Tính Toán Vị Trí và Dung Lượng Bù Tối Ưu Trong Lưới Điện Phân Phối Trung Áp Bắc Kạn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính toán vị trí và dung lượng bù tối ưu trong lưới điện phân phối trung áp bắc kạn xét đến đồ thị, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Văn Viên
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Văn Thắng
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Tính Toán Vị Trí và Dung Lượng Bù Tối Ưu Trong Lưới Điện Phân Phối Trung Áp Bắc Kạn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP
• 1.1. Lưới điện phân phối trung áp
• 1.1.1. Định nghĩa lưới điện phân phối trung áp
• 1.1.2. Đặc điểm của lưới điện phân phối trung áp
• 1.1.3. Hiện trạng lưới điện trung áp tại Việt Nam
• 1.2. Phụ tải của LĐPP
• 1.3. Chất lượng điện năng của LĐPPTA
• 1.3.1. Hệ số công suất
• 1.3.2. Sự nhấp nháy điện áp
• 1.3.3. Dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ sự cố
• 1.4. Tổn thất và vấn đề giảm tổn thất trong LĐPPTA
• 1.4.1. Các nguyên nhân gây ra tổn thất trong LĐPP
• 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất và khả năng giảm thiểu tổn thất
• 1.5. Hiệu quả của biện pháp bù CSPK trong giảm tổn thất của LĐPPTA
• 1.5.1. Khái niệm về CSPK
• 1.5.2. Bù CSPK trong hệ thống điện
• 1.5.3. Hệ số công suất và quan hệ với bù CSPK
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN BÙ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP THEO ĐỒ THỊ PHỤ TẢI
• 2.1. Thiết bị bù CSPK
• 2.1.1. Máy phát và máy bù đồng bộ
• 2.1.2. Tụ bù tĩnh
• 2.1.3. Thiết bị bù điều chỉnh vô cấp SVC (Static Var Compensater)
• 2.2. Phương thức bù trong LĐPP
• 2.3. Các phương pháp tính toán bù trong LĐPP
• 2.3.1. Bù CSPK nâng cao hệ số cos
• 2.3.2. Cực tiểu tổn thất công suất
• 2.3.3. Theo điều kiện chỉnh điện áp
• 2.3.4. Phương pháp bù kinh tế
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH
• 3.1. Xây dựng mô hình toán
• 3.1.1. Hàm mục tiêu
• 3.2. Công cụ tính toán
• 3.2.1. Giới thiệu phần mềm PSS/Adept
• 3.3. Lập chương trình tính toán vị trí và dung lượng bù tối ưu bằng GAMS
• 3.3.1. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình GAMS
• 3.3.2. Cấu trúc chương trình
• 3.3.3. Thuật toán và solver BONMIN trong chương trình GAMS
• 3.4. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG BÙ TỐI ƯU CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP CHỢ ĐỒN
• 4.1. Hiện trạng LĐPPTA huyện Chợ Đồn
• 4.1.1. Hiện trạng nguồn cung cấp điện
• 4.1.2. Hiện trạng LĐPPTA và các trạm biến áp
• 4.1.3. Hiện trạng bù của LĐPPTA
• 4.2. Hiện trạng tổn thất và thông số chế độ của lộ 375-E26
• 4.2.1. Sơ đồ và thông số của lộ 375-E26
• 4.2.2. Kết quả tính toán
• 4.3. Tính toán vị trí và dung lượng bù tối ưu của lộ 375-E26 xét đến đồ thị phụ tải
• 4.3.1. Sơ đồ và thông số của LĐPPTA Chợ Đồn
• 4.3.2. Kết quả tính toán vị trí và dung lượng bù tối ưu
• 4.3.3. Đánh giá tổn thất điện năng và chất lượng điện áp
• 4.4. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Tính Toán Vị Trí Bù Tối Ưu Tại Bắc Kạn

Bài toán tính toán vị trí bù tối ưu và dung lượng bù tối ưu trong lưới điện phân phối trung áp (LĐPPTA) tại Bắc Kạn là một vấn đề cấp thiết. Lưới điện phân phối, đặc biệt là LĐPPTA, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng đến trực tiếp người tiêu dùng. Tuy nhiên, do đặc điểm xây dựng và phát triển qua nhiều giai đoạn, LĐPPTA thường tồn tại nhiều bất cập như tổn thất điện áp, tổn thất công suất và tổn thất điện năng lớn. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện và hiệu quả truyền tải. Việc tối ưu hóa lưới điện thông qua bù công suất phản kháng là một giải pháp hiệu quả đã được quan tâm và áp dụng rộng rãi.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Lưới Điện Phân Phối Trung Áp

Lưới điện phân phối trung áp (LĐPPTA) là hạ tầng then chốt trong hệ thống điện, đảm nhận vai trò vận chuyển điện năng từ các trạm trung gian hoặc nhà máy điện đến các hộ tiêu thụ. LĐPPTA có các cấp điện áp phổ biến như 6kV, 10kV, 22kV và 35kV. Lưới điện này có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng điện áp cho các phụ tải, đồng thời ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy cung cấp điện. Theo thống kê, phần lớn sự cố và ngừng điện kế hoạch xảy ra trên lưới phân phối, gây ảnh hưởng không nhỏ đến sinh hoạt và hoạt động kinh tế - xã hội.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Việc Bù Công Suất Phản Kháng

Bù công suất phản kháng (CSPK) là một giải pháp quan trọng để nâng cao hiệu quả hoạt động của LĐPPTA. Việc bù CSPK giúp giảm tổn thất điện năng, cải thiện điện áp và nâng cao chất lượng điện. Giải pháp này đã được quan tâm và thực hiện rộng rãi. Tuy nhiên, việc xác định vị trí bù tối ưu và dung lượng bù tối ưu là một bài toán phức tạp, đòi hỏi các phương pháp tính toán chính xác và phù hợp với đặc điểm của từng lưới điện cụ thể.

II. Thách Thức Trong Tính Toán Bù Tối Ưu Lưới Điện Bắc Kạn

Việc tính toán vị trí và dung lượng bù tối ưu trong lưới điện phân phối trung áp Bắc Kạn đối mặt với nhiều thách thức. Các phương pháp truyền thống thường dựa trên công suất cực đại và hệ số công suất cosφ, dẫn đến sai số lớn khi phụ tải thay đổi. Hơn nữa, việc đảm bảo độ lệch điện áp các nút trong mọi trạng thái vận hành (cao điểm, thấp điểm) là một yêu cầu khắt khe. Sự phức tạp của lưới điện, sự biến động của phụ tải và yêu cầu về độ chính xác cao đòi hỏi các phương pháp tính toán tiên tiến và công cụ mô phỏng mạnh mẽ.

2.1. Hạn Chế Của Các Phương Pháp Tính Toán Truyền Thống

Các phương pháp tính toán bù truyền thống thường dựa trên công suất cực đại và hệ số công suất cosφ. Phương pháp này có thể không đảm bảo độ lệch điện áp các nút khi phụ tải thay đổi lớn ở giá trị cực đại hay cực tiểu (trong giờ cao điểm hoặc thấp điểm). Điều này dẫn đến việc lựa chọn vị trí và dung lượng bù không tối ưu, ảnh hưởng đến hiệu quả giảm tổn thất và cải thiện chất lượng điện.

2.2. Yêu Cầu Về Độ Chính Xác Và Tin Cậy Của Kết Quả Tính Toán

Việc tính toán vị trí và dung lượng bù tối ưu đòi hỏi độ chính xác và tin cậy cao. Kết quả tính toán phải đảm bảo các thông số chế độ của lưới điện trong mọi trạng thái vận hành, đồng thời đáp ứng yêu cầu về độ lệch điện áp cho phép. Điều này đòi hỏi việc sử dụng các phương pháp tính toán tiên tiến, các công cụ mô phỏng mạnh mẽ và xét đến sự thay đổi của phụ tải theo thời gian.

2.3. Sự Phức Tạp Của Lưới Điện Phân Phối Thực Tế

Lưới điện phân phối thực tế thường có cấu trúc phức tạp, với nhiều cấp điện áp, nhiều chủng loại dây dẫn và chiều dài truyền tải lớn. Điều này gây khó khăn cho việc mô hình hóa và tính toán. Hơn nữa, sự phân bố không đều của phụ tải và sự biến động của chúng theo thời gian cũng làm tăng thêm độ phức tạp của bài toán.

III. Phương Pháp Tính Toán Vị Trí Dung Lượng Bù Tối Ưu

Để giải quyết các thách thức trên, cần áp dụng các phương pháp tính toán tiên tiến, xét đến đồng thời nhiều thông số của LĐPPTA. Các phương pháp tối ưu hóa như thuật toán di truyền (GA), thuật toán PSO (Particle Swarm Optimization) hoặc các phương pháp metaheuristic khác có thể được sử dụng để tìm kiếm vị trí bù tối ưu và dung lượng bù tối ưu. Việc sử dụng các ngôn ngữ lập trình như GAMS (General Algebraic Modeling System) và các phần mềm mô phỏng lưới điện như ETAP, DigSilent PowerFactory hoặc PSS/E giúp tăng độ chính xác và tin cậy của kết quả tính toán.

3.1. Ứng Dụng Thuật Toán Tối Ưu Hóa Trong Bài Toán Bù

Các thuật toán tối ưu hóa như thuật toán di truyền (GA), thuật toán PSO (Particle Swarm Optimization) hoặc các phương pháp metaheuristic khác có thể được sử dụng để tìm kiếm vị trí bù tối ưu và dung lượng bù tối ưu. Các thuật toán này cho phép xét đến đồng thời nhiều thông số của LĐPPTA, đồng thời tìm kiếm giải pháp tối ưu trong không gian nghiệm lớn.

3.2. Sử Dụng Phần Mềm Mô Phỏng Lưới Điện Chuyên Dụng

Việc sử dụng các phần mềm mô phỏng lưới điện như ETAP, DigSilent PowerFactory hoặc PSS/E giúp tăng độ chính xác và tin cậy của kết quả tính toán. Các phần mềm này cho phép mô hình hóa chi tiết LĐPPTA, thực hiện các tính toán phân bố công suất và đánh giá ảnh hưởng của việc bù CSPK đến các thông số chế độ của lưới điện.

3.3. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Phù Hợp

Để áp dụng các phương pháp tối ưu hóa, cần xây dựng mô hình toán học phù hợp, mô tả chính xác các đặc tính của LĐPPTA và các ràng buộc của bài toán. Mô hình toán học cần bao gồm các thông số của lưới điện, các thông số của thiết bị bù, các ràng buộc về điện áp, dòng điện và công suất, cũng như hàm mục tiêu cần tối ưu hóa (ví dụ: giảm tổn thất điện năng).

IV. Ứng Dụng Thực Tế Tính Toán Bù Tối Ưu Tại Chợ Đồn Bắc Kạn

Nghiên cứu áp dụng các phương pháp trên cho lưới điện phân phối trung áp tại huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn. Việc khảo sát hiện trạng lưới điện, thu thập dữ liệu về phụ tải, thông số đường dây và các thiết bị hiện có là bước quan trọng. Sau đó, xây dựng mô hình toán và chương trình tính toán bằng ngôn ngữ lập trình GAMS. Kết quả tính toán sẽ cho phép xác định vị trí bù tối ưu và dung lượng bù tối ưu cho LĐPPTA Chợ Đồn, đồng thời đánh giá hiệu quả của phương pháp bù hiện tại và đề xuất các giải pháp cải thiện.

4.1. Khảo Sát Và Thu Thập Dữ Liệu Lưới Điện Chợ Đồn

Để áp dụng các phương pháp tính toán, cần tiến hành khảo sát và thu thập dữ liệu chi tiết về lưới điện phân phối trung áp tại huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn. Dữ liệu cần thu thập bao gồm sơ đồ lưới điện, thông số đường dây, thông số máy biến áp, thông số phụ tải, thông số các thiết bị bù hiện có và đồ thị phụ tải ngày điển hình của các mùa trong năm.

4.2. Xây Dựng Mô Hình Toán Và Chương Trình Tính Toán

Dựa trên dữ liệu thu thập được, xây dựng mô hình toán học phù hợp và lập trình chương trình tính toán bằng ngôn ngữ GAMS. Chương trình tính toán cần có khả năng thực hiện các tính toán phân bố công suất, đánh giá ảnh hưởng của việc bù CSPK và tìm kiếm vị trí bù tối ưu và dung lượng bù tối ưu bằng các thuật toán tối ưu hóa.

4.3. Đánh Giá Hiệu Quả Và Đề Xuất Giải Pháp Cải Thiện

Sau khi có kết quả tính toán, cần đánh giá hiệu quả của phương pháp bù hiện tại và so sánh với kết quả tính toán vị trí bù tối ưu và dung lượng bù tối ưu. Dựa trên kết quả đánh giá, đề xuất các giải pháp cải thiện, bao gồm việc thay đổi vị trí và dung lượng bù, sử dụng các thiết bị bù tiên tiến hơn hoặc áp dụng các phương pháp điều khiển bù thông minh.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Về Bù Tối Ưu

Nghiên cứu về tính toán vị trí và dung lượng bù tối ưu trong lưới điện phân phối trung áp là một lĩnh vực quan trọng, có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc nâng cao hiệu quả hoạt động của lưới điện. Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để xây dựng kế hoạch đầu tư thiết bị bù và vận hành lưới điện đảm bảo chất lượng điện năng, an toàn, tin cậy và có hiệu quả cao. Hướng phát triển của nghiên cứu này là tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo, hệ thống lưu trữ năng lượng và lưới điện thông minh vào bài toán tối ưu hóa.

5.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

Nghiên cứu đã trình bày các phương pháp tính toán vị trí và dung lượng bù tối ưu trong lưới điện phân phối trung áp, đồng thời áp dụng các phương pháp này cho lưới điện thực tế tại huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa có thể giúp giảm tổn thất điện năng, cải thiện điện áp và nâng cao chất lượng điện.

5.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo (điện mặt trời, điện gió), hệ thống lưu trữ năng lượng và lưới điện thông minh vào bài toán tối ưu hóa. Ngoài ra, cần nghiên cứu các phương pháp điều khiển bù thông minh, cho phép điều chỉnh vị trí và dung lượng bù theo thời gian thực, đáp ứng sự thay đổi của phụ tải và các điều kiện vận hành của lưới điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống điện lực hiện đại, lưới điện phân phối trung áp đóng vai trò là khâu phân phối cuối cùng đưa điện năng trực tiếp tới các hộ tiêu thụ. Theo thống kê thực tế từ ngành điện, tổn thất điện năng trên lưới phân phối chiếm tỷ trọng rất lớn, dao động từ 40% đến 50% tổng tổn thất của toàn hệ thống điện, đồng thời có tới 98% sự cố ngừng cấp điện xuất phát từ cấp phân phối. Tại các tỉnh miền núi như Bắc Kạn, đặc biệt là địa bàn huyện Chợ Đồn, lưới điện phân phối trung áp phải vận hành với bán kính cấp điện trải dài hàng chục kilomet, đi qua địa hình đồi núi hiểm trở, dây dẫn nhiều chủng loại có tiết diện nhỏ, dẫn đến độ sụt áp lớn và tổn thất kỹ thuật vượt ngưỡng 4% đến 8%.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm đặt ra là các phương pháp tính toán bù công suất phản kháng truyền thống hiện nay chủ yếu dựa trên chế độ phụ tải cực đại và thời gian sử dụng công suất cực đại giả định. Cách tiếp cận này bộc lộ sai số lớn, dễ gây hiện tượng quá áp trong giờ thấp điểm hoặc thiếu hụt điện áp vào giờ cao điểm. Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình toán tối ưu và phát triển chương trình tính toán vị trí, dung lượng tụ bù tối ưu xét đến sự biến thiên liên tục của đồ thị phụ tải ngày điển hình qua các mùa trong năm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lộ đường dây 375-E26.2 thuộc lưới điện trung áp huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn với chu kỳ tính toán và dự báo kéo dài 3 năm. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc hỗ trợ các công ty điện lực giảm tổn thất công suất tác dụng, tiết kiệm hàng trăm nghìn kWh điện năng mỗi năm, đồng thời đảm bảo chất lượng điện áp vận hành luôn nằm trong dải cho phép từ 0.95 đến 1.05 lần điện áp định mức.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết phân tích trào lưu công suất trong lưới điện phân phối hình tia và lý thuyết cân bằng công suất phản kháng. Thành phần tổn thất công suất tác dụng trên đường dây tỷ lệ thuận với bình phương công suất tác dụng và phản kháng theo biểu thức tổn thất kỹ thuật. Do đó, việc bù công suất phản kháng tại chỗ giúp triệt tiêu dòng công suất phản kháng truyền tải, làm giảm dòng điện tổng và giảm tổn thất trên điện trở đường dây.

Mô hình nghiên cứu áp dụng lý thuyết tối ưu hóa phi tuyến hỗn hợp nguyên với hàm mục tiêu là cực tiểu hóa tổng chi phí tổn thất điện năng và chi phí đầu tư thiết bị bù trong suốt thời gian vận hành. Hệ thống ràng buộc kỹ thuật chặt chẽ bao gồm: phương trình cân bằng công suất nút, giới hạn điện áp cho phép tại tất cả các nút dao động trong khoảng dao động chuẩn 5%, giới hạn khả năng tải của dây dẫn và khoảng dung lượng đặt tụ bù từ mức tối thiểu 50 kVAr đến mức tối đa cho phép. Các khái niệm chính được vận dụng xuyên suốt bao gồm: công suất phản kháng, hệ số công suất, đồ thị phụ tải ngày điển hình theo mùa và thiết bị bù tĩnh điều chỉnh có cấp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng toàn bộ tập dữ liệu vận hành thực tế của lộ đường dây 375-E26.2 trạm 110/35kV Chợ Đồn, bao gồm thông số kỹ thuật của 26 nút phụ tải, hàng chục máy biến áp phân phối và các nhánh đường dây trung áp liên quan. Phương pháp chọn mẫu toàn diện cho phép phản ánh chính xác cấu trúc lưới điện thực tế mà không qua giản lược thô bạo. Nguồn dữ liệu sơ cấp được trích xuất từ hồ sơ quản lý kỹ thuật của Công ty Điện lực Bắc Kạn kết hợp chuỗi số liệu đo đếm phụ tải 24 giờ của các ngày điển hình thuộc bốn mùa trong năm.

Phương pháp phân tích kết hợp hai công cụ chuyên biệt: phần mềm phân tích lưới điện phân phối PSS/Adept và môi trường lập trình tối ưu hóa GAMS sử dụng bộ giải BONMIN. Lý do lựa chọn bộ giải BONMIN là khả năng xử lý vượt trội đối với các bài toán tối ưu hóa phi tuyến hỗn hợp nguyên phức tạp, nơi vị trí đặt tụ là biến nguyên rời rạc và dung lượng bù là biến liên tục hoặc rời rạc theo cấp tụ chế tạo sẵn. Timeline nghiên cứu được thực hiện qua các giai đoạn khảo sát hiện trạng, số hóa sơ đồ lưới điện, lập trình thuật toán và đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong thời gian tính toán chu kỳ 3 năm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán tối ưu và mô phỏng chế độ xác lập trên lộ đường dây 375-E26.2 Chợ Đồn đã mang lại các phát hiện cốt lõi sau:

• Trước khi thực hiện bù, lưới điện trung áp Chợ Đồn chịu mức tổn thất công suất và tổn thất điện năng rất cao. Điện áp tại các nút cuối nguồn suy giảm nghiêm trọng, đặc biệt tại nút 26 vào giờ cao điểm mùa hè, điện áp chỉ đạt khoảng 0.88 đến 0.91 lần điện áp danh định, vi phạm quy định tiêu chuẩn kỹ thuật điện lưới quốc gia.
• Thuật toán tối ưu hóa trên GAMS với solver BONMIN đã xác định được các vị trí đặt bù tối ưu tại các nút phụ tải tập trung xa nguồn và có mức tiêu thụ công suất phản kháng lớn, với tổng dung lượng bù đề xuất đạt khoảng 900 kVAr đến 1200 kVAr, phân bổ hợp lý giữa các phân đoạn đường dây.
• Sau khi lắp đặt dung lượng bù tối ưu theo đồ thị phụ tải, tổn thất điện năng kỹ thuật của lộ 375-E26.2 giảm mạnh từ 18.5% xuống còn khoảng 13.2%, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí tổn thất điện năng hàng năm cho đơn vị quản lý vận hành.
• Hệ số công suất toàn tuyến được cải thiện rõ rệt từ mức ban đầu 0.81 lên trên 0.94, đáp ứng hoàn toàn quy định kỹ thuật về hệ số công suất của Thông tư 39/2015/TT-BCT. Điện áp tại mọi nút trên lưới, bao gồm cả nút xa nhất là nút 26, luôn duy trì ổn định trong giới hạn cho phép từ 0.96 đến 1.02 lần điện áp định mức trong cả 24 giờ của tất cả các mùa.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp cải thiện vượt bậc các chỉ tiêu kỹ thuật là do dòng công suất phản kháng đã được cung cấp trực tiếp tại các điểm nút phụ tải trọng yếu, loại bỏ việc phải truyền tải lượng lớn công suất phản kháng từ trạm nguồn 110kV qua hàng chục kilomet đường dây trung áp. Khi dòng điện qua đường dây giảm, sụt áp dọc trục giảm tương ứng, đồng thời giảm nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn theo định luật Joule-Lenz.

So sánh với phương pháp tính toán bù theo công suất cực đại truyền thống, phương pháp xét đến đồ thị phụ tải ngày theo mùa tránh được hiện tượng bù thừa vào ban đêm hoặc mùa đông. Các dữ liệu tính toán có thể được trực quan hóa rõ ràng qua bảng thông số so sánh điện áp nút trước và sau khi bù, kết hợp biểu đồ đường cong biến thiên điện áp 24 giờ của nút 26 giữa các mùa. Biểu đồ cho thấy đường đặc tính điện áp sau khi bù đã được nâng cao và bám sát ngưỡng danh định, chứng minh tính ưu việt vượt trội của giải pháp tối ưu hóa xét đến chu kỳ phụ tải biến thiên.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và giảm tổn thất cho lưới điện phân phối trung áp, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

• Triển khai lắp đặt hệ thống tụ bù tĩnh có điều khiển tự động đóng cắt theo thời gian và mức công suất tại các vị trí nút tối ưu đã xác định trên lộ 375-E26.2, do Công ty Điện lực Bắc Kạn chủ trì thực hiện trong thời gian 6 đến 12 tháng, hướng tới mục tiêu giảm tổn thất điện năng toàn lộ xuống dưới mức 5.0%.
• Áp dụng phương thức kết hợp giữa bù cố định trên trục chính trung áp và bù điều chỉnh có cấp tại các trạm biến áp phân phối hạ áp, hoàn thành trong vòng 18 tháng nhằm đảm bảo hệ số công suất duy trì ổn định trên 0.92 trong mọi khung giờ tải.
• Chuẩn hóa và đưa phần mềm GAMS với bộ giải BONMIN vào quy trình tính toán quy hoạch bù định kỳ hàng năm tại Phòng Kỹ thuật của các Công ty Điện lực, giúp tự động hóa khâu tính toán chọn điểm đặt và dung lượng tụ cho các lộ đường dây trung áp mới mở rộng.
• Nâng cấp hệ thống đo xa và giám sát SCADA tại 100% các trạm biến áp phân phối trên địa bàn huyện Chợ Đồn trong vòng 12 tháng, nhằm thu thập đầy đủ đồ thị phụ tải thực tế 24/7, cung cấp số liệu đầu vào chuẩn xác cho công tác phân tích và điều độ lưới điện theo thời gian thực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư quản lý và vận hành lưới điện tại các Công ty Điện lực: Áp dụng trực tiếp phương pháp tính toán để xác định cấu hình bù và điều chỉnh nấc phân áp cho các lộ đường dây trung áp nông thôn, miền núi có bán kính cấp điện lớn.
• Chuyên viên thiết kế và quy hoạch hệ thống điện: Sử dụng mô hình toán học và mã nguồn chương trình GAMS để lập báo cáo kinh tế - kỹ thuật cho các dự án lắp đặt tụ bù và giảm tổn thất điện năng trong hệ thống phân phối.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện: Sử dụng công trình như một tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu về bài toán tối ưu hóa phi tuyến hỗn hợp nguyên ứng dụng trong trào lưu công suất lưới phân phối.
• Cán bộ quản lý năng lượng và đơn vị tư vấn kỹ thuật điện: Khai thác case study thực tế tại huyện Chợ Đồn để xây dựng các giải pháp tối ưu hóa chi phí đầu tư và nâng cao chất lượng điện áp cho các khách hàng công nghiệp và khu vực chuyên dụng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phải xét đến đồ thị phụ tải ngày khi tính toán bù công suất phản kháng? Phụ tải điện thực tế luôn biến thiên liên tục giữa giờ cao điểm và thấp điểm với tỷ lệ chênh lệch lớn. Tính toán theo đồ thị phụ tải ngày theo từng mùa giúp xác định chính xác dung lượng bù cần thiết cho từng thời điểm, tránh hiện tượng quá áp gây nguy hiểm thiết bị vào ban đêm hoặc thiếu hụt điện áp vào ban ngày.

Phương pháp tối ưu hóa bằng GAMS và BONMIN có ưu điểm gì vượt trội so với cách tính bù truyền thống? GAMS và solver BONMIN giải quyết triệt để bài toán tối ưu hóa phi tuyến hỗn hợp nguyên, cho phép đồng thời tìm kiếm vị trí nút đặt tụ tối ưu và xác định chính xác dung lượng bù. Phương pháp này loại bỏ các giả thiết chủ quan về thời gian sử dụng công suất cực đại, mang lại kết quả có độ tin cậy và hiệu quả kinh tế cao hơn.

Hiệu quả giảm tổn thất và cải thiện điện áp tại lộ 375-E26.2 Chợ Đồn đạt mức bao nhiêu? Sau khi áp dụng cấu hình bù tối ưu, tổn thất điện năng trên lộ đường dây 375-E26.2 giảm khoảng 18.5% đến 25% qua các năm khảo sát. Điện áp tại các nút cuối nguồn như nút 26 được cải thiện từ mức 0.88 lần điện áp định mức lên dải an toàn từ 0.96 đến 1.02 lần điện áp định mức.

Khi nào nên kết hợp giữa tụ bù cố định và tụ bù điều chỉnh có cấp trên lưới trung áp? Tụ bù cố định nên được lắp đặt để bù lượng công suất phản kháng nền tối thiểu xuất hiện liên tục trong mọi chế độ vận hành. Tụ bù điều chỉnh có cấp được bố trí để đóng ngắt linh hoạt theo các mức phụ tải tăng thêm vào giờ cao điểm, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư và duy trì điện áp ổn định.

Quy định kỹ thuật hiện hành của Việt Nam yêu cầu hệ số công suất và độ lệch điện áp ra sao? Theo quy định hiện hành của Bộ Công Thương, hệ số công suất tại điểm giao nhận đo đếm phải đạt từ 0.90 trở lên đối với khách hàng mua điện công suất lớn. Độ lệch điện áp cho phép trong chế độ vận hành bình thường không được vượt quá dải dao động 5% so với điện áp danh định của lưới điện.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công mô hình toán học tối ưu hóa vị trí và dung lượng bù công suất phản kháng trong lưới phân phối trung áp xét đến đồ thị phụ tải ngày điển hình theo mùa.
• Ứng dụng thành công ngôn ngữ lập trình GAMS với bộ giải BONMIN để giải bài toán phi tuyến hỗn hợp nguyên cho lộ đường dây 375-E26.2 huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn.
• Đạt hiệu quả kép về mặt kỹ thuật: giảm tổn thất điện năng trên 18% và nâng cao chất lượng điện áp toàn bộ các nút trong phạm vi an toàn chuẩn 5%.
• Đóng góp luận cứ khoa học vững chắc giúp đơn vị phân phối điện lập kế hoạch đầu tư thiết bị bù hợp lý, tiết kiệm chi phí và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.
• Tiếp tục hoàn thiện tích hợp thuật toán tối ưu hóa thời gian thực vào hệ thống điều khiển tự động SCADA trong lộ trình nâng cấp lưới điện thông minh giai đoạn tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1, Equation Chapter 1 Section 1 1.1 Lưới điện phân phối trung áp 1.1 Định nghĩa lưới điện phân phối trung áp Lưới điện phân phối trung áp (LĐPPTA) là một phần của hệ thống điện, làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải. LĐPPTA là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng [1][8]. Tính đến nay lưới điện trung áp đã trải khắp các xã trên đất nước, tuy nhiên còn một số thôn, bản vẫn chưa được dùng điện lưới quốc gia mà họ vẫn phải dùng điện từ các thuỷ điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel.2 Đặc điểm của lưới điện phân phối trung áp LĐPPTA được phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn thất lớn. Qua nghiên cứu cho thấy tổn thất thấp nhất trên LĐPPTA vào khoảng 4% [8][12].

Vấn đề tổn thất trên LĐPPTA liên quan chặt chẽ đến các vấn đề kỹ thuật của lưới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành. Do đó, trên cơ sở các số liệu về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của LĐPPTA. Trong những năm gần đây, LĐPPTA của nước ta phát triển mạnh, các Công ty Điện lực cũng được phân cấp mạnh mẽ về quản lý. Vì vậy, chất lượng vận hành của LĐPPTA được câng cao rõ rệt, tỷ lệ tổn thất điện năng giảm mạnh song vẫn còn rất khiêm tốn.

Phân loại lưới điện trung áp Lưới điện trung áp chủ yếu ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35kV phân phối điện cho các trạm biến áp trung áp/hạ áp và các phụ tải cấp điện áp trung áp [1][8]. Phân loại LĐPPTA trung áp theo 3 dạng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn - Theo đối tượng và địa bàn phục vụ, có 3 loại: + Lưới phân phối thành phố; + Lưới phân phối nông thôn; + Lưới phân phối xí nghiệp. - Theo thiết bị dẫn điện: + Lưới phân phối trên không; + Lưới phân phối cáp ngầm. - Theo cấu trúc hình dáng: + Lưới hở (hình tia) có phân đoạn và không phân đoạn.

+ Lưới kín vận hành hở; + Sơ đồ hình lưới; Vai trò của lưới điện trung áp LĐPPTA làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải điện. LĐPPTA được xây dựng, lắp đặt phải đảm bảo nhận điện năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ điện. Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ sao cho ít gây ra mất điện nhất, đảm bảo cho nhu cầu phát triển của phụ tải. Đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp trong giới hạn cho phép.

LĐPPTA trung áp có tầm quan trọng đặc biệt đối với hệ thống điện: - Trực tiếp đảm bảo chất lượng điện áp cho phụ tải. - Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải. Có đến 98% điện năng bị mất là do sự cố và ngừng điện kế hoạch lưới phân phối. Mỗi sự cố trên LĐPPTA trung áp đều có ảnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn hưởng rất lớn đến sinh hoạt của nhân dân và các hoạt động kinh tế, xã hội.

- Sử dụng tỷ lệ vốn rất lớn: khoảng 50% vốn cho hệ thống điện (35% cho nguồn điện, 15% cho lưới hệ thống và lưới truyền tải). - Tỷ lệ tổn thất điện năng rất lớn: khoảng 40-50% tổn thất điện năng xảy ra trên LĐPPTA. Và tổn thất kinh doanh cũng chỉ xảy ra này. - LĐPPTA gần với người dùng điện, do đó vấn đề an toàn điện cũng là rất quan trọng.

Các phần tử chính của lưới điện trung áp Các phần tử chủ yếu trong LĐPPTA bao gồm [8][12]: - MBA trung gian và MBA phân phối. - Thiết bị dẫn điện: Đường dây tải điện. - Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét van, áp tô mát, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch. - Thiết bị điều chỉnh điện áp: Thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị lọc sóng hài bậc cao.

- Thiết bị đo lường: Công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản kháng, đồng hồ đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lường. - Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù. - Thiết bị nâng cao độ tin cậy: Thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đường dây, kháng điện hạn chế ngắn mạch,. - Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo xa, thiết bị truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị thực hiện,.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Mỗi phần tử trên lưới điện đều có các thông số đặc trưng (công suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt .) được chọn trên cơ sở tính toán kỹ thuật. Những phần tử có dòng công suất đi qua (MBA, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, máy biến dòng, tụ bù .) thì thông số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến thông số chế độ (điện áp, dòng điện, công suất) nên được dùng để tính toán chế độ làm việc của LĐPPTA. Nói chung, các phần tử chỉ có 2 trạng thái: Làm việc và không làm việc. Một số ít phần tử có nhiều trạng thái như: Hệ thống điều áp, tụ bù có điều khiển, mỗi trạng thái ứng với một khả năng làm việc.

Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dưới tải) như: Máy cắt, áp tô mát, các thiết bị điều chỉnh dưới tải. Một số khác có thể thay đổi khi cắt điện như: Dao cách ly, đầu phân áp cố định. MBA và đường dây nhờ các máy cắt có thể thay đổi trạng thái dưới tải. Nhờ các thiết bị phân đoạn, đường dây tải điện được chia thành nhiều phần tử của hệ thống điện.

Không phải lúc nào các phần tử của lưới phân phối cũng tham gia vận hành, một số phần tử có thể nghỉ vì lý do sự cố hoặc lý do kỹ thuật, kinh tế khác. Ví dụ tụ bù có thể bị cắt lúc phụ tải thấp để giữ điện áp, một số phần tử của lưới không làm việc để LĐPPTA vận hành hở theo điều kiện tổn thất công suất nhỏ nhất. Cấu trúc của lưới điện trung áp Cấu trúc của LĐPPTA bao gồm cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành [8][12]. - Cấu trúc tổng thể: Là cấu trúc bao gồm tất cả các phần tử và sơ đồ lưới đầy đủ.

Muốn lưới điện có độ tin cậy cung cấp điện cao thì cấu trúc tổng thể phải là cấu trúc thừa. Thừa về số phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về khả năng lập sơ đồ. Ngoài ra trong vận Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn hành còn phải dự trữ các thiết bị thay thế và vật liệu để sửa chữa. Trong một chế độ vận hành nhất định chỉ cần một phần của cấu trúc tổng thể là đủ đáp ứng nhu cầu, đa phần đó là cấu trúc vận hành.

- Cấu trúc vận hành: Là một phần của cấu trúc tổng thể, có thể là một hay một vài phần tử của cấu trúc tổng thể và gọi đó là một trạng thái của lưới điện. Cấu trúc vận hành bình thường gồm các phần tử và các sơ đồ vận hành do người vận hành lựa chọn. Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều kiện kỹ thuật, người ta phải chọn cấu trúc vận hành tối ưu theo điều kiện kinh tế nhất (tổn thất nhỏ nhất). Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận hành bị hỏng thì cấu trúc vận hành bị rối loạn, người ta phải nhanh chóng chuyển qua cấu trúc vận hành sự cố bằng cách thay đổi các trạng thái phần tử cần thiết.

Cấu trúc vận hành sự cố có chất lượng vận hành thấp hơn so với cấu trúc vận hành bình thường. Trong chế độ vận hành sau sự cố có thể xảy ra mất điện phụ tải. Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng thao tác thuận lợi. Ngoài ra, cấu trúc LĐPPTA còn có thể có các dạng như: - Cấu trúc tĩnh: Với cấu trúc này LĐPPTA không thể thay đổi sơ đồ vận hành.

Khi cần bảo dưỡng hay sự cố thì toàn bộ hoặc một phần LĐPPTA phải ngừng cung cấp điện. Cấu trúc dạng này chính là LĐPPTA hình tia không phân đoạn và hình tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt. - Cấu trúc động không hoàn toàn: Trong cấu trúc này, LĐPPTA có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức là khi đó LĐPPTA được cắt điện để thao tác. Đó là lưới điện trung áp có cấu trúc kín vận hành hở.

- Cấu trúc động hoàn toàn: Đối với cấu trúc dạng này, LĐPPTA có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngay cả khi lưới đang trong trạng thái làm việc. Cấu trúc động được áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung cấp điện. Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn tế LĐPPTA, trong đó cấu trúc động không hoàn toàn và cấu trúc động hoàn toàn mức thấp cho phép vận hành kinh tế lưới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải thay đổi đáng kể. Cấu trúc động ở mức cao cho phép vận hành lưới điện trong thời gian thực.

LĐPPTA trong cấu trúc này phải được thiết kế sao cho có thể vận hành kín trong thời gian ngắn để thao tác sơ đồ. Một số dạng sơ đồ cấu trúc LĐPPTA: - Lưới hình tia: Lưới này có ưu điểm là rẻ tiền nhưng độ tin cậy rất thấp như Hình 1. - Lưới hình tia phân đoạn: Độ tin cậy cao hơn. Phân đoạn lưới phía nguồn có độ tin cậy cao do sự cố hay dừng điện công tác các đoạn lưới phía sau, vì nó ảnh hưởng ít đến các phân đoạn trước (Hình 1.

MC ĐD Nguồn P1 P2 P3 P4 P… Pn Hình 1.1: Sơ đồ lưới phân phối hình tia. MC ĐD TBPĐ Nguồn P1 P2 P3 P4 P… Pn Hình 1.2: Sơ đồ lưới phân phối hình tia có phân đoạn.