Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện phân phối đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp điện năng đến người tiêu dùng cuối cùng. Tại huyện Hòn Đất, tỉnh Kiên Giang, lưới điện phân phối hiện đang đối mặt với nhiều thách thức như tổn thất công suất cao, mất cân bằng tải giữa các đường dây và khả năng khôi phục lưới điện sau sự cố còn hạn chế. Theo số liệu năm 2017, tỷ lệ tổn thất điện năng của Điện lực Hòn Đất đạt khoảng 6%, cao hơn mức trung bình của Công ty Điện lực Kiên Giang là 5,62%. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển giải thuật tái cấu hình lưới điện nhằm giảm tổn thất công suất trung áp, cân bằng tải và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện huyện Hòn Đất. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưới điện phân phối trung thế và hạ thế của Điện lực Hòn Đất, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn 2016-2017. Việc tái cấu hình lưới điện không chỉ giúp giảm tổn thất điện năng mà còn cải thiện các chỉ số độ tin cậy như SAIDI, SAIFI, MAIFI, góp phần đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội địa phương một cách 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 nghiên cứu về tái cấu hình lưới điện phân phối, tập trung vào các bài toán tối ưu hóa tổn thất công suất và cân bằng tải. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Giải thuật Merlin và Back: Phương pháp này bắt đầu bằng việc đóng tất cả các khóa điện để tạo thành một lưới kín, sau đó mở lần lượt các khóa có dòng điện nhỏ nhất để tạo thành lưới dạng hình tia, nhằm giảm tổn thất công suất. Giải thuật này được chỉnh sửa để xét đến điện áp tại các trạm trung gian và các yếu tố dòng điện, giúp nâng cao độ chính xác.

  • Bài toán đa mục tiêu trong tái cấu hình lưới điện: Bao gồm các mục tiêu giảm tổn thất công suất, cân bằng tải giữa các đường dây và máy biến áp, giảm sụt áp cuối lưới, và giảm số lần thao tác đóng cắt. Hàm mục tiêu đa mục tiêu được xây dựng nhằm đồng thời tối ưu các yếu tố này, tuy nhiên việc xác định trọng số phù hợp là thách thức lớn do đặc thù từng khu vực và thời điểm vận hành.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: tổn thất công suất (∆P), tổn thất điện năng (∆A), cân bằng tải, cấu hình lưới điện, khóa điện đóng/mở, và các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện như SAIDI, SAIFI, MAIFI.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ hệ thống đo đếm điện năng (CMIS, AMISS, APPMETER, ADAS) của Điện lực Hòn Đất, bao gồm thông số phụ tải, điện áp, dòng điện và trạng thái các thiết bị đóng cắt. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ lưới điện phân phối trung thế và hạ thế với 750 trạm biến áp và 143 thiết bị đóng cắt bảo vệ.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm mô phỏng PSS/ADEPT để xây dựng mô hình lưới điện thực tế, tính toán phân bố công suất, tổn thất điện năng theo từng giờ trong ngày, và đánh giá hiệu quả các phương án tái cấu hình. Giải thuật Merlin và Back được áp dụng để tìm cấu hình tối ưu khóa điện nhằm giảm tổn thất công suất và cân bằng tải. Quá trình nghiên cứu diễn ra trong khoảng thời gian từ năm 2016 đến 2017, với các bước chính gồm xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất phương án tái cấu hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm tổn thất điện năng sau tái cấu hình: Qua mô phỏng trên phần mềm PSS/ADEPT, tổn thất điện năng trên tuyến 474 giảm từ khoảng 6% xuống còn gần 4,5% sau khi thực hiện tái cấu hình, tương đương giảm khoảng 25%. Tương tự, các tuyến 476 và 478 cũng ghi nhận mức giảm tổn thất từ 5,8% xuống còn 4,7%.

  2. Cân bằng tải giữa các đường dây: Việc tái cấu hình giúp phân phối lại công suất tiêu thụ giữa các tuyến dây, giảm hiện tượng quá tải cục bộ. Ví dụ, tải trên tuyến 474RG giảm 15% trong khi tuyến 474Hòn Đất tăng nhẹ nhưng vẫn trong giới hạn cho phép, giúp nâng cao khả năng vận hành ổn định.

  3. Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện: Các chỉ số SAIDI, SAIFI được cải thiện rõ rệt sau tái cấu hình, giảm thời gian mất điện trung bình và tần suất mất điện của khách hàng. Cụ thể, SAIDI giảm khoảng 10%, SAIFI giảm 8% so với trước khi tái cấu hình.

  4. Hiệu quả tính toán và vận hành: Giải thuật Merlin và Back kết hợp với phần mềm PSS/ADEPT cho phép tìm ra cấu hình tối ưu trong thời gian hợp lý, vượt trội hơn các phương pháp thuần túy heuristics về chất lượng giải pháp và tốc độ tính toán.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tổn thất điện năng là do tái cấu hình lưới điện giúp cân bằng tải giữa các đường dây, giảm dòng điện chạy qua các đoạn dây có tổn thất cao. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với các báo cáo của ngành điện về hiệu quả của giải thuật Merlin và Back trong việc tối ưu hóa lưới điện phân phối. Việc sử dụng phần mềm PSS/ADEPT giúp mô phỏng chính xác các thông số vận hành, từ đó đưa ra các phương án vận hành tối ưu.

Biểu đồ so sánh tổn thất điện năng trước và sau tái cấu hình có thể minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp, đồng thời bảng số liệu chi tiết về các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện giúp đánh giá toàn diện tác động của tái cấu hình. Kết quả cũng cho thấy việc đầu tư cải tạo lưới điện bằng phương pháp tái cấu hình là giải pháp kinh tế hiệu quả, không đòi hỏi chi phí lớn như nâng cấp thiết bị hay thay đổi kết cấu lưới.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng giải thuật tái cấu hình lưới điện trên diện rộng: Khuyến nghị các đơn vị điện lực tại Kiên Giang và các tỉnh lân cận áp dụng giải thuật Merlin và Back kết hợp phần mềm PSS/ADEPT để giảm tổn thất điện năng và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Nâng cấp hệ thống đo đếm và giám sát lưới điện: Đầu tư hoàn thiện hệ thống đo đếm điện năng và SCADA để thu thập dữ liệu chính xác, phục vụ cho việc tái cấu hình tự động và vận hành tối ưu, nhằm giảm thời gian mất điện và chi phí vận hành.

  3. Đào tạo nhân viên vận hành và kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phương pháp tái cấu hình lưới điện và sử dụng phần mềm mô phỏng cho đội ngũ kỹ thuật viên, đảm bảo vận hành lưới điện hiệu quả và kịp thời xử lý sự cố.

  4. Xây dựng kế hoạch bảo trì và kiểm tra định kỳ các thiết bị đóng cắt: Đảm bảo các khóa điện hoạt động ổn định, giảm thiểu rủi ro trong quá trình tái cấu hình và khôi phục lưới điện sau sự cố, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trong vòng 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên viên vận hành lưới điện phân phối: Nắm bắt phương pháp tái cấu hình lưới điện hiệu quả, áp dụng vào thực tế để giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Hiểu rõ các giải pháp kỹ thuật và kinh tế trong quản lý vận hành lưới điện, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển hạ tầng điện năng bền vững.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo các mô hình, giải thuật và phương pháp mô phỏng hiện đại trong lĩnh vực tái cấu hình lưới điện phân phối.

  4. Các công ty tư vấn và thiết kế hệ thống điện: Áp dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế các hệ thống lưới điện phân phối tối ưu, phù hợp với đặc thù vùng miền và yêu cầu vận hành thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tái cấu hình lưới điện là gì và tại sao cần thiết?
    Tái cấu hình lưới điện là quá trình thay đổi trạng thái đóng/mở của các khóa điện trên lưới để tối ưu hóa vận hành, giảm tổn thất điện năng và cân bằng tải. Đây là giải pháp hiệu quả giúp nâng cao độ tin cậy và chất lượng cung cấp điện mà không cần đầu tư lớn vào hạ tầng mới.

  2. Giải thuật Merlin và Back hoạt động như thế nào?
    Giải thuật bắt đầu bằng việc đóng tất cả các khóa điện để tạo thành lưới kín, sau đó mở lần lượt các khóa có dòng điện nhỏ nhất để tạo thành lưới dạng hình tia, nhằm giảm tổn thất công suất. Phương pháp này đơn giản, hiệu quả và phù hợp với nhiều loại lưới điện phân phối.

  3. Phần mềm PSS/ADEPT có vai trò gì trong nghiên cứu?
    PSS/ADEPT là công cụ mô phỏng và phân tích lưới điện phân phối, giúp tính toán phân bố công suất, tổn thất điện năng và đánh giá hiệu quả các phương án tái cấu hình. Phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình lưới điện thực tế với các thông số kỹ thuật chính xác.

  4. Lợi ích kinh tế của việc tái cấu hình lưới điện là gì?
    Tái cấu hình giúp giảm tổn thất điện năng, từ đó giảm chi phí vận hành và hao hụt điện năng. Ngoài ra, việc cân bằng tải và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện còn giảm thiểu thiệt hại do mất điện, góp phần tăng hiệu quả kinh tế cho ngành điện và khách hàng.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Cần phối hợp giữa các đơn vị điện lực, nhà quản lý và kỹ thuật viên để triển khai giải thuật tái cấu hình trên hệ thống lưới điện hiện có, đồng thời nâng cấp hệ thống đo đếm và giám sát, đào tạo nhân lực và xây dựng quy trình vận hành phù hợp.

Kết luận

  • Luận văn đã phát triển và áp dụng thành công giải thuật Merlin và Back kết hợp phần mềm PSS/ADEPT để tái cấu hình lưới điện phân phối huyện Hòn Đất, giảm tổn thất điện năng từ khoảng 6% xuống còn gần 4,5%.
  • Việc tái cấu hình giúp cân bằng tải giữa các tuyến dây, nâng cao khả năng vận hành ổn định và cải thiện các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện như SAIDI, SAIFI.
  • Phương pháp nghiên cứu và giải thuật được đánh giá vượt trội về chất lượng giải pháp và hiệu quả tính toán so với các phương pháp truyền thống.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, góp phần giảm chi phí vận hành và nâng cao chất lượng dịch vụ điện tại địa phương.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi giải pháp tái cấu hình lưới điện trong ngành điện, đồng thời nâng cấp hệ thống đo đếm và đào tạo nhân lực để đảm bảo vận hành hiệu quả.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các đơn vị điện lực để triển khai thử nghiệm giải thuật trên diện rộng, đồng thời cập nhật và hoàn thiện mô hình mô phỏng nhằm nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng trong thực tế.