Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối chiếm tỷ lệ lớn nhất trong hệ thống điện quốc gia và là nguyên nhân chính gây ra tổn thất điện năng cao. Theo số liệu thống kê, tổn thất điện năng trên lưới truyền tải thấp nhất khoảng 2%, trong khi trên lưới phân phối có thể lên tới 4%. Tại Việt Nam, năm 2018, tổn thất điện năng toàn hệ thống đạt 7,04%, trong đó lưới phân phối chiếm khoảng 4,35%. Mục tiêu giảm tổn thất điện năng xuống còn 6,5% vào năm 2020 đặt ra yêu cầu cấp thiết về các giải pháp kỹ thuật tối ưu, đặc biệt là trên lưới điện trung áp 22kV.

Lưới điện trung áp tại các đô thị lớn như Hà Nội có đặc điểm phức tạp với đa dạng loại hình phụ tải và địa hình, đồng thời áp dụng nhiều giải pháp bù công suất phản kháng (CSPK) chưa đồng nhất, dẫn đến hiện tượng quá bù hoặc thiếu bù, gây mất ổn định điện áp và tăng tổn thất. Do đó, nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống bù CSPK trên các xuất tuyến trung áp là cần thiết nhằm nâng cao hiệu quả vận hành, giảm tổn thất điện năng và đảm bảo chất lượng điện năng.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống bù CSPK trên xuất tuyến cáp ngầm 22kV thuộc Tổng công ty Điện lực Hà Nội, cụ thể là xuất tuyến 491-E1.11 của Công ty Điện lực Đống Đa. Phạm vi nghiên cứu từ tháng 01/2022 đến tháng 01/2023, với mục tiêu giảm tổn thất công suất, nâng cao hệ số công suất, đảm bảo điện áp trong giới hạn cho phép và tăng tuổi thọ thiết bị bù. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả kinh tế vận hành lưới điện phân phối đô thị, góp phần phát triển hạ tầng điện hiện đại, bền vững.

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 bù công suất phản kháng (CSPK): Giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện hệ số công suất, giảm tổn thất điện năng và ổn định điện áp trên lưới phân phối. Các phương pháp bù gồm bù cứng, bù mềm tự động và bù phối hợp.

  • Mô hình toán học bài toán vận hành tối ưu: Hàm mục tiêu là cực tiểu hóa tổng tổn thất công suất tác dụng trên lưới phân phối theo từng giờ, đồng thời đảm bảo các ràng buộc về điện áp và dòng điện trên các nhánh lưới.

  • Phương pháp Gauss-Seidel: Thuật toán lặp để giải hệ phương trình cân bằng điện áp và dòng điện trong lưới điện, tính toán điện áp tại các nút và dòng điện trên các nhánh, phục vụ cho việc đánh giá tổn thất và điều kiện vận hành.

  • Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA): Phương pháp tối ưu hóa dựa trên tiến hóa sinh học, sử dụng các phép chọn lọc, lai ghép và đột biến để tìm ra chế độ vận hành bù CSPK tối ưu theo từng giờ, phù hợp với biến thiên phụ tải.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất phản kháng, hệ số công suất (Cosφ), tổn thất công suất tác dụng, điện áp danh định và giới hạn điện áp cho phép, thuật toán tối ưu hóa, và các loại tụ bù (tụ bù cứng, tụ bù tự động).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là số liệu vận hành thực tế thu thập từ phần mềm quản lý và lưu trữ số liệu của Tổng công ty Điện lực Hà Nội, tập trung vào xuất tuyến cáp ngầm 491-E1.11 thuộc Công ty Điện lực Đống Đa. Dữ liệu bao gồm thông số trạm biến áp, đường dây, tải theo giờ trong ngày, và các thông số vận hành tụ bù.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Áp dụng thuật toán Gauss-Seidel để tính toán điện áp và dòng điện trên lưới, từ đó xác định tổn thất công suất tác dụng theo từng giờ.

  • Sử dụng thuật toán di truyền để tối ưu hóa chế độ vận hành hệ thống bù CSPK, xác định số bộ tụ bù đóng cắt phù hợp nhằm giảm tổn thất và duy trì điện áp trong giới hạn cho phép.

  • So sánh kết quả vận hành giữa chế độ bù cứng hiện tại và chế độ bù tối ưu đề xuất.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 01/2022 đến tháng 01/2023, với cỡ mẫu là toàn bộ 18 trạm biến áp và 41 nút trên xuất tuyến 491-E1.11, đảm bảo tính đại diện và thực tiễn cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng vận hành bù CSPK chưa linh hoạt: 100% công suất bù trên xuất tuyến 491-E1.11 hiện nay là bù cứng tại tủ tổng hạ thế 0,4kV, chiếm 10% công suất máy biến áp. Việc đóng cắt tụ bù phụ thuộc hoàn toàn vào thao tác thủ công của công nhân vận hành, không điều chỉnh theo biến thiên phụ tải. Điều này dẫn đến hiện tượng bù thừa vào giờ thấp tải và thiếu bù vào giờ cao điểm.

  2. Chất lượng điện áp và hệ số công suất chưa tối ưu: Hệ số công suất Cosφ trung bình trên lưới dao động cao, có thời điểm đạt 1 hoặc vượt 1.05, gây quá áp và lệch pha điện áp giữa các nút. Điện áp tại các nút không đồng đều, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và tuổi thọ thiết bị.

  3. Tổn thất công suất tác dụng giảm đáng kể khi áp dụng chế độ vận hành tối ưu: Qua mô phỏng 24 giờ ngày 31/7/2022, chế độ bù tối ưu giảm tổn thất công suất tác dụng trung bình khoảng 5-7% so với chế độ bù cứng hiện tại. Biểu đồ tổn thất công suất theo giờ cho thấy sự giảm rõ rệt vào các khung giờ cao điểm và thấp điểm.

  4. Tuổi thọ thiết bị bù được cải thiện: Vận hành bù linh hoạt theo thuật toán di truyền giúp giảm số lần đóng cắt không cần thiết, kéo dài tuổi thọ tụ bù từ 1-2 năm lên mức cao hơn, giảm thiểu sự cố và chi phí bảo trì.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện trạng bù cứng là do phương pháp vận hành thủ công, thiếu tự động hóa và tối ưu hóa theo biến động phụ tải. So với các nghiên cứu trong ngành điện trên thế giới, việc áp dụng thuật toán di truyền để tối ưu vận hành bù CSPK đã chứng minh hiệu quả trong việc giảm tổn thất và cải thiện chất lượng điện áp.

Kết quả mô phỏng cho thấy, việc điều chỉnh linh hoạt số bộ tụ bù theo từng giờ giúp cân bằng công suất phản kháng, tránh hiện tượng quá bù hoặc thiếu bù, từ đó giảm tổn thất điện năng và duy trì điện áp ổn định trong phạm vi ±5% điện áp danh định theo quy định Thông tư 39/2015/TT-BCT.

Biểu đồ điện áp lớn nhất và nhỏ nhất tại các nút trong từng giờ minh họa rõ sự cải thiện điện áp đồng đều và ổn định hơn khi áp dụng chế độ vận hành tối ưu. Bảng so sánh tổn thất công suất giữa hai chế độ cũng làm nổi bật hiệu quả kinh tế của giải pháp.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, phù hợp với đặc điểm lưới điện cáp ngầm đô thị, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả đầu tư và quản lý vận hành lưới điện phân phối.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống điều khiển tụ bù tự động: Áp dụng các tủ tụ bù tự động có khả năng đóng cắt linh hoạt theo biến thiên phụ tải, nhằm duy trì hệ số công suất ổn định trên 0,9 và giảm tổn thất điện năng. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, do Tổng công ty Điện lực Hà Nội chủ trì.

  2. Áp dụng thuật toán tối ưu vận hành bù CSPK: Sử dụng thuật toán di truyền tích hợp trong phần mềm quản lý vận hành để xác định chế độ đóng cắt tối ưu cho từng giờ, giảm tổn thất công suất tác dụng ít nhất 5%. Chủ thể thực hiện là phòng kỹ thuật và vận hành của các công ty điện lực.

  3. Nâng cao đào tạo và trình độ nhân sự vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật bù CSPK và vận hành hệ thống tự động, đảm bảo nhân viên vận hành có năng lực quản lý và điều khiển hệ thống bù hiệu quả. Thời gian đào tạo trong 6-12 tháng.

  4. Xây dựng quy chuẩn vận hành bù CSPK đồng bộ: Ban hành các quy định, hướng dẫn vận hành bù CSPK phù hợp với đặc điểm lưới điện cáp ngầm đô thị, đảm bảo tính đồng bộ và hiệu quả trong toàn Tổng công ty. Chủ thể là Ban kỹ thuật EVN Hà Nội, thời gian hoàn thiện trong 1 năm.

  5. Đầu tư nâng cấp hạ tầng lưới điện: Thay thế thiết bị cũ, nâng cấp tủ RMU, máy biến áp và hệ thống đo đếm để hỗ trợ vận hành bù tự động và giám sát chất lượng điện năng. Kế hoạch đầu tư dài hạn 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên viên vận hành lưới điện phân phối: Nắm bắt kiến thức về vận hành tối ưu hệ thống bù CSPK, áp dụng thuật toán tối ưu trong thực tế để giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Hiểu rõ các giải pháp kỹ thuật và kinh tế trong vận hành lưới điện phân phối, từ đó xây dựng chính sách đầu tư và vận hành hiệu quả.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp luận, mô hình toán học và ứng dụng thuật toán di truyền trong tối ưu hóa vận hành lưới điện.

  4. Các công ty cung cấp thiết bị và giải pháp tự động hóa lưới điện: Nắm bắt nhu cầu và đặc điểm vận hành lưới điện phân phối đô thị để phát triển sản phẩm phù hợp, hỗ trợ khách hàng nâng cao hiệu quả vận hành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu vận hành hệ thống bù công suất phản kháng?
    Tối ưu vận hành giúp giảm tổn thất điện năng, duy trì điện áp ổn định, tránh quá bù hoặc thiếu bù, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và tuổi thọ thiết bị trên lưới điện phân phối.

  2. Thuật toán di truyền được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Thuật toán di truyền được sử dụng để tìm ra tổ hợp đóng cắt các bộ tụ bù phù hợp theo từng giờ, dựa trên hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất tác dụng và đảm bảo giới hạn điện áp, giúp vận hành linh hoạt và tối ưu.

  3. Hiện trạng bù công suất phản kháng trên lưới điện Hà Nội ra sao?
    Hiện tại, lưới điện trung áp 22kV chủ yếu sử dụng bù cứng tại tủ tổng hạ thế với công suất bù cố định 10% công suất máy biến áp, vận hành thủ công, chưa đáp ứng linh hoạt biến thiên phụ tải.

  4. Lợi ích của việc áp dụng chế độ vận hành tối ưu là gì?
    Giảm tổn thất công suất tác dụng trung bình 5-7%, cải thiện chất lượng điện áp, giảm hiện tượng quá áp và thấp áp, kéo dài tuổi thọ thiết bị bù, giảm chi phí bảo trì và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  5. Phạm vi áp dụng của kết quả nghiên cứu này?
    Phù hợp với các xuất tuyến cáp ngầm trung áp 22kV tại các đô thị lớn, đặc biệt là các lưới điện có phụ tải biến thiên lớn và yêu cầu cao về chất lượng điện năng, có thể mở rộng áp dụng cho các lưới điện phân phối tương tự.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ hiện trạng vận hành bù CSPK chưa linh hoạt, gây tổn thất điện năng và ảnh hưởng chất lượng điện áp trên xuất tuyến trung áp 491-E1.11.
  • Áp dụng thuật toán Gauss-Seidel kết hợp thuật toán di truyền giúp tối ưu hóa chế độ vận hành bù, giảm tổn thất công suất tác dụng trung bình 5-7% trong 24 giờ mô phỏng.
  • Chế độ vận hành tối ưu đảm bảo điện áp tại các nút nằm trong giới hạn ±5% điện áp danh định, nâng cao chất lượng điện năng và tuổi thọ thiết bị bù.
  • Đề xuất triển khai hệ thống tụ bù tự động, nâng cao đào tạo nhân sự và xây dựng quy chuẩn vận hành đồng bộ để nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối.
  • Kết quả nghiên cứu có tính ứng dụng thực tiễn cao, góp phần phát triển lưới điện phân phối hiện đại, bền vững tại các đô thị lớn như Hà Nội.

Để tiếp tục phát triển, cần triển khai thí điểm chế độ vận hành tối ưu trên các xuất tuyến khác, đồng thời tích hợp công nghệ điều khiển tự động và giám sát từ xa. Mời các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện quan tâm áp dụng và phối hợp nghiên cứu mở rộng.