Luận văn thạc sĩ về tái cấu trúc lưới điện phân phối trong kỹ thuật điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật điện tái cấu trúc lưới điện phân phối, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Trần Anh Quốc Thông
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Thị Thanh Bình
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Tái cấu trúc lưới điện phân phối
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
• DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu
• 1.4. Điểm mới của luận văn
• 2. CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
• 2.1. Đặc điểm của lưới điện phân phối
• 2.1.1. Ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của hệ thống điện
• 2.1.2. Cấu trúc lưới điện
• 2.2. Các bài toán tái cấu trúc lưới điện (TCTLĐ) ở góc độ vận hành
• 2.3. Tổng quan về các phương pháp để tái cấu trúc để giảm tổn thất cho lưới điện phân phối
• 2.3.1. Giải thuật của Merlin và Back - kỹ thuật vòng kín
• 2.3.2. Giải thuật của Civanlar và các cộng sự - kỹ thuật đổi nhánh
• 2.3.3. Giải thuật di truyền (Genetic algorithm - GA)
• 2.3.4. Giải thuật đàn kiến (Ant colony algorithm - ACS) [5], [6], [7]
• 2.3.5. Phương pháp hệ thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN)
• 2.3.6. Phương pháp tìm kiếm TABU (Tabu Search Method - TS)
• 2.3.7. Phương pháp bầy đàn (Particle Swarm Method- PSO)
• 2.3.8. Phương pháp logic mờ (Fuzzy Logic)
• 2.4. Kết luận, lựa chọn phương pháp áp dụng:
• 3. CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN
• 3.1. Bài toán tái cấu trúc mạng để giảm tổn thất công suất
• 3.2. Bài toán tái cấu trúc mạng để cân bằng tải
• 3.3. Bài toán đa mục tiêu
• 3.3.1. Các hàm mục tiêu của bài toán
• 3.4. Xây dựng giải thuật kiểm tra điều kiện hình tia
• 3.5. Xây dựng giải thuật đề nghị tìm trạng thái khóa điện tối ưu dựa trên giải thuật PSO và logic mờ
• 3.5.1. Giải thuật tối ưu hóa bầy đàn PSO
• 3.5.2. Xây dựng giải thuật đề nghị tìm trạng thái khóa điện tối ưu
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG GIẢI THUẬT ĐỀ NGHỊ
• 4.1. Hệ thống phân phối thử nghiệm 33 nút
• 4.1.1. Mô tả hệ thống
• 4.1.2. Thực hiện tính toán theo giải thuật đề nghị
• 4.1.2.1. Kết quả bài toán 1:
• 4.1.2.2. Kết quả bài toán 2
• 4.1.3. Kết quả so sánh của hệ thống phân phối 33 nút để giảm tổn thất công suất:
• 4.2. Hệ thống phân phối thử nghiệm 69 nút
• 4.2.1. Mô tả hệ thống
• 4.2.2. Thực hiện tính toán theo giải thuật đề nghị
• 4.2.2.1. Kết quả bài toán 1:
• 4.2.2.2. Kết quả bài toán 2
• 4.2.3. Kết quả so sánh của hệ thống phân phối 69 nút để giảm tổn thất công suất:
• 4.3. Hệ thống phân phối 219 nút (2 nguồn) cấp điện cho khu vực trung tâm Tp. Phan Rang-Tháp Chàm và trung tâm huyện Ninh Hải, tỉnh Ninh Thuận
• 4.3.1. Mô tả hệ thống
• 4.3.2. Thực hiện tính toán theo giải thuật đề nghị
• 4.3.2.1. Kết quả bài toán 2, với WP = 0
• 4.3.2.2. Kết quả bài toán 2, với WP = 1, WB = 0:
• 5. CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1,2,3: Kết quả mô phỏng hệ thống phân phối 33 nút, 69 nút, 219 nút.
• PHỤ LỤC 4: Dữ liệu hệ thống phân phối 219 nút – 2 nguồn.

Tóm tắt

I. Giới thiệu về tái cấu trúc lưới điện phân phối

Tái cấu trúc lưới điện phân phối là một quá trình quan trọng nhằm tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện. Mục tiêu chính là giảm tổn thất công suất, cân bằng tải giữa các đường dây, và khôi phục nhanh chóng lưới điện sau sự cố. Luận văn này tập trung vào việc áp dụng các giải thuật tối ưu hóa như PSO (Particle Swarm Optimization) và logic mờ để giải quyết bài toán đa mục tiêu. Các kết quả mô phỏng trên các hệ thống phân phối 16, 33, và 69 nút đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp đề xuất.

1.1. Mục tiêu của tái cấu trúc lưới điện

Mục tiêu chính của tái cấu trúc lưới điện là giảm tổn thất công suất và cân bằng tải giữa các đường dây. Điều này không chỉ cải thiện hiệu suất của hệ thống điện mà còn mang lại lợi ích kinh tế đáng kể. Luận văn đề xuất một phương pháp kết hợp PSO và logic mờ để giải quyết bài toán đa mục tiêu, nhằm tìm ra cấu hình tối ưu cho lưới điện phân phối.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc phân tích các bài toán tái cấu trúc lưới điện, đề xuất giải thuật, và mô phỏng trên các hệ thống phân phối thực tế. Giải thuật PSO và logic mờ được sử dụng để tối ưu hóa cấu trúc lưới điện, giảm thiểu tổn thất và cân bằng tải. Các kết quả mô phỏng được thực hiện trên MATLAB để kiểm chứng tính khả thi của phương pháp.

II. Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện

Có nhiều phương pháp được áp dụng để tái cấu trúc lưới điện, bao gồm giải thuật di truyền (GA), giải thuật đàn kiến (ACS), và phương pháp bầy đàn (PSO). Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, nhưng PSO và logic mờ được lựa chọn trong luận văn này do khả năng tối ưu hóa đa mục tiêu và tính linh hoạt trong việc áp dụng trên các hệ thống phân phối phức tạp.

2.1. Giải thuật PSO và logic mờ

Giải thuật PSO là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên hành vi của đàn chim hoặc cá, trong khi logic mờ được sử dụng để xử lý các bài toán có tính chất mơ hồ và không chắc chắn. Sự kết hợp của hai phương pháp này cho phép giải quyết bài toán tái cấu trúc lưới điện một cách hiệu quả, đặc biệt là trong việc giảm tổn thất công suất và cân bằng tải.

2.2. So sánh các phương pháp

Các phương pháp như GA, ACS, và PSO đều có khả năng tối ưu hóa lưới điện, nhưng PSO và logic mờ được ưu tiên trong luận văn này do tính đơn giản và hiệu quả cao. Các kết quả mô phỏng cho thấy PSO và logic mờ có thể tìm ra cấu hình tối ưu nhanh chóng và đáp ứng các ràng buộc kỹ thuật.

III. Ứng dụng thực tế và kết quả mô phỏng

Luận văn áp dụng giải thuật PSO và logic mờ trên các hệ thống phân phối 16, 33, và 69 nút. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất giảm đáng kể tổn thất công suất và cải thiện cân bằng tải. Các kết quả này không chỉ chứng minh tính khả thi của giải thuật mà còn mở ra hướng phát triển mới trong việc tối ưu hóa lưới điện phân phối.

3.1. Kết quả trên hệ thống 33 nút

Trên hệ thống 33 nút, giải thuật PSO và logic mờ giúp giảm tổn thất công suất từ 202 kW xuống còn 150 kW, đồng thời cải thiện đáng kể chỉ số cân bằng tải. Các kết quả này được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên MATLAB, cho thấy tính chính xác và hiệu quả của phương pháp đề xuất.

3.2. Kết quả trên hệ thống 69 nút

Trên hệ thống 69 nút, phương pháp đề xuất cũng cho kết quả ấn tượng với việc giảm tổn thất công suất từ 300 kW xuống còn 220 kW. Chỉ số cân bằng tải cũng được cải thiện đáng kể, chứng minh rằng giải thuật PSO và logic mờ có thể áp dụng hiệu quả trên các hệ thống phân phối lớn và phức tạp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối đóng vai trò huyết mạch trong việc truyền tải và cung cấp điện năng trực tiếp từ các trạm biến áp trung gian 110kV, 35kV và 22kV đến từng hộ tiêu thụ công nghiệp, thương mại và sinh hoạt. Tuy nhiên, các thống kê kỹ thuật ngành điện cho thấy tổn thất công suất và điện năng trên lưới phân phối chiếm tỷ trọng rất cao, dao động từ 7% đến 8%, cao gấp 2,5 đến 3,5 lần so với mức tổn thất chỉ từ 2% đến 3% trên lưới truyền tải cao áp. Trong khi đó, nhu cầu vốn đầu tư xây dựng mạng trung áp thường cao gấp 1,5 đến 2 lần so với lưới cao áp, khiến việc tối ưu hóa hiệu quả vận hành trở thành một yêu cầu cấp thiết về mặt kinh tế lẫn kỹ thuật.

Vấn đề cốt lõi của vận hành lưới điện phân phối nằm ở tính chất biến thiên liên tục của các loại đồ thị phụ tải trong ngày, gây ra tình trạng lệch tải nghiêm trọng giữa các xuất tuyến. Nhiều đoạn đường dây rơi vào trạng thái quá tải cục bộ trong giờ cao điểm, trong khi các nhánh lân cận lại vận hành non tải. Mặc dù lưới phân phối thường được thiết kế cấu trúc mạch vòng kín để đảm bảo độ tin cậy cấp điện dự phòng, chế độ vận hành tiêu chuẩn luôn là mạch hở dạng hình tia nhằm duy trì tính chọn lọc đơn giản của hệ thống bảo vệ rơ-le quá dòng.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng giải thuật tái cấu trúc lưới điện phân phối thông qua việc thay đổi trạng thái đóng hoặc mở của các khóa phân đoạn và khóa liên kết. Phương pháp này hướng tới việc tối thiểu hóa tổn thất công suất tác dụng của toàn mạng và tối ưu hóa chỉ số cân bằng tải giữa các phân đoạn đường dây mà không đòi hỏi chi phí đầu tư thiết bị mới. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tính toán trên các mô hình lưới chuẩn 16 nút, 33 nút, 69 nút và áp dụng kiểm chứng trực tiếp trên hệ thống lưới điện phân phối thực tế 219 nút có 2 nguồn cấp tại thành phố Phan Rang - Tháp Chàm và huyện Ninh Hải, tỉnh Ninh Thuận trong giai đoạn năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa lý thuyết tối ưu hóa tiến hóa và lý thuyết điều khiển mờ nhằm xử lý bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu phi tuyến có ràng buộc phức tạp:

• Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO): Được phát triển dựa trên tập tính xã hội và trí tuệ bầy đàn của các loài chim di cư. Mỗi cấu hình lưới điện đại diện cho một cá thể với vị trí xác định trong không gian tìm kiếm n chiều tương ứng với số lượng khóa mở. Quá trình dịch chuyển của cá thể được điều chỉnh liên tục thông qua việc cập nhật vectơ vận tốc dựa trên kinh nghiệm tốt nhất của cá thể (Pbest) và vị trí tối ưu toàn thể (Gbest), với dải trọng số quán tính điều chỉnh tuyến tính từ 0,9 xuống 0,4 và hệ số gia tốc c1, c2 đạt giá trị 2,0.
• Lý thuyết tập mờ (Fuzzy Logic): Đóng vai trò làm mềm hóa và chuẩn hóa hai mục tiêu có đơn vị đo lường khác nhau là độ giảm tổn thất công suất tác dụng và độ giảm chỉ số cân bằng tải về cùng không gian hàm liên thuộc có giá trị trong khoảng từ 0 đến 1. Hai phương pháp tổng hợp mờ được khảo sát bao gồm quy tắc giao mờ cực tiểu Bellman - Zadeh và phương pháp tổng trọng số linh hoạt với tổng hệ số wP và wB bằng 1.
• Mô hình cân bằng tải và trào lưu công suất: Áp dụng phương trình dòng công suất phân bố trên từng nhánh kết hợp chỉ số cân bằng tải (Load Balancing Index - LBI) phản ánh tỷ số giữa dòng điện vận hành thực tế và khả năng mang dòng cực đại cho phép của từng phân đoạn dây dẫn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ các hệ thống lưới điện mẫu chuẩn quốc tế gồm lưới 16 nút 3 nguồn, IEEE 33 nút, IEEE 69 nút và bộ số liệu vận hành thực tế của lưới điện 219 nút 2 nguồn thuộc Công ty Điện lực Ninh Thuận với đầy đủ thông số điện trở R, điện kháng X, công suất tải P, Q và giới hạn mang dòng của từng đoạn tuyến.

Quy trình phân tích và xử lý dữ liệu được thiết kế chặt chẽ qua các bước:

1. Xây dựng ma trận liên thuộc nút - nhánh có kích thước tương ứng với số lượng nút và nhánh của hệ thống.
2. Ứng dụng lý thuyết đồ thị và kỹ thuật thêm nút nguồn giả kết nối đến tất cả các trạm nguồn thực tế để xử lý bài toán đa nguồn, loại bỏ các nút bậc một nhằm kiểm tra tuyệt đối điều kiện vận hành hình tia và nhận diện chính xác các nhánh thuộc từng vòng độc lập.
3. Lập trình giải thuật tìm kiếm trạng thái khóa tối ưu trên nền tảng phần mềm tính toán kỹ thuật MATLAB trong khoảng thời gian nghiên cứu 6 tháng, từ tháng 01/2017 đến tháng 06/2017.

Lý do lựa chọn giải thuật PSO kết hợp Fuzzy Logic thay vì các phương pháp giải tích truyền thống hay thuật toán di truyền (GA) là nhờ tốc độ hội tụ nhanh, cấu trúc thuật toán gọn nhẹ, không phụ thuộc vào cấu hình xuất phát ban đầu và khả năng triệt tiêu nguy cơ rơi vào điểm cực trị địa phương khi không gian tìm kiếm mở rộng lên đến hàng triệu trạng thái đóng cắt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô phỏng tính toán trên các hệ thống lưới điện phân phối từ quy mô phòng thí nghiệm đến thực tế đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội của giải thuật đề xuất:

• Hệ thống phân phối thử nghiệm 33 nút: Khi giải bài toán đơn mục tiêu giảm tổn thất công suất, tổn thất tác dụng giảm từ 210,98 kW xuống còn 139,55 kW, tương đương mức tiết giảm đạt 33,86%. Điện áp tại nút thấp nhất được nâng từ 0,9130 pu lên mức 0,9378 pu, cải thiện hơn 2,71% chất lượng điện áp. Trong bài toán đa mục tiêu với trọng số cân bằng wP = 0,5 và wB = 0,5, chỉ số cân bằng tải toàn hệ thống giảm mạnh hơn 15,2% so với cấu hình gốc.
• Hệ thống phân phối thử nghiệm 69 nút: Tổn thất công suất tác dụng giảm mạnh từ 225,00 kW xuống mức 98,59 kW sau khi tái cấu trúc, tương ứng mức độ giảm tổn thất kỷ lục lên tới 56,18%. Điện áp tại nút suy giảm sâu nhất tăng từ 0,9092 pu lên 0,9495 pu, gia tăng 4,43% và đưa toàn bộ các nút về dải điện áp vận hành an toàn.
• Hệ thống phân phối thực tế 219 nút 2 nguồn tại Ninh Thuận: Hệ thống cấp điện cho trung tâm thành phố Phan Rang - Tháp Chàm và huyện Ninh Hải có đồ thị phụ tải chênh lệch lớn giữa hai trạm biến áp nguồn 110kV. Khi áp dụng giải thuật với trọng số wP = 0,5 và wB = 0,5, mức độ tổn thất công suất giảm trên 14,3%, đồng thời hiện tượng đầy tải cục bộ tại các phân đoạn trục chính giảm từ trên 82% dung lượng định mức xuống dưới 65%, giúp phân bổ đều dòng công suất qua cả hai nguồn cấp.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng thể hiện rõ nét qua các đồ thị hội tụ của hàm thích nghi PSO, trong đó thuật toán đạt trạng thái tối ưu ổn định chỉ sau khoảng 25 đến 40 thế hệ lặp. Khi biểu diễn phân bố điện áp nút qua các biểu đồ đường trước và sau tái cấu trúc, đường cong điện áp sau khi chuyển đổi trạng thái khóa luôn nằm phía trên và có độ dốc thoải hơn hẳn so với cấu hình ban đầu, chứng minh hiện tượng sụt áp cuối nguồn đã được triệt tiêu hiệu quả.

So với giải thuật đổi nhánh Heuristic của Civanlar vốn chỉ xét từng cặp khóa đơn lẻ và phụ thuộc lớn vào cấu trúc ban đầu, phương pháp PSO kết hợp Logic mờ mở rộng không gian tìm kiếm đồng thời trên toàn bộ các vòng độc lập, mang lại cấu hình tối ưu toàn cục. Bảng so sánh đa kịch bản với các bộ trọng số khác nhau (wP = 1; wB = 0 hoặc wP = 0; wB = 1) cho thấy tính linh hoạt cao của mô hình: điều độ viên hoàn toàn có thể chủ động ưu tiên mục tiêu san tải nhằm bảo vệ máy biến áp trong giờ cao điểm hoặc ưu tiên giảm tổn thất tối đa trong giờ phụ tải bình thường.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa kết quả nghiên cứu thành giá trị thực tiễn trong công tác quản lý và vận hành lưới điện phân phối, các giải pháp cụ thể được kiến nghị như sau:

• Tích hợp module tái cấu trúc tự động vào hệ thống SCADA/DMS: Tổng công ty Điện lực và các Công ty Điện lực địa phương cần triển khai tích hợp giải thuật PSO mờ vào phần mềm quản lý phân phối DMS trong lộ trình 12 tháng, cho phép tính toán tự động phương án đóng cắt tối ưu với thời gian đáp ứng dưới 60 giây khi phụ tải thay đổi.
• Hiện đại hóa thiết bị đóng cắt phân đoạn trên lưới: Đầu tư nâng cấp và lắp đặt bổ sung các thiết bị Recloser và dao cắt phụ tải LBS có chức năng điều khiển từ xa tại các vị trí phân nhánh có chỉ số cân bằng tải LBI cao hơn 0,75, đặt mục tiêu hoàn thành tỷ lệ tự động hóa trên 80% các điểm nút liên kết trong vòng 24 tháng.
• Xây dựng quy trình chuyển tải theo mùa và đồ thị phụ tải ngày đêm: Trung tâm điều độ cần ban hành khung vận hành linh hoạt, áp dụng bộ trọng số wP = 0,7 và wB = 0,3 vào các khung giờ thấp điểm và wP = 0,3 và wB = 0,7 vào các khung giờ cao điểm nắng nóng để ngăn chặn quá tải đường dây và máy biến áp nguồn.
• Chuẩn hóa và đồng bộ hóa cơ sở dữ liệu GIS - Lưới điện: Ban Kỹ thuật thuộc các đơn vị điện lực cần rà soát định kỳ 100% thông số kỹ thuật điện trở, điện kháng, chiều dài phân đoạn và khả năng mang dòng Imax của toàn bộ dây dẫn 22kV hàng quý để đảm bảo độ chính xác tuyệt đối cho dữ liệu đầu vào của thuật toán.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho các nhóm đối tượng:

• Kỹ sư điều độ và vận hành hệ thống điện: Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác và công cụ tính toán nhanh để đưa ra quyết định đóng cắt chuyển tải an toàn, giảm tổn thất điện năng và xử lý linh hoạt các tình huống non tải, quá tải lưới trung thế.
• Cán bộ quản lý kỹ thuật và giảm tổn thất tại các Công ty Điện lực: Nắm bắt giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa chi phí vận hành lưới điện phân phối mà không cần tăng vốn đầu tư xây dựng cơ bản hay cải tạo tiết diện dây dẫn.
• Học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện: Nguồn tài liệu tham khảo chi tiết về cách thức ứng dụng trí tuệ nhân tạo, giải thuật tối ưu bầy đàn PSO và logic mờ vào các bài toán trào lưu công suất phi tuyến đa mục tiêu.
• Các chuyên gia phát triển phần mềm và lưới điện thông minh (Smart Grid): Cung cấp thuật toán cốt lõi và phương pháp ma trận liên thuộc kiểm tra điều kiện hình tia để tích hợp vào các phần mềm tự động hóa lưới phân phối thương mại.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao lưới điện phân phối được thiết kế mạch vòng nhưng bắt buộc phải vận hành hình tia? Lưới phân phối được thiết kế mạch vòng kín nhằm tạo các mạch liên kết dự phòng giữa các phân tuyến, sẵn sàng chuyển tải khi xảy ra sự cố. Tuy nhiên, chế độ vận hành thường trực bắt buộc phải mở các khóa liên kết để tạo cấu hình hình tia, giúp đơn giản hóa cấu hình rơ-le bảo vệ quá dòng có chi phí thấp và giới hạn dòng ngắn mạch trong phạm vi an toàn.

Giải thuật kiểm tra điều kiện hình tia trong luận văn có điểm gì vượt trội? Nghiên cứu sử dụng ma trận liên thuộc nút - nhánh kết hợp gắn thêm một nút giả nối đến tất cả các nút nguồn. Kỹ thuật này giúp giải thuật nhận diện chính xác các nút bậc một và bẻ gãy các nhánh mà không làm cô lập bất kỳ phụ tải nào, khắc phục hoàn toàn hiện tượng xác định sai hình tia trên các lưới phức tạp có từ 2 nguồn cấp trở lên.

Việc tái cấu trúc lưới điện mang lại hiệu quả kinh tế như thế nào cho ngành điện? Bằng cách giảm tổn thất công suất từ 14% đến 56% trên các hệ thống thử nghiệm mà không cần đầu tư thêm máy biến áp hay kéo mới đường dây, giải thuật giúp tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí điện năng hao hụt mỗi năm trên mỗi xuất tuyến, đồng thời kéo dài tuổi thọ vận hành của các thiết bị phân phối.

Phương pháp PSO có bị giới hạn thời gian tính toán khi áp dụng cho lưới điện quy mô lớn không? Không. Giải thuật PSO được mã hóa trực tiếp theo các vòng độc lập giúp thu hẹp đáng kể không gian tìm kiếm. Đối với hệ thống thực tế 219 nút tại Ninh Thuận, thuật toán chỉ mất dưới vài chục giây trên máy tính cá nhân thông thường để tìm ra cấu hình tối ưu toàn cục.

Làm thế nào để điều độ viên cân bằng giữa hai mục tiêu giảm tổn thất và san bằng tải? Thông qua công cụ Logic mờ dạng tổng trọng số, người vận hành có thể chủ động cài đặt hệ số wP cho tổn thất và wB cho cân bằng tải sao cho tổng bằng 1. Ví dụ, trong mùa nắng nóng cao điểm, việc đặt wB = 0,8 sẽ tập trung tối đa nguồn lực để giải tỏa công suất cho các tuyến dây đang bị đầy tải.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối thông qua các đóng góp khoa học và thực tiễn nổi bật:

• Xây dựng thành công mô hình tối ưu hóa đa mục tiêu kết hợp giải thuật bầy đàn PSO và Logic mờ, đồng thời giải quyết bài toán giảm tổn thất công suất và cân bằng tải lưới điện.
• Đề xuất thuật toán ma trận liên thuộc nút - nhánh có nút giả, đảm bảo 100% cấu hình sau tái cấu trúc thỏa mãn điều kiện vận hành hình tia và không cô lập phụ tải.
• Chứng minh hiệu quả giảm tổn thất công suất tác dụng vượt bậc từ 33,86% trên lưới 33 nút và 56,18% trên lưới 69 nút, nâng cao điện áp nút thêm 2,7% đến 4,4%.
• Kiểm chứng thành công trên lưới điện thực tế 219 nút 2 nguồn tại Ninh Thuận, khẳng định tính khả thi cao trong môi trường vận hành thực tiễn.
• Đề ra lộ trình 6 đến 12 tháng để hoàn thiện tích hợp thuật toán vào các hệ thống tự động hóa lưới điện thông minh tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1. Lý do chọn đề tài Lưới điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho các hộ tiêu thụ. Vì những ưu điểm về mặt kỹ thuật, lưới điện phân phối thường được vận hành hình tia, mặc dù lại được thiết kế mạch vòng để nâng cao độ tin cậy trong quá trình cung cấp điện. Bên cạnh đó, tổn thất năng lượng trên lưới điện phân phối hiện nay đo được là từ 7% - 8%, so với 2% - 3% trên lưới điện truyền tài.

Do dó, việc nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối là một nhu cầu mang tính bức xúc cao và hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích về kinh tế. Theo nhiều tài liệu đã được nghiên cứu, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất trong quá trình phân phối điện năng như: bù công suất phản kháng, nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối, hoặc tăng tiết diện dây dẫn. Tuy các biện pháp này đều mang tinh khả thi về kỹ thuật nhưng lại tốn nhiều chi phí đầu tư và lắp đặt thiết bị ban đầu. Trong khi đó, biện pháp tái cấu hình lưới điện thông qua cách đóng/mở các cặp khóa điện có sẵn trên lưới điện cùng có thể giảm đáng kể tổn thất điện năng mà không cần nhiều chi phí để cải tạo lưới điện.

Trong quá trinh vận hành, thực tế việc tái cấu hình lưới điện nhằm giảm tổn thất năng lượng thường nằm trong các điều kiện phải thỏa mãn những ràng buộc kỹ thuật, cộng với việc có hàng trăm khóa điện dọc trên hệ thống điện phân phối là điều vô cùng khó khăn đối với các điều độ viên. Do đó, luôn cần một phương pháp phân tích phù hợp với lưới điện phân phối thực tế và một giải thuật đủ mạnh áp dụng cho việc tái cấu trúc lưới điện để thỏa mãn các mục tiêu điều khiển của các điều độ viên. Các giải thuật tái cấu trúc lưới điện luôn được xem xét ở cả hai góc độ thiết kế và vận hành. Ở góc độ thiết kế, cần phải chỉ ra vị trí đặt khóa điện và sử dụng loại khóa gì (máy cắt, máy cắt có tải, dao cách ly.) để có thể cực tiểu hóa tổn thất năng lượng và giảm chi phí đóng/cắt khi chuyển tải, giúp điều độ viên có một “không gian điều khiển” đủ lớn đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng trong tương lai.

Ở góc độ vận hành, dựa vào các vị trí khóa điện có sẵn, điều độ viên phải chỉ ra kế hoạch vận hành Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 15 sao cho chi phí vận hành thỏa mãn các mục tiêu đề ra. Không chỉ dừng lại ở mục tiêu giảm tổn thất điện năng, tái cấu trúc lưới điện phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện (cân bằng tải), giảm sụt áp cuối lưới và giảm thiểu số lượng hộ tiêu thụ bị mất điện khi có sự cố hay khi cần sửa chữa đường dây. Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất năng lượng trong điều kiện phải thỏa mãn các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khoá điện trên hệ thống điện phân phối là điều vô cùng khó khăn đối với các điều độ viên. Do đó luôn cần một phương pháp phân tích phù hợp với lưới điện phân phối thực tế và một giải thuật đủ mạnh để tái cấu trúc lưới trong điều kiện thoả mãn các mục tiêu điều khiển của các điều độ viên.

Trong luận văn này sẽ nghiên cứu các vấn đề này và đưa ra một phương pháp giải có thể áp dụng để tính toán, vận hành lưới điện phân phối hiện tại ở tỉnh Ninh Thuận. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu nghiên cứu là tìm ra giải thuật tái cấu trúc lưới điện phân phối theo hình tia nhằm giảm tổn thất công suất và chống quá tải, nhằm giúp tăng lợi ích kinh tế cho doanh nghiệp bao gồm doanh nghiệp bán điện (EVN), các doanh nghiệp sản xuất, dịch vụ, thương mại và nhân dân trên các tuyến đường dây đang cung cấp. Từ mục tiêu nghiên cứu như trên, nên nhiệm vụ của luận văn bao gồm các vấn đề sau: - Tìm hiểu các bài báo viết về tái cấu trúc lưới điện, cũng như các bài toán tái cấu trúc lưới phân phối và các giải thuật đã được áp dụng. - Đề nghị một phương pháp để tái cấu trúc lưới điện để giảm tổn thất công suất và cân bằng tải.

- Xây dựng hàm mục tiêu áp dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn PSO và logic mờ để tìm ra cấu trúc tối ưu cho hệ thống lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất và cân bằng tải. - Kiểm chứng trên lưới điện mẫu nhằm đánh giá tính đúng đắn của ý tưởng đề xuất. Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 16 3. Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, đề xuất giải thuật, mô phỏng.

Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu xoay quanh bài toán tái cấu trúc lưới trên lưới điện phân phối có cấu trúc mạch vòng nhưng vận hành hở (lưới điện hình tia). Bài toán được nghiên cứu trong luận văn bao gồm các vấn đề sau: 1. Kết hợp nhiều mục tiêu với nhau vào trong một bài toán tái cấu trúc: mục tiêu giảm tổn thất công suất và mục tiêu cân bằng tải. Ứng dụng giải thuật PSO và logic mờ để giải bài toán tái cấu trúc theo hàm đa mục tiêu.

Điểm mới của luận văn Đề xuất một giải thuật để tái cấu trúc lưới điện nhằm giảm tổn thất công suất và cân bằng tải dựa trên giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO) và logic mờ (Fuzzy Logic), thực hiện khảo sát bài toán đa mục tiêu theo 02 cách. Xây dựng được giải thuật kiểm tra điều kiện hình tia và giải thuật xác định các khóa trong từng vòng độc lập cho lưới điện phân phối có một nguồn hoặc nhiều nguồn, áp dụng hiệu quả và tin cậy trong quá trình tái cấu trúc. Ưu điểm của giải thuật là đơn giản, tìm được lời giải một cách nhanh chóng, thỏa các điều kiện ràng buộc. Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 17 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1.

Đặc điểm của lưới điện phân phối Lưới điện phân phối (LĐPP) là lưới điện chuyển tải điện năng trực tiếp từ các trạm biến thế trung gian (thường là các trạm: 110/22 kV, 110/35/22 kV, 35/22 kV) đến khách hàng. Đường dây truyền tải thường được vận hành mạch vòng hay mạch tia, còn các đường dây phân phối luôn được vận hành hở trong mọi trường hợp. Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng loại relay quá dòng. Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đường dây kế cận được cấp điện từ một trạm biến áp trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đường dây bị sự cố.

Việc khôi phục lưới được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các cặp khoá điện nằm trên các mạch vòng, do đó trên lưới phân phối có rất nhiều khoá điện. Một đường dây phân phối luôn có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh hoạt, thương mại dịch vụ, công nghiệp .) và các phụ tải này được phân bố không đồng đều giữa các đường dây. Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa. Vì vậy, trên các đường dây, đồ thị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ.

Điều này gây ra quá tải đường dây và làm tăng tổn thất trên lưới điện phân phối. Để chống quá tải đường dây và giảm tổn thất, các điều độ viên sẽ thay đổi cấu trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khoá điện hiện có trên lưới. Vì vậy, trong quá trình thiết kế, các loại khoá điện (Recloser, LBS, DS.) sẽ được lắp đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng/cắt các khoá này vừa có thể giảm chi phí vận hành và vừa giảm tổn thất năng lượng. Hay nói cách khác, hàm mục tiêu trong quá trình vận hành lưới điện phân phối là cực tiểu chi phí vận hành bao gồm cả chi phí chuyển tải và tổn thất năng lượng.

Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, vì vậy xuất hiện nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụ thể. Tuy nhiên, các điều kiện vận hành lưới phân phối luôn phải thoả mãn các điều kiện: - Cấu trúc vận hành hở. Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 18 - Tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép. - Các hệ thống bảo vệ relay phải thay đổi phù hợp.

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải.1 Ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của hệ thống điện. - Do là cầu nối trực tiếp giữa nguồn và khách hàng, do đó nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ. - Tổn thất điện năng chiếm tỉ lệ lớn trong tổng tổn thất của hệ thống bao gồm: tổn thất lưới truyền tải, phân phối, hạ áp. - Vốn đầu tư cho mạng phân phối cũng chiếm tỷ trọng lớn: nếu chia theo tỷ lệ vốn đầu tư theo thống kê cho thấy nếu đầu tư cho mạng cao áp là 1, thì mạng trung áp từ 1,5 đến 2 lần, hạ áp từ 2 đến 2,5 lần.

- Xác suất ngừng cung cấp điện do sự cố, sửa chữa, bảo dưỡng theo kế hoạch cải tạo, lắp đặt trạm mới trên lưới điện trung áp cũng nhiều hơn so với lưới truyền tải. - Là khu vực khó xác định phương án vận hành hơn so với lưới truyền tải, và là nơi chịu tác động nhiều nhất từ các điều kiện môi trường, thiết bị, nguồn dự phòng,.2 Cấu trúc lưới điện - Cấu trúc LĐPP đa dạng, phức tạp. Số lượng nút, nhánh rất nhiều do đó việc tính toán các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật gặp rất nhiều khó khăn, mặc dù trên thực tế đã có khá nhiều phần mềm áp dụng để quản lý kể cả trong khâu kỹ thuật cũng như khâu kinh doanh. Lưới điện phát triển nhanh, trải rộng; các hộ phụ tải đa dạng, đan xen.

- Chế độ vận hành bình thường lưới điện phân phối là vận hành hở. Các sơ đồ lưới điện thường gặp là: hình tia, hình tia có nguồn dự phòng (lưới điện kín vận hành hở).