Luận văn nghiên cứu vận hành linh hoạt hệ thống điện phân phối tiếp cận lưới điện thông minh ở Bắc Ninh

Nghiên cứu giải pháp vận hành linh hoạt hệ thống điện phân phối theo hướng tiếp cận lưới điện thông minh, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy cấp điện.

• Tác giả: Nguyễn Đăng Tuệ
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Ngô Đức Minh
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu vận hành linh hoạt hệ thống điện phân phối tiếp cận lưới điện thông minh
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu điện năng quốc gia tại Việt Nam dự kiến sẽ tăng gấp đôi vào năm 2030, đạt quy mô công suất cực đại khoảng 80 GW so với mức nền hơn 40 GW trong những năm gần đây. Sự bùng nổ nhu cầu tiêu thụ cùng áp lực tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo đang đặt hệ thống điện phân phối truyền thống trước những thách thức kỹ thuật nghiêm trọng. Thực tế quản lý tại Công ty Điện lực Bắc Ninh, điển hình là lưới điện trung áp Điện lực Tiên Du, phản ánh rõ nét những áp lực này với quy mô 34 tuyến đường dây trung thế có tổng chiều dài 336,2 km (gồm 5 đường dây 35 kV dài 120,9 km và 29 đường dây 22 kV dài 215,3 km) cùng 944 trạm biến áp phụ tải có tổng công suất 817 MVA.

Nhiều phân đoạn lưới điện đang phải vận hành trong trạng thái đầy tải và quá tải nghiêm trọng, tiêu biểu như xuất tuyến 471 E27.1 mang tải tới 98%, lộ 477 E27.1 đạt 95%, và lộ 481 E27.2 đạt 93%. Bán kính cấp điện hình tia kéo dài từ 9 km đến hơn 12 km khiến độ lệch điện áp tại các nút cuối nguồn sụt giảm sâu vượt ngưỡng 10%, đồng thời đẩy tỷ lệ tổn thất kỹ thuật tại một số trạm biến áp lên tới 8,88% như tại trạm Hoàn Sơn 1 và 7,57% tại trạm Duệ Nam.

Trước yêu cầu cấp bách về việc nâng cao chất lượng điện áp và cải thiện độ tin cậy cung cấp điện theo Thông tư 39/2015/TT-BCT, luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện của tác giả Nguyễn Đăng Tuệ, dưới sự hướng dẫn khoa học của Phó Giáo sư, Tiến sĩ Ngô Đức Minh tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên (năm 2023), đã tập trung giải quyết bài toán vận hành linh hoạt hệ thống điện phân phối (FDS). Nghiên cứu hướng đến mục tiêu chuẩn hóa mô hình FDS đại diện, ứng dụng công nghệ mô phỏng giải tích ETAP, tích hợp trí tuệ nhân tạo trên phần cứng nhúng Jetson Xavier NX và công nghệ rơ le số SEL 421. Kết quả nghiên cứu tạo bước đệm quá độ vững chắc giúp hạ thấp chỉ số thời gian mất điện SAIDI, giảm tần suất mất điện SAIFI, từng bước đưa lưới điện phân phối tiếp cận chuẩn mực lưới điện thông minh hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của luận văn được xây dựng trên sự giao thoa giữa lý thuyết mạch điện phi tuyến cổ điển và các tiêu chuẩn hiện đại về lưới điện thông minh. Nghiên cứu áp dụng nền tảng 10 luận điểm trụ cột của Lưới điện thông minh (Smart Grid) được chuẩn hóa theo Đạo luật Độc lập và An ninh Năng lượng Hoa Kỳ (EISA-2007), kết hợp với mô hình Hệ thống điện phân phối linh hoạt (FDS) được công bố quốc tế vào tháng 4 năm 2021. Khung lý thuyết này định nghĩa FDS như một cấu trúc quá độ tất yếu, cho phép chuyển đổi mạng lưới phân phối từ trạng thái vận hành thụ động hình tia sang trạng thái chủ động, có khả năng tự thích nghi và điều khiển đa chiều.

Để giải quyết bài toán trào lưu công suất, nghiên cứu vận dụng hệ phương trình cân bằng công suất nút phi tuyến với 4 biến trạng thái danh nghĩa tại mỗi nút: công suất tác dụng (P), công suất phản kháng (Q), biên độ điện áp (U) và góc pha điện áp. Hệ phương trình được phân tích qua 4 dạng nút chuẩn: nút tải PQ, nút máy phát PV, nút cân bằng và nút nguồn mở rộng Slack Bus.

Bên cạnh đó, luận văn tích hợp 5 khái niệm cốt lõi:

1. Hệ thống điện phân phối linh hoạt (FDS);
2. Nguồn phân tán (DG) bao gồm điện mặt trời quang điện (PVG) và tua bin gió (WTG);
3. Nguồn năng lượng phân tán (DERs);
4. Tự động hóa tái cấu trúc mạch vòng thông qua thiết bị đóng cắt Recloser (RE);
5. Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) kết hợp giải thuật Cây quyết định (Decision Tree) trong bài toán phân loại và dự báo điện áp.

Hệ thống máy biến áp trung gian 110/35/22 kV công suất 40 MVA được trang bị bộ điều áp dưới tải (OLTC) với 5 nấc phân áp điều chỉnh từ âm 5% đến dương 5%, đóng vai trò phối hợp điều hòa điện áp tĩnh cho toàn bộ cấu trúc FDS.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ hiện trạng vận hành thực tế năm 2020 của Công ty Điện lực Bắc Ninh trên địa bàn huyện Tiên Du, kết hợp cùng dữ liệu mô phỏng toán học trên phần mềm ETAP và số liệu thực nghiệm phần cứng tại Phòng thí nghiệm ATS thuộc Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.

Về quy mô mẫu và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu thực hiện khảo sát toàn diện trên 34 tuyến đường dây trung áp, sau đó sử dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích để xây dựng mô hình mẫu đại diện FDS gồm 2 xuất tuyến 22 kV trọng điểm (lộ 471 và 472). Mô hình mẫu này bao gồm 6 nút phụ tải tập trung (từ Load 1 đến Load 6) với công suất định mức biến thiên từ 800 kVA đến 2500 kVA, hệ số công suất cos phi trung bình đạt 0,85, kết hợp cùng nguồn điện mặt trời 1 MW và tua bin gió 2400 Wp. Từ mô hình mô phỏng trên ETAP, tác giả đã khởi tạo một tập dữ liệu giả lập gồm 1000 kịch bản vận hành ngẫu nhiên bao quát mọi trạng thái phụ tải từ 100 kVA đến 2250 kVA. Tập dữ liệu này được phân chia khoa học thành 3 tập độc lập: 60% dữ liệu dùng để huấn luyện mạng nơ-ron (Training dataset), 20% dữ liệu dùng để tối ưu hóa trọng số (Validation dataset), và 20% dữ liệu dùng để kiểm tra đánh giá độ chính xác (Testing dataset).

Lý do lựa chọn phương pháp:

• Thuật toán giải tích Newton-Raphson và Gauss-Seidel trên phần mềm chuyên dụng ETAP được lựa chọn nhờ tốc độ hội tụ nhanh bậc hai và độ chính xác cao đối với các lưới điện phức tạp có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo.
• Mạng nơ-ron Keras kết hợp Cây quyết định trên vi xử lý NVIDIA Jetson Xavier NX được chọn nhờ khả năng xử lý song song ma trận dữ liệu lớn, cho phép đưa ra gợi ý đóng/cắt máy cắt liên lạc RE 45-36 với thời gian phản hồi dưới 50 mili giây.
• Nền tảng tự động hóa OneATS kết hợp rơ le bảo vệ số SEL 421 được chọn làm giải pháp thực nghiệm phần cứng nhằm thẩm định chính xác tính chọn lọc bảo vệ và khả năng tương thích SCADA công nghiệp trong khung thời gian nghiên cứu hoàn thành vào năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình FDS đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật then chốt:

Thứ nhất, việc tái cấu trúc lưới điện bằng cách khép mạch vòng thông qua máy cắt liên lạc RE 45-36 giúp giải tỏa công suất nghẽn mạch và cải thiện chất lượng điện áp rõ rệt. Khi vận hành hình tia hở truyền thống, vào giờ cao điểm, điện áp tại các nút cuối đường dây như Bus 4 và Bus 6 sụt giảm nghiêm trọng xuống mức 0,88 pu (sụt giảm 12% so với định mức). Sau khi kích hoạt đóng RE 45-36, điện áp tại tất cả các thanh cái được kéo về dải an toàn từ 0,96 pu đến 1,02 pu, tỷ lệ cải thiện điện áp đạt hơn 13,6%.

Thứ hai, việc tích hợp nguồn phân tán (DG) tại chỗ phát huy hiệu quả giảm tổn thất vượt trội. Khi nguồn điện mặt trời PVG phát công suất 1 MW kết hợp cùng tua bin gió WTG 2400 Wp hoạt động tại khu vực phụ tải nặng, tổn thất công suất tác dụng trên đường dây giảm mạnh từ mức 2,81% xuống còn 1,54%, tương đương mức cắt giảm tổn thất lên tới 45,2%. Đồng thời, mức độ mang tải của máy biến áp trung gian 40 MVA giảm từ 92% xuống còn 73,5%, giải phóng hơn 18,5% dung lượng dự phòng cho trạm nguồn 110 kV.

Thứ ba, mô hình trí tuệ nhân tạo (AI) xây dựng trên nền tảng Keras đạt độ chính xác phân loại trạng thái đóng cắt máy cắt liên lạc lên tới 96,8% trên tập dữ liệu kiểm tra 200 mẫu thử nghiệm. Thuật toán Cây quyết định dự báo biên độ điện áp các nút sau khi đóng mạch vòng có sai số tuyệt đối trung bình nhỏ hơn 1,2% so với kết quả giải tích dòng công suất chi tiết trên ETAP.

Thứ tư, hệ thống bảo vệ số SEL 421 kết hợp phần mềm OneATS Grid Studio chứng minh tính chọn lọc tuyệt đối khi xảy ra sự cố ngắn mạch trên đường dây L5 và tại Bus 4. Rơ le bảo vệ đã kích hoạt cô lập điểm sự cố trong thời gian cực ngắn chỉ 0,08 giây (80 mili giây), bảo vệ an toàn cho thiết bị và tự động khép vòng cấp điện trở lại cho 100% các phụ tải lành gồm Load 4 và Load 6 mà không gây gián đoạn kéo dài.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản giúp mô hình FDS đạt được hiệu quả vận hành vượt trội nằm ở cơ chế phân bổ lại dòng công suất tự nhiên và bù công suất tác dụng, phản kháng tại chỗ của các nguồn DG. Trong lưới hình tia truyền thống, dòng công suất chạy một chiều từ thanh cái 110 kV qua máy biến áp 40 MVA xuống các lộ đường dây kéo dài trên 9 km, gây tổn thất điện áp lũy tiến theo chiều dài đường dây. Khi đóng máy cắt liên lạc RE 45-36, điểm phân chia công suất được dịch chuyển tối ưu, rút ngắn bán kính cấp điện tương đương của mỗi nguồn cấp. Việc nguồn điện mặt trời 1 MW phát trực tiếp công suất tác dụng vào ban ngày đã trực tiếp triệt tiêu dòng công suất truyền tải từ lưới truyền tải, từ đó giảm dòng điện chạy trên dây dẫn AAAC tiết diện 183 mm2 và làm giảm tổn thất nhiệt tỷ lệ với bình phương dòng điện.

So với phương pháp truyền thống là điều chỉnh nấc phân áp OLTC của máy biến áp trung gian vốn gây dao động điện áp đột ngột và làm tăng hao mòn cách điện cuộn dây, giải pháp FDS phối hợp AI mang lại phương thức điều tiết mềm dẻo, bền vững hơn nhiều.

Để trực quan hóa các phát hiện trên, toàn bộ dữ liệu phân bố công suất và điện áp nút có thể được trình bày thông qua biểu đồ cột so sánh đa chiều giữa hai trạng thái mở và đóng máy cắt liên lạc RE 45-36. Trên giao diện giám sát HMI dạng đồ họa 2D viết bằng Python và giao diện SCADA OneATS Grid Studio, các thanh cái từ Bus 1 đến Bus 6 được mô phỏng sinh động bằng bảng mã màu trạng thái: màu đỏ cảnh báo sụt áp khi điện áp nút dưới 0,95 pu, màu vàng khi tiệm cận ngưỡng và màu xanh chuẩn khi điện áp đạt từ 0,95 pu đến 1,05 pu. Dòng trào lưu công suất tác dụng (kW Flow) và phản kháng (kVAr Flow) được kết xuất chi tiết thành các bảng ma trận dữ liệu phân đoạn, giúp điều độ viên nắm bắt chính xác mức suy giảm tổn thất công suất trên từng km đường dây trong thời gian thực.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn quản lý vận hành lưới điện phân phối, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất như sau:

1. Tự động hóa điều khiển mạch vòng trung áp: Triển khai ứng dụng module học máy AI và thuật toán Cây quyết định vào hệ thống SCADA tại Trung tâm Điều khiển xa thuộc Công ty Điện lực Bắc Ninh. Mục tiêu đặt ra là tự động hóa khuyến nghị chuyển đổi cấu trúc lưới qua máy cắt liên lạc RE 45-36, phấn đấu cắt giảm chỉ số thời gian mất điện SAIDI của Điện lực Tiên Du từ mức 329,1 phút xuống dưới 100 phút/năm và chỉ số tần suất mất điện SAIFI xuống dưới 1,2 lần/năm trong giai đoạn 2024 - 2025. Đơn vị chủ trì thực hiện: Phòng Điều độ và Phòng Công nghệ thông tin Công ty Điện lực Bắc Ninh.

2. Cải tạo, nâng cấp tiết diện các trục đường dây mang tải cao: Tiến hành thay thế các tuyến dây nhôm trần cũ AC50 và AC70 đã vận hành lâu năm bằng dây nhôm lõi hợp kim bọc cách điện AAAC tiết diện từ 120 mm2 đến 185 mm2 cho các nhánh rẽ xung yếu như nhánh Lạc Vệ (dài 4,4 km) và nhánh Quảng Lãm (dài 4,5 km). Mục tiêu kỹ thuật là giảm hệ số mang tải của các xuất tuyến 471 và 477 từ mức trên 95% xuống dưới 70% vào trước quý IV/2024. Đơn vị chủ trì thực hiện: Ban Quản lý Dự án Điện lực Tiên Du phối hợp cùng Tổng công ty Điện lực miền Bắc (EVNNPC).

3. Trang bị rơ le bảo vệ kỹ thuật số SEL 421 và nền tảng OneATS: Chuẩn hóa hệ thống thiết bị đo lường, rơ le bảo vệ số SEL 421 và tích hợp cổng giao tiếp truyền thông FEP OneATS trên toàn bộ các trạm cắt trung áp 22 kV. Đảm bảo thời gian tác động loại trừ sự cố chọn lọc đạt dưới 80 mili giây và duy trì độ lệch điện áp nút luôn nằm trong biên độ cộng trừ 5% theo đúng quy chuẩn kỹ thuật của Bộ Công Thương từ năm 2024. Đơn vị chủ trì thực hiện: Phòng Kỹ thuật an toàn và Đội Quản lý vận hành lưới điện cao thế.

4. Quy hoạch và điều tiết tích hợp nguồn năng lượng phân tán (DERs): Ban hành quy chuẩn kỹ thuật yêu cầu các chủ đầu tư hệ thống điện mặt trời mái nhà công nghiệp quy mô từ 500 kWp đến 1 MW phải trang bị bộ biến tần nghịch lưu thông minh (Smart Inverter) có khả năng tham gia điều tiết công suất phản kháng theo biểu đồ điều độ linh hoạt. Mục tiêu nhằm kiểm soát tỷ lệ tổn thất điện năng toàn bộ lưới trung áp Tiên Du duy trì ổn định dưới mức 1,8% trong lộ trình từ nay đến năm 2026. Đơn vị chủ trì thực hiện: Ban Kỹ thuật Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) phối hợp cùng Sở Công Thương tỉnh Bắc Ninh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn thạc sĩ này mang giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc, phù hợp cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

1. Kỹ sư điều độ và nhân viên vận hành hệ thống điện phân phối: Cung cấp phương pháp luận và công cụ hỗ trợ ra quyết định khép/mở mạch vòng liên lạc trong các kịch bản quá tải hoặc sự cố đột xuất. Giúp đội ngũ điều độ viên tối ưu hóa phương thức vận hành lưới trung áp theo thời gian thực mà vẫn bảo đảm tuyệt đối tính an toàn kỹ thuật.

2. Cán bộ quản lý kỹ thuật và chuyên viên quy hoạch lưới điện tại các Công ty/Tổng công ty Điện lực: Làm tài liệu tham khảo giá trị trong việc phân tích trào lưu công suất trên phần mềm ETAP, đánh giá kinh tế - kỹ thuật khi lựa chọn vị trí lắp đặt máy cắt Recloser, tính chọn dung lượng nguồn điện mặt trời tối ưu nhằm giảm tổn thất điện năng và nâng cao các chỉ tiêu độ tin cậy SAIDI, SAIFI, MAIFI.

3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện: Cung cấp khung nghiên cứu hoàn chỉnh kết hợp giữa giải tích mạng truyền thống, công nghệ trí tuệ nhân tạo (ANN, Decision Tree) và thiết kế hệ thống nhúng (Jetson Xavier NX). Đây là nguồn tư liệu phong phú cho các đề tài phát triển hệ thống điện linh hoạt FDS tiếp cận Lưới điện thông minh.

4. Các kỹ sư tích hợp hệ thống SCADA và phát triển thiết bị tự động hóa lưới điện: Cung cấp hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về việc kết nối, lập trình và cấu hình thiết bị rơ le bảo vệ số SEL 421 thông qua phần mềm AcSELogic Quickset, OneATS Data Editor và xây dựng giao diện vận hành trực quan OneATS Grid Studio trong các môi trường công nghiệp thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống điện phân phối linh hoạt (FDS) khác biệt căn bản như thế nào so với lưới phân phối truyền thống? Lưới phân phối truyền thống vận hành theo cấu trúc hình tia hở cố định, dòng công suất chạy một chiều từ nguồn truyền tải dẫn đến tình trạng sụt áp lớn và tổn thất cao ở cuối tuyến. Mô hình FDS biến đổi mạng lưới thành cấu trúc mạch vòng linh hoạt, cho phép đóng cắt máy cắt liên lạc theo thời gian thực, chủ động hấp thụ nguồn năng lượng phân tán 1 MW và duy trì điện áp nút trong ngưỡng an toàn từ 0,95 pu đến 1,05 pu.

2. Việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) trên vi xử lý Jetson Xavier NX có tự động đóng cắt thiết bị trực tiếp trên lưới điện không? Thuật toán AI huấn luyện trên Jetson Xavier NX chỉ đóng vai trò trợ lý chuyên gia, tự động tính toán từ dữ liệu phụ tải tức thời và đưa ra khuyến nghị đóng/cắt RE 45-36 với độ chính xác 96,8%. Quyết định đóng cắt cuối cùng luôn do kỹ sư điều độ trực tiếp xác nhận trên giao diện phần mềm HMI hoặc SCADA, loại trừ hoàn toàn rủi ro thao tác sai và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho lưới điện.

3. Vì sao luận văn lựa chọn phần mềm ETAP làm công cụ giải tích trào lưu công suất mà không sử dụng các công cụ khác? Phần mềm ETAP tích hợp các thuật toán giải tích phi tuyến ưu việt như Newton-Raphson và Gauss-Seidel cải tiến, cho tốc độ hội tụ nhanh và độ chính xác cao đối với hệ thống đa nguồn. ETAP cho phép phân tích đồng thời trào lưu công suất, dòng ngắn mạch và phối hợp bảo vệ rơ le cho 6 nút phụ tải từ 800 kVA đến 2500 kVA, đồng thời hỗ trợ xuất dữ liệu tự động phục vụ đào tạo mạng nơ-ron Keras.

4. Làm thế nào để giải quyết tình trạng nhiều lộ đường dây trung áp tại Tiên Du mang tải trên 95%? Luận văn đề xuất kết hợp đồng bộ hai giải pháp kỹ thuật: khép mạch vòng liên lạc qua máy cắt RE 45-36 để chia sẻ tải giữa lộ 471 (mang tải 98%) và lộ 472, đồng thời huy động nguồn phân tán PVG 1 MW bù công suất tại chỗ. Phương pháp này giúp hạ tải cho đường dây trục xuống dưới 75% và giảm tổn thất kỹ thuật đường dây từ mức 2,81% xuống dưới 1,6%.

5. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch trên đường dây 22 kV, hệ thống bảo vệ số của mô hình FDS xử lý ra sao? Rơ le kỹ thuật số SEL 421 kết hợp phần mềm OneATS FEP áp dụng nguyên lý bảo vệ quá dòng có định hướng, phát hiện chính xác vùng sự cố tại Bus 4 trong thời gian chỉ 0,08 giây. Hệ thống lập tức cô lập phân đoạn đường dây bị lỗi, sau đó tự động điều khiển đóng máy cắt liên lạc mạch vòng RE 45-36 để cấp điện trở lại tức thì cho các phụ tải lành xung quanh.

Kết luận

• Luận văn chuẩn hóa thành công mô hình hệ thống điện phân phối linh hoạt (FDS) đại diện, giải quyết căn cơ bài toán quá tải 98% và sụt áp cuối tuyến trên lưới điện trung áp.
• Ứng dụng xuất sắc trí tuệ nhân tạo với mạng nơ-ron ANN và thuật toán Cây quyết định trên vi xử lý nhúng NVIDIA Jetson Xavier NX, đạt độ chính xác dự báo và phân loại tới 96,8%.
• Hiện thực hóa việc phối hợp bảo vệ chọn lọc và giám sát thời gian thực thông qua rơ le số SEL 421 và phần mềm SCADA OneATS Grid Studio với thời gian cô lập sự cố dưới 0,08 giây.
• Chứng minh hiệu quả giảm tổn thất kỹ thuật đường dây từ 2,81% xuống 1,54% và nâng điện áp nút từ mức suy giảm 0,88 pu lên dải định mức tối ưu 0,96 - 1,02 pu khi tích hợp nguồn phân tán 1 MW.
• Xây dựng thành công cầu nối kỹ thuật vững chắc giữa mô phỏng giải tích lý thuyết và thực nghiệm phần cứng công nghiệp, mở ra lộ trình thực tiễn để Tập đoàn Điện lực Việt Nam từng bước nâng cấp lên Lưới điện thông minh.

Đóng góp lớn nhất của công trình là đề xuất một giải pháp công nghệ toàn diện, khả thi về mặt kinh tế và kỹ thuật trong điều kiện hạ tầng hiện hữu của các công ty điện lực. Trong giai đoạn 2024 - 2026, hướng phát triển tiếp theo của đề tài là mở rộng thuật toán AI điều khiển tự động cho toàn bộ 29 xuất tuyến 22 kV tại tỉnh Bắc Ninh, đồng thời tích hợp thêm các kho lưu trữ năng lượng pin (BESS) và trạm sạc xe điện thông minh. Các kỹ sư vận hành, chuyên gia quy hoạch và các nhà nghiên cứu trong ngành điện lực hãy cùng khai thác, thử nghiệm và nhân rộng mô hình FDS tiên tiến này nhằm nâng tầm chất lượng dịch vụ năng lượng quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay, theo xu hƣớng chuyển dịch cơ cấu nguồn điện và tái cấu trúc lại hệ thống điện nói chung, đồng thời nâng cấp hệ thống điện phân phối theo hƣớng lƣới điện linh hoạt (FDS) tiếp cận đến lƣới điện thông minh (SG). Các nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu hóa thạch đƣợc thay thể bởi các nguồn điện tái tạo cùng với sự hỗ trợ của các nhà máy nhiệt điện khí đốt chu trình đơn (Brayton) và chu trình hỗn hợp (Brayton + Rankine),vv. Các thiết bị thu/phát công suất đƣợc sử dụng phổ biến đó là: Tích hợp các nguồn năng lƣợng linh hoạt bao gồm các máy phát điện phân tán, kho năng lƣợng, xe điện. Thêm nữa là các nguồn năng lƣợng phân tán đƣợc (có khả năng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng kết nối trong lƣới phân phối trung áp và lƣới hạ áp.

Điều này đòi hỏi tính linh hoạt đƣợc áp dụng ngày càng trở nên cần thiết trong các hệ thống điện phân phối. Ngoài ra một số lƣợng lớn trong các hệ thống năng lƣợng trong tƣơng lai cũng sẽ làm tăng các đòi hỏi về các hình thức lƣu trữ năng lƣợng khác nhau (điện, nhiệt, khí đốt/nhiên liệu) và tốc độ chuyển đổi cao hơn. Đồng thời kéo theo một loại giải pháp mới để tái tạo hoặc chuyển đổi ngƣợc lại thành điện từ năng lƣợng tái tạo đƣợc lƣu trữ. Trƣớc các thách thức trên đây, mô hình lƣới điện thông minh (SG) là mục tiêu hƣớng tới của các EDS, tuy nhiên còn phụ thuộc khả năng đáp ứng của mỗi quốc gia là khác nhau, đối với tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) trong điều kiện về tài chính và trình độ công nghệ hiện tại chƣa thể thiết lập ngay đƣợc mô hình SG, mà tính khả thi chỉ có thể là từng bƣớc tiếp cận.

Trên cơ sở thu thập dữ liệu thực tế và phân tích đối với các hệ thống điện phân phối khác nhau của một số công ty điện lực và hệ thống điện phân phối của Điện lực Tiên Du – Công ty điện lực Bắc Ninh. Đề tài đề xuất một hƣớng nghiên cứu tổng quát là xây dựng “mô hình hệ thống điện phân phối linh hoạt” viết tắt là FDS. Các kết quả nghiên cứu trên FDS có tính chất tƣơng đồng, đảm bảo đƣợc áp dụng một cách tƣơng tự cho các đa số các hệ thống điện phân phối trong thực tế, đảm bảo tính cập nhật, đƣơng đại phù hợp với xu hƣớng phát triển tiếp cận đến lƣới điện thông minh. Trong khi đó, thời đại công nghệ 4.0 đƣợc xem nhƣ luôn sẵn sàng đáp ứng những mục tiêu hiện đại hoá cả về cấu trúc và những giải pháp vận hành tốt nhất trong hệ thống điện nói chung và hệ thống điện phân phối nói riêng.

1 Từ các phân tích trên đây và căn cứ bối cảnh thực tế của hệ thống điện phân phối của Công ty điện lực Tiên Du, đề tài xác định mục tiêu và thực hiện nghiên cứu một số nội dung cụ thể sau: - Thiết lập một cách nhìn tổng quát về hệ thống điện phân phối, xây dựng một mô hình nghiên cứu FDS đại diện cho các EDS có trong thực tế. - Mô hình hoá FDS trên phần mềm ETAP và đề xuất một số giải pháp vận hành/điều khiển cho kết quả để nghiên cứu ứng dụng vào thực tế đối với lƣới điện trung áp Tiên Du. - Các nghiên cứu đƣợc thực hiện kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn trên mô hình thiết bị thực tại Phòng thí nghiệm ATS của bộ môn HTĐ trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp, Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu đƣợc xem nhƣ đã hiện thực hóa những ý tƣởng vận hành hiệu quả đối với các hệ thống điện phân phối trong hiện tại và lƣới điện thông minh trong tƣơng lai.

Trong phạm vi thời gian có hạn, điều kiện tài chính có giới hạn nên kết quả nghiên cứu của đề tài không tránh khỏi những thiết sót. Em xin cám ơn những ý kiến đóng góp của Hội đồng bảo vệ, cám ơn sự quan tâm của thầy cô bộ môn HTĐ và toàn thể các đơn vị của trƣờng đại học kỹ thuật công nghiệp TNUT. 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hệ thống điện phân phối và xu hƣớng phát triển 1.1 Tổng quan về hệ thống điện phân phối Trong một hệ thống điện quốc gia, hệ thống điện phân phối (EDS) đƣợc xem là bộ phận phức tạp nhất. Cấu trúc bản của một EDS có thể đƣợc mô tả nhƣ trên hình 1.

1 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điện 3 Trên thực tế, EDS lại thể hiện sự đa dạng về cấu trúc sơ đồ, đa dạng về nguồn cung cấp (nguồn lƣới và các loại nguồn phân tán), đa dạng số lƣợng và chủng loại thiết bị, v. Ngoài ra còn phải kể đến cơ cấu quản lý, phụ tải khách hàng, chế độ, trạng thái vận hành, các tác động nhiễu loạn trong vận hành,v. nhƣ chỉ ra trên các hình sau: hình 1. 2 Sơ đồ một sợi lưới điện phân phối Điện lực Mường La – PCSL 4 Hình 1.

3 Sơ đồ một sợi lưới điện 22 kV Điện lực thành phố Sầm Sơn – PCTH 5 Hình 1. 4 Sơ đồ một sợi lưới điện trung áp Tiên Du 6 Hình 1. 5 Biểu đồ phụ tải ngày điển hình (dữ liệu thực tế) Để phục vụ các nghiên cứu của đề tài này, các sơ đồ đƣợc chỉ ra trên đây chỉ giới hạn trong phạm vi của lƣới điện trung áp, còn mạng điện hạ áp và các phụ tải đƣợc xem nhƣ đã quy đổi về phía thanh cái 0,4 kV của các trạm biến áp phân phối. Một số đặc điểm chính của các EDS có thể nhận thấy nhƣ sau: 1- Lƣới điện trung áp đƣợc cung cấp bởi một TBA 110/35/22 kV bao gồm nhiều lộ đƣờng dây, mỗi lộ đƣợc phân phân đoạn bởi các cầu dao phụ tải (LBS) và các Máy cắt (RE).

Một số lộ đƣờng dây có thiết lập cấu trúc liên lạc mạch vòng đƣợc đóng/mở bởi (RE). Các LBS và RE đều có chức năng đo lƣờng, lƣu trữ và truyền thông. 2- Đồ thị phụ tải của các TBA cũng nhƣ các lộ đƣờng dây không cố định, có sự thay đổi theo thời gian trong ngày. Ví dụ nhƣ biểu đồ phụ tải đo đƣợc từ một TBA trong thực tế nhƣ trên hình 1.4 cho thấy: phụ tải không ổn định, biên độ thay đổi lớn giữa ngày và đêm (ΔU > ±10%).

Phụ tải lớn xuất hiện (Smax) vào những giờ cao điểm trong ngày, hệ số phụ tải cao Kptmax ≈ 1 làm cho điện áp tại nhiều nút phụ tải có giá trị rất thấp U% ≤ 0,9. Ngƣợc lại phụ tải giảm xuống rất thấp (Smin) vào khoảng thời gian (từ 0h giờ đến 4h) hệ số phụ tải rất thấp Kptmin ≈ 0,3. Cả hai chế độ làm việc này với Kptmax và Kptmin đều đƣợc xem là trạng thái cực đoan không mong muốn, làm tăng tổn thất và mất ổn định điện áp. 3- Trong HTĐ phân phối có tích hợp các nguồn phân tán, điển hình là 3 loại: PVG, WTG, SHP, ngoài ra còn phải kể đến các nguồn phát từ kho lƣu trữ năng lƣợng 7 dƣới các dạnh khác nhau nhƣ BESS hay các DERs.

Xét trong bài toán giải tích tính phân bố công suất và điện áp bus thì các nguồn DG kể trên có ảnh hƣởng nhƣ một thiết bị bù linh hoạt. Có khả năng phát cả về công suất tác dụng (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK) tùy theo trạng thái vận hành. Trƣớc bối cảnh này, các hệ thống điện phân phối hiện tại đã trở nên lỗi thời, cần thiết ra đời một mô hình mới cho công tác quản lý và vận hành đối với hệ thống điện phân phối. Đó là “Lƣới điện thông minh”.2 Tổng quan về lƣới điện thông minh Ngày nay, theo xu hƣớng phát triển của EDS các thiết bị thu/phát công suất đƣợc sử dụng phổ biến đó là [2]: Tích hợp các nguồn năng lƣợng linh hoạt bao gồm các máy phát điện phân tán (DG), kho năng lƣợng (ESs), xe điện (EV).

Khả năng điều khiển công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) của mạng lƣới phân phối (trung áp MV và điện áp thấp LV) đối với các nguồn năng lƣợng phân tán đƣợc kết nối (DERs). Tức là, tính linh hoạt đƣợc sử dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống điện trong tƣơng lai để quản lý sự không ổn định của nguồn năng lƣợng tái tạo và các thách thức liên quan đến sự thay đổi trong hệ thống. Ngoài việc tích hợp số lƣợng lớn về nguồn năng lƣợng tái tạo, phƣơng tiện giao thông vận tải và các quá trình công nghiệp hóa hay một số lƣợng lớn trong các hệ thống năng lƣợng trong tƣơng lai cũng sẽ làm tăng các đòi hỏi về tính linh hoạt, các hình thức lƣu trữ và chuyển đổi năng lƣợng khác nhau (điện, nhiệt, khí đốt/nhiên liệu) với các mức thời gian khác nhau (từ mili giây đến vài tháng). Đồng thời kéo theo một loại giải pháp mới để tái tạo hoặc chuyển đổi ngƣợc lại thành điện từ năng lƣợng tái tạo đƣợc lƣu trữ.

Mặt khác, sự phát triển của các hệ thống năng lƣợng thông minh sẽ cho phép chuyển đổi và tích hợp quy mô lớn các nguồn năng lƣợng tái tạo, cho phép cải thiện tính linh hoạt, hiệu quả khai thác năng lƣợng, tính bền vững và khả năng phục hồi của toàn bộ hệ thống năng lƣợng. Điều này có thể đƣợc kiểm soát bằng cách sử dụng: - Hệ thống công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) an toàn, tiên tiến và các nền tảng có thể tƣơng tác dựa trên các công nghệ mới nhƣ 5G / 6G, đám mây, lƣu trữ và phân tích dữ liệu lớn, trí tuệ nhân tạo (AI), máy học (ML). + Tăng cường kết nối giữa các mạng lưới điện, nhiệt, khí đốt, hydro và giao thông. 8 + Tích hợp các công nghệ lưu trữ năng lượng khác nhau (lưu trữ pin, lưu trữ nhiệt và chuyển đổi năng lượng hai chiều (power to-X-topower) - Áp dụng và kết hợp linh hoạt các cơ chế chính sách (pháp luật, thuế, v.), cơ chế thị trƣờng và những mô hình kinh doanh mới.

Trƣớc bối cảnh này, các hệ thống điện phân phối hiện tại đã trở nên lỗi thời, cần thiết ra đời một mô hình mới cho công tác quản lý và vận hành đối với hệ thống điện phân phối. Đó là “Lƣới điện thông minh”. Định nghĩa chính thức đầu tiên về Lƣới điện thông minh (SmartGrid) đƣợc cung cấp bởi Đạo luật Độc lập và An ninh Năng lƣợng năm 2007 (EISA-2007), đƣợc Quốc hội Hoa Kỳ phê chuẩn vào tháng1 năm 2007 và đƣợc Tổng thống George W. Bush ký thành luật vào tháng 12 năm 2007 bao gồm 10 luận điểm cấu thành nên định nghĩa cho một Lƣới thông minh [3], đó là: L1.