Nghiên Cứu Phương Pháp Tái Cấu Trúc Lưới Phân Phối Nhằm Giảm Tổn Thất Công Suất

Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây truyền tải và lưới điện phân phối, được nối với nhau thực hiện nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng. Trong hệ thống điện, lưới điện phân phối (LVPP) nhận điện năng từ lưới truyền tải hay trạm biến áp trung gian của cấp truyền tải để cung cấp điện đến các hộ tiêu thụ. Tại Việt Nam, lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối điện cho các trạm phân phối trung áp, lưới hạ áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải hạ áp. Các LVPP khi thiết kế có dạng kín nhưng trong chế độ vận hành thường vận hành hở, hình tia hoặc dạng nhánh cây. Bài toán tái cấu hình lưới phân phối (LVPP) thường được gọi là bài toán tái cấu trúc lưới điện.

Bài toán tái cấu trúc lưới điện được thực hiện bằng cách chuyển tải nhờ đóng/mở thiết bị chuyển mạch. Tái cấu hình lưới không những không đòi hỏi nhiều về vốn đầu tư mà còn giúp giảm tổn thất đáng kể khi cân bằng tải giữa các tuyến đường được thiết lập. Bên cạnh đó, tái cấu hình lưới điện phân phối còn có thể giảm sụt áp trong lưới và giảm số khách hàng bị mất điện khi sự cố. Vì vậy, tái cấu hình lưới điện phân phối có ý nghĩa quan trọng trong quản lý, vận hành lưới điện. Bài toán tái cấu hình có thể được thực hiện với nhiều hàm mục tiêu khác nhau, như giảm tổn thất công suất, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo dòng ngắn mạch. Luận văn tập trung vào tái cấu trúc lưới điện phân phối theo hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất.

Một số yêu cầu chính đối với lưới điện phân phối bao gồm: đảm bảo cung cấp điện cho tất cả các phụ tải và ít gây mất điện cho khách hàng; các thiết bị như máy biến áp, đường dây, cầu chì phải đảm bảo không bị quá tải trong chế độ làm việc bình thường; điện áp tại các hộ tiêu thụ phải nằm trong phạm vi cho phép; LVPP vận hành linh hoạt và phù hợp với việc phát triển lưới điện trong tương lai; chi phí vận hành nhỏ nhất. Do đó, LVPP thường có các điểm mở để tạo thành lưới điện vận hành hở khi cần thiết. Việc tìm điểm mở trên LVPP thực chất là đi xác định một cấu hình của LVPP để đạt các mục tiêu trong vận hành như cải thiện chất lượng điện áp, cải thiện độ tin cậy cung cấp điện, giảm tổn thất công suất tác dụng.

Để chuyển các phương trình cân bằng dòng nút thành hệ phương trình đại số tuyến tính, cần các giả thiết: các phần tử thụ động (điện trở, điện kháng) trong hệ thống không thay đổi giá trị; phụ tải được thay thế bằng tổng trở cố định. Xét hệ thống gồm n+1 nút (kể cả nút đất). Nút đất có số thứ tự là 0. Các thông số: ik: dòng nút tại nút k, quy ước chiều từ ngoài vào là chiều dương. Tổng dẫn nút Ykm.

Tùy thuộc vào thông số cho trước, một lưới điện sẽ bao gồm 3 loại nút: nút PQ (nút tải, cho trước P và Q), nút PV (nút nguồn điều khiển điện áp, cho trước P và U), và nút cân bằng (cho trước điện áp và góc pha). Nút PQ bao gồm các nút tải, thường biết được công suất tiêu thụ trong mọi chế độ làm việc. Nút PV có nhiệm vụ giữ điện áp tại nó không đổi, thường bao gồm các nút nguồn điện lớn. Nút cân bằng có nhiệm vụ điều tần cho hệ thống.

Phương pháp Newton-Raphson được sử dụng phổ biến để giải các phương trình dòng công suất của hệ thống điện. Khai triển chuỗi Taylor đối với hàm có hai hay nhiều biến là cơ sở của phương pháp này. Xét một hàm phi tuyến y = f(x). Bài toán đặt ra là xác định nghiệm thực của phương trình f(x) = 0. Ý tưởng chính của phương pháp Newton-Raphson là sử dụng phương pháp tính toán lặp từ một biến trạng thái ban đầu được chọn như sau: Xuất phát từ một điểm M0 có x0 lân cận nghiệm thực, thay thế đường cong lân cận điểm M0 bằng đường tiếp tuyến của đường cong tại M0 - tuyến tính hóa.

Giải thuật cắt vòng của Merlin và Back khá đơn giản: Đóng tất cả các khóa điện lại tạo thành 1 vòng kín, sau đó giải bài toán phân bố công suất và tiến hành mở lần lượt các khóa có dòng điện bé nhất cho đến khi lưới điện trở thành dạng hình tia. Với mạch vòng, lưới điện phân phối luôn có mức tổn thất công suất bé nhất. Vì vậy để có lưới điện phân phối vận hành hình tia, Merlin và Back lần lượt loại bỏ những nhánh có tổn thất công suất nhỏ nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi lưới điện đạt trạng thái vận hành hở.

Phương pháp kỹ thuật đổi nhánh - Branch exchange methods được bắt đầu với giả thiết là: Lưới điện phân phối được vận hành với cấu hình hình tia, một khóa điện được đóng lại và đồng thời 1 khóa điện khác trong mạch vòng được mở ra đảm bảo cấu hình hình tia của lưới điện. Mỗi lần thay đổi trạng thái đóng/cắt của một cặp khóa điện, sự thay đổi tổn thất công suất trên lưới lại được đánh giá. Phương pháp thay đổi nhánh sẽ dừng lại khi không thể giảm tổn thất công suất được nữa. Được Civanlar phát triển năm 1989, phương pháp này yêu cầu sự phân tích đánh giá dòng công suất trên toàn bộ hệ thống tại thời điểm tính toán.

Thuật toán Backtracking được Thomas E.MacDermott nghiên cứu và phát triển năm 1998, thuật toán này cũng là 1 trong những bài toán 'mở' lần lượt các thiết bị đóng/cắt phân đoạn – sequential switch opening method, nhưng xuất phát điểm lại ngược lại so với thuật toán cắt vòng kín của Shirmohammadi. Thuật toán Backtracking gồm các bước như sau: Bước 1: Mở tất cả các khóa điện, mỗi khóa điện được xem là một kết nối giữa các phụ tải với nhau hay giữa nguồn với phụ tải. Bước 2: Tìm cách gắn lần lượt từng phụ tải vào hệ thống qua một khóa điện duy nhất, khóa điện này sẽ có trạng thái đóng. Bước 3: Tải sau khi được nối vào hệ thống sẽ trở thành nguồn cho các tải kế tiếp xem xét để kết nối (điều này đảm bảo mỗi tải chỉ được cung cấp điện từ một nguồn duy nhất – điều kiện cấu hình vận hành hình tia).

Thuật toán tìm kiếm cấu hình lưới điện phân phối có tổn thất công suất nhỏ nhất được F.Vanderson Gomes nghiên cứu và phát triển năm 2004. Thuật toán này đặc biệt phù hợp với hệ thống lưới điện phân phối quy mô lớn. Thuật toán bắt đầu với giả thiết tất cả các khóa điện đều đóng. Việc quyết định mở một khóa dựa trên kết quả tính toán trào lưu công suất với tổng tổn thất công suất tác dụng trong lưới nhỏ nhất. Phương pháp gồm hai giai đoạn: Các khóa lần lượt được mở ra cho đến khi lưới trở thành hình tia, đồng thời trong quá trình mở khóa, một danh sách các khóa liền kề với khóa được mở sẽ được lưu lại.

Trao đổi trạng thái các khóa được mở với hai khóa liền kề chúng và so sánh tổng tổn thất trong 2 trường hợp, lựa chọn mở hoàn toàn khóa cho tổn thất công suất tác dụng nhỏ hơn. Phương pháp của F.Vanderson Gomes có những ưu điểm như kết quả của việc tái cấu hình lưới không phụ thuộc vào trạng thái các khóa trong lưới ban đầu; phương pháp cho kết quả lưới phân phối hình tia tối ưu đồng thời tránh được việc đưa ra quá nhiều phương án và số lượng tính toán lớn trong việc lựa chọn.

Thấy bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối thường dùng, dễ thấy bài toán tái cấu hình lưới điện có không gian nghiệm lớn, số lượng bước giải nhiều, đặc biệt là ma trận trạng thái các khóa của lưới điện lớn. Do đó, việc giải bài toán xác định cấu hình lưới điện có tổn thất công suất nhỏ nhất nên sử dụng phương pháp vừa tìm được nghiệm tối ưu vừa có tốc độ giải nhanh.

Thông qua mô hình bài toán và các phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối thường dùng, d thấy bài toán tái cấu hình lưới điện có không gian nghiệm lớn, s lượng bước giải nhiu, đặc biệt là ma trn trng thái các khóa ca lưới điện lớn. Do đó, vic giải bài toán xác định cấu hình lưới điện có tổn thất công suất nhỏ nhất nên s dng phương pháp vừa tìm ược nghim tối u vừa có tốc độ giải nhanh.

Trong nghiên cứu, PENTIUM IV, 1,6-GHz với RAM 256 Mb. Lưới bao gồm 2 nguồn, nguồn thứ 1 cung cấp cho 258 nút phụ tải với tổng công suất tác dụng là 5140kW, tổng công suất phản kháng là 1949 kVar. Nguồn thứ 2 cung cấp cho 218 nút phụ tải, tổng công suất tác dụng là 3874kW, tổng công suất phản kháng là 1498 kVar. Trong trường hợp này, tổn thất lúc ban đầu là 202,09 kW.

Phương pháp 4 cho kết quả tổn thất giảm được 21% so với tổng tổn thất ban đầu trong khi các phương pháp Shirmohammadi, thuật toán đổi nhánh, McDermott chỉ giảm được tổn thất ít hơn 5% so với tổng tổn thất ban đầu. Do đó, phương pháp 4 sẽ được lựa chọn là phương pháp tính toán tái cấu hình lưới điện phân phối nhm giảm tối đa tổn thất công suất tác dụng ca lưới trong khuôn khổ luận văn.