyến và dòng công suất truyền tải. Khi lưới vận hành không cân bằng pha, tổn thất tăng vọt do xuất hiện thành phần dòng điện chạy trên dây trung tính, đòi hỏi phải đồng thời thực hiện cân bằng pha và tái cấu hình mạng lưới.

Hệ thống lý thuyết phân loại bài toán tái cấu hình thành 6 nhóm đặc trưng: cực tiểu chi phí vận hành, cực tiểu tổn thất năng lượng, cực tiểu tổn thất công suất tại một thời điểm tải xác định, cân bằng công suất giữa các xuất tuyến và trạm nguồn, khôi phục lưới điện sau sự cố, và bài toán tối ưu đa mục tiêu. Đề tài tập trung chuyên sâu vào bài toán cực tiểu tổn thất công suất làm mô-đun nền tảng.

Các khái niệm then chốt được ứng dụng bao gồm: kỹ thuật vòng kín của Merlin và Back (được Shirmohammadi cải tiến), thuật toán chuyển đổi nhánh heuristic của Civanlar, thuật toán tối ưu điểm mở mạch vòng Tie Open Point Optimization, và hệ số công suất tự nhiên sau khi bù hạ thế đạt mức 0,95. Các nguyên lý này chứng minh rằng việc hoán đổi trạng thái đóng hoặc mở của các thiết bị phân đoạn có thể san phẳng biểu đồ phụ tải và hạ thấp tổng trở tương đương của toàn hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu vận hành thực tế thu thập từ hệ thống thông tin quản lý khách hàng CMIS, hệ thống thu thập dữ liệu đo đếm MDAS và trung tâm điều khiển giám sát SCADA của Điện lực Chợ Gạo từ năm 2015 đến tháng 6/2018. Cỡ mẫu nghiên cứu bao quát toàn diện 100% phần tử của lưới điện phân phối khu vực với 17 phát tuyến trung áp 22kV, 320,541 km đường dây trung thế, 468,463 km đường dây hạ thế, 1.747 trạm biến áp phân phối và 21 bộ tụ bù trung áp tổng dung lượng 10.000 kVAr.

Phương pháp chọn mẫu toàn bộ được áp dụng nhằm loại bỏ sai số thống kê, phản ánh đúng tính chất vật lý phức tạp của lưới điện thực tế. Phương pháp phân tích cốt lõi là giải thuật đơn giản hóa lưới điện phân phối kết hợp mô phỏng dòng công suất trên phần mềm chuyên dụng PSS/ADEPT. Lý do lựa chọn giải thuật này xuất phát từ việc lưới điện thực tế chưa được trang bị đầy đủ công tơ ghi nhận biểu đồ phụ tải tức thời theo từng giờ, chỉ có số liệu điện năng tiêu thụ định kỳ. Bằng cách gom cụm các trạm biến áp giữa các thiết bị đóng cắt thành các nút phụ tải tương đương có công suất trung bình, mô hình giải quyết triệt để bài toán quá tải tính toán trên lưới điện có trên 1.000 nút mà vẫn đảm bảo độ chính xác vượt trội khi tìm kiếm nghiệm tối ưu toàn cục.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và tính toán trên lưới điện phân phối 22kV Điện lực Chợ Gạo mang lại các kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, việc khảo sát hiện trạng 17 tuyến phát cho thấy sự phân bố tải rất không đồng đều. Tuyến 473-CG và 479-GCT thường xuyên vận hành ở mức mang tải cao trong giờ cao điểm, trong khi một số xuất tuyến liên kết lân cận lại mang tải thấp, làm gia tăng tổn thất kỹ thuật cục bộ.

Thứ hai, sau khi xây dựng mô hình lưới điện tương đương và áp dụng phân hệ TOPO trên PSS/ADEPT để thay đổi trạng thái đóng mở của các cặp khóa phân đoạn và liên lạc như dao cắt phụ tải LBS và máy cắt Recloser, dòng công suất được tái phân bố hợp lý. Toàn bộ các nhánh dây đều vận hành an toàn dưới ngưỡng giới hạn dòng điện 300 A.

Thứ ba, tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng ngày trên toàn lưới giảm rõ rệt. Cụ thể, tỷ lệ tổn thất điện năng sau khi tái cấu hình giảm từ 0,4% đến 0,6% so với cấu hình ban đầu tùy theo từng chế độ vận hành mùa mưa hay mùa khô. Mức tiết kiệm điện năng này đóng góp trực tiếp vào kết quả giảm tổn thất của đơn vị từ mức trên 5,5% giai đoạn 2015-2016 xuống đạt và vượt chỉ tiêu 5,08% vào năm 2020.

Thứ tư, việc duy trì hệ số công suất tại phía hạ thế của 1.747 trạm biến áp ở mức 0,95 nhờ 792 bộ tụ bù hạ áp cố định (5.322 kVAr) kết hợp cùng 21 bộ tụ bù trung áp (10.000 kVAr) đã tạo điều kiện lý tưởng để giải thuật tái cấu hình phát huy tối đa hiệu quả giảm tổn thất kỹ thuật trên đường dây 22kV.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý của việc giảm tổn thất thông qua tái cấu hình là chuyển bớt các phân đoạn tải lớn ở vùng sụt áp sâu sang các tuyến phát có công suất dự phòng dồi dào. Kết quả tính toán phân bố công suất từng giờ trong ngày có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ đường biến thiên công suất 24 giờ và bảng thống kê thông số nút trước và sau tái cấu hình. Biểu đồ cột so sánh tỷ lệ tổn thất qua các năm từ 2015 đến 2022 phản ánh xu hướng giảm bền vững của tổn hao kỹ thuật khi áp dụng phương án chuyển tải tối ưu.

So sánh với các nghiên cứu kinh điển của Civanlar hay Baran, phương pháp xây dựng lưới điện tương đương áp dụng tại Chợ Gạo đã khắc phục hoàn toàn nhược điểm thời gian tính toán kéo dài của các thuật toán heuristic thuần túy khi giải quyết mạng lưới quy mô lớn trên 1.000 nút. Việc không cần đo đếm trực tiếp biểu đồ phụ tải tức thời mà quy đổi thông qua điện năng tiêu thụ trung bình đã giải quyết bài toán thiếu hụt dữ liệu đầu vào vốn rất phổ biến tại các công ty điện lực nông thôn Việt Nam, tạo ra giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao mà không đòi hỏi chi phí đầu tư thiết bị đo đếm đắt tiền.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý được đề xuất nhằm tối ưu hóa chế độ vận hành lưới điện phân phối:

  1. Thực hiện tái cấu hình lưới điện định kỳ theo mùa vận hành: Đội Quản lý vận hành phối hợp Phòng Kỹ thuật triển khai chuyển đổi vị trí điểm mở tối ưu giữa các tuyến dây trung áp 22kV cho 2 giai đoạn mùa khô và mùa mưa, hướng tới mục tiêu duy trì tỷ lệ tổn thất toàn đơn vị dưới ngưỡng 4,8% trong giai đoạn 2020-2022.
  2. Hoàn thiện tự động hóa lưới điện phân phối và hệ thống đo đếm từ xa: Ban Giám đốc chỉ đạo Phòng Kỹ thuật và bộ phận SCADA tiến hành số hóa 100% các thiết bị đóng cắt Recloser, LBS và lắp đặt công tơ điện tử thu thập dữ liệu tự động MDAS tại 1.747 trạm biến áp trong lộ trình 12 đến 18 tháng, cung cấp dữ liệu đồ thị tải chính xác phục vụ tính toán trực tuyến.
  3. Tối ưu hóa phân bố tụ bù và cân bằng tải các pha: Phòng Kỹ thuật chủ trì rà soát lại dung lượng 21 bộ tụ bù trung áp (10.000 kVAr) và 792 bộ tụ bù hạ áp (5.322 kVAr), thực hiện đảo chuyển pha định kỳ hàng quý tại các trạm biến áp 1 pha khu vực nông thôn nhằm đưa dòng điện không cân bằng trên dây trung tính về dưới 10%.
  4. Đầu tư xây dựng bổ sung các đoạn nối tuyến liên lạc chiến lược: Tổng công ty Điện lực Miền Nam và Công ty Điện lực Tiền Giang ưu tiên bố trí nguồn vốn đầu tư xây dựng hàng năm để khép vòng liên kết giữa 17 tuyến phát 22kV hiện hữu, tạo thêm không gian vận hành linh hoạt và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện đạt tiêu chuẩn n-1.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

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

  1. Kỹ sư quản lý kỹ thuật và vận hành tại các Công ty Điện lực: Ứng dụng quy trình xây dựng lưới điện tương đương và phần mềm PSS/ADEPT để tính toán phân bố công suất, xác định phương thức đóng cắt tối ưu giảm tổn hao điện năng cho mạng lưới phân phối trung áp tại địa phương mà không tốn chi phí cải tạo.
  2. Điều độ viên hệ thống điện phân phối tại trung tâm điều khiển SCADA: Sử dụng ma trận trạng thái đóng mở tối ưu của các thiết bị phân đoạn để lập phương thức vận hành ngày tới và xây dựng kịch bản chuyển tải, cô lập sự cố nhanh chóng mà không làm quá tải các đường dây liên kết.
  3. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện: Tiếp cận tài liệu tham khảo thực chứng về các giải thuật tái cấu hình mạng lưới (Heuristic, TOPO, Merlin-Back, Civanlar) và phương pháp xử lý bài toán tối ưu hệ thống điện khi thiếu dữ liệu đo đếm thời gian thực.
  4. Cán bộ quản lý và hoạch định chính sách ngành năng lượng: Tham khảo các luận cứ kinh tế - kỹ thuật để xây dựng đề án giảm tổn thất điện năng dài hạn, tối ưu hóa danh mục đầu tư lưới điện thông minh đạt các chỉ tiêu của Tập đoàn Điện lực Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nghiên cứu lại chọn bài toán cực tiểu tổn thất công suất thay vì hàm đa mục tiêu? Điện lực Chợ Gạo chưa được trang bị đầy đủ công tơ đo xa để ghi nhận biểu đồ phụ tải tức thời cho từng trạm biến áp. Bài toán cực tiểu tổn thất công suất cho phép tính toán qua giá trị công suất trung bình từ điện năng tiêu thụ, đảm bảo tính khả thi cao và dễ áp dụng trên 17 tuyến dây 22kV.

Phương pháp xây dựng lưới điện tương đương mang lại lợi ích gì trong mô phỏng PSS/ADEPT? Lưới điện Chợ Gạo có 1.747 trạm biến áp và số lượng nút rất lớn, gây khó khăn cho việc hội tụ của phân hệ TOPO. Việc gom cụm các trạm thành các phân đoạn tương đương giữa các thiết bị đóng cắt giúp giảm hơn 70% thời gian tính toán mô phỏng mà vẫn đảm bảo độ chính xác của kết quả tổn thất.

Việc tái cấu hình lưới điện có gây gián đoạn cung cấp điện cho khách hàng không? Quá trình tái cấu hình không làm mất điện khách hàng do hệ thống được thiết kế mạch vòng kín nhưng vận hành hở. Việc chuyển tải được thực hiện qua các thiết bị đóng cắt LBS và Recloser theo tiêu chuẩn n-1, đảm bảo dòng điện trên mỗi tuyến phát luôn nằm trong giới hạn cho phép dưới 300 A.

Bù công suất phản kháng có vai trò như thế nào so với tái cấu hình trong việc giảm tổn thất? Bù công suất phản kháng giúp nâng cao hệ số công suất tại hạ thế lên 0,95, giảm dòng điện chạy qua máy biến áp. Tuy nhiên, tái cấu hình đóng vai trò quyết định hơn trong việc giảm tổn thất trên lưới trung áp bằng cách san tải công suất tác dụng giữa các tuyến dây dài 320,541 km.

Mô hình tính toán của luận văn có thể nhân rộng cho các đơn vị điện lực khác không? Mô hình hoàn toàn có thể áp dụng cho các công ty điện lực có đặc điểm tương tự tại khu vực Miền Nam. Quy trình đơn giản hóa lưới điện và giải thuật TOPO giúp các đơn vị quản lý lưới điện nông thôn giảm ngay từ 0,4% đến 0,6% tổn thất điện năng với chi phí đầu tư gần như bằng không.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình lưới điện tương đương cho toàn bộ 17 tuyến phát 22kV với 1.747 trạm biến áp và 320,541 km đường dây thuộc Điện lực Chợ Gạo.
  • Ứng dụng hiệu quả phân hệ TOPO trên phần mềm PSS/ADEPT để tìm ra cấu hình vận hành tối ưu, giúp giảm tổn thất điện năng ngày từ 0,4% đến 0,6% mà không tốn chi phí xây dựng cơ bản.
  • Đề xuất phương án vận hành linh hoạt theo mùa mưa và mùa khô, hỗ trợ đơn vị hoàn thành mục tiêu đưa tỷ lệ tổn thất về mức 5,08% vào năm 2020.
  • Khẳng định tính khả thi của giải pháp kết hợp giữa nâng cao hệ số công suất hạ thế và tái cấu hình mạch vòng lưới trung áp khi thiếu dữ liệu phụ tải thời gian thực.
  • Xác định hướng phát triển ứng dụng trí tuệ nhân tạo và tích hợp hệ thống SCADA tự động trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới.

Hãy áp dụng ngay phương pháp tái cấu hình tối ưu lưới điện phân phối tương đương để nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm chi phí kỹ thuật cho hệ thống điện của bạn!