Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối đóng vai trò huyết mạch trong toàn bộ hệ thống năng lượng quốc gia, trực tiếp cung cấp điện năng cho các phụ tải sinh hoạt và sản xuất công nghiệp. Theo thống kê của ngành điện lực, hệ thống phân phối chiếm khoảng 50% tổng quy mô vốn đầu tư của toàn hệ thống điện, trong đó 35% dành cho nguồn điện và 15% cho lưới truyền tải. Đáng chú ý, tổn thất điện năng trên lưới phân phối chiếm tỷ trọng rất cao, dao động từ 40% đến 50% tổng tổn thất toàn hệ thống điện. Trong thực tế vận hành, sự phát triển nhanh chóng của các khu công nghiệp và đô thị hóa khiến biên độ dao động phụ tải thay đổi liên tục, dẫn đến hiện tượng sụt áp, độ lệch điện áp kéo dài và làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng điện năng. Khi điện áp sụt giảm 2,5%, quang thông của hệ thống chiếu sáng có thể giảm tới 9%; khi điện áp tăng 10%, tuổi thọ của các thiết bị chiếu sáng huỳnh quang suy giảm từ 20% đến 25%; đặc biệt khi điện áp suy giảm xuống mức 70% đến 80% định mức sẽ đối mặt với nguy cơ xảy ra hiện tượng thác điện áp gây rã lưới cục bộ.

Trước thực trạng đó, đề tài tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành điện áp trên lưới điện phân phối 22kV khu vực Thịnh Đán thuộc Công ty Điện lực Thái Nguyên. Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình toán học tích hợp đa mục tiêu, phát triển thuật toán tính toán thông số cài đặt tối ưu cho hệ thống thiết bị điều chỉnh điện áp gồm bộ điều áp dưới tải máy biến áp, tụ bù tại trạm và tụ bù trên đường dây. Phạm vi nghiên cứu khảo sát toàn diện hệ thống lưới điện phân phối 48 nút, công suất định mức 20 MVA, cấp điện áp 22kV, tần số 50 Hz trong chu kỳ vận hành 24 giờ. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp duy trì điện áp các nút nằm nghiêm ngặt trong dải cho phép từ -5% đến +5% theo đúng quy định tại Thông tư 32/2010/TT-BCT, giảm tổn thất công suất kỹ thuật từ 8% đến 15% và hạn chế tối đa số lần đóng cắt cơ khí của các thiết bị phân áp.

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 dòng công suất phi tuyến trong mạng điện phân phối hình tia và nguyên lý điều khiển phân cấp hệ thống điện. Mô hình trào lưu công suất đường dây mô tả mối quan hệ giữa công suất truyền tải, điện trở, điện kháng và sụt áp trên từng phân đoạn mạng. Trong đó, hệ thống điều khiển điện áp vận hành theo cấu trúc phân cấp gồm 3 cấp độ: Cấp 1 tác động cục bộ nhanh tại nút tải thông qua tụ bù đường dây và bộ ổn định điện áp bước; Cấp 2 điều khiển phối hợp toàn mạng thông qua bộ điều áp dưới tải tại trạm biến áp và tụ bù thanh cái hạ áp; Cấp 3 thực hiện tái cấu trúc lưới khi xảy ra sự cố lớn.

Khung lý thuyết tập trung vào 4 khái niệm và thiết bị trọng tâm:

  • Bộ điều áp dưới tải (OLTC): Thiết bị thay đổi tỷ số biến áp khi đang mang tải thông qua bộ dao lựa chọn và công tắc dập hồ quang với thời gian tác động từ 45 miligiây đến 50 miligiây, chịu dòng ngắn mạch quá độ từ 200A đến 600A trong khoảng 0,1 đến 6 miligiây.
  • Tụ bù trạm (SSC) và tụ bù đường dây (FSC): Thiết bị phát công suất phản kháng tại chỗ nhằm giảm dòng điện phản kháng, nâng cao hệ số công suất và giảm tổn thất điện áp đường dây.
  • Bộ ổn định điện áp bước (SVR): Thiết bị tự động điều chỉnh biên độ và góc pha điện áp trên các tuyến đường dây nhánh dài.
  • Hiện tượng thác điện áp: Trạng thái mất ổn định động xảy ra khi điện áp nút giảm sâu khiến nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải tăng vọt, dẫn đến sụp đổ điện áp toàn hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu vận hành thực tế được thu thập đầy đủ từ Công ty Điện lực Thái Nguyên, bao gồm thông số kỹ thuật chi tiết của 48 nhánh đường dây, thông số tổng trở và biểu đồ phụ tải công suất tác dụng, phản kháng tại 48 nút đo lường trong chu kỳ 24 giờ. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 48 nút phụ tải đại diện cho lưới điện 22kV khu vực Thịnh Đán. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu toàn phần theo cấu trúc không gian hình tia, đảm bảo phản ánh chính xác các đặc tính phụ tải sinh hoạt, dịch vụ và công nghiệp hỗn hợp.

Về phương pháp phân tích, tác giả lựa chọn kết hợp hai thuật toán:

  • Phương pháp Newton-Raphson: Dùng để giải hệ phương trình phi tuyến trào lưu công suất xác lập với ma trận tổng dẫn và ma trận đạo hàm riêng Jacobian 4 góc phần tư. Lý do lựa chọn là phương pháp này sở hữu tốc độ hội tụ bậc hai cực nhanh, độ chính xác cao và số bước lặp không phụ thuộc vào quy mô mở rộng của hệ thống.
  • Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO): Được lựa chọn để giải bài toán tối ưu hóa phi tuyến hỗn hợp số nguyên và biến thực. Không gian tìm kiếm gồm 7 biến quyết định về ngưỡng điện áp và công suất đóng cắt. Thuật toán mô phỏng hành vi di chuyển bầy đàn giúp tránh bẫy cực trị địa phương và tìm nghiệm tối ưu toàn cục ổn định.

Toàn bộ quá trình nghiên cứu, mô hình hóa toán học, lập trình thuật toán và mô phỏng kiểm chứng trên nền tảng kỹ thuật máy tính được thực hiện liên tục trong lộ trình 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và tính toán trên lưới điện phân phối thực tế 48 nút, 20 MVA, 22kV Thái Nguyên đã mang lại những phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, ở chế độ vận hành tự nhiên khi không có sự can thiệp của các thiết bị điều chỉnh điện áp, biên độ điện áp tại các nút cuối đường dây bị sụt giảm nghiêm trọng vào các giờ cao điểm phụ tải. Điện áp tại một số nút xa nguồn giảm sâu xuống mức dưới 0,92 pu (đơn vị tương đối), vi phạm nghiêm trọng giới hạn tiêu chuẩn cho phép 0,95 pu theo Thông tư 32/2010/TT-BCT, đồng thời tổn thất điện năng toàn mạng duy trì ở mức cao khoảng 4,8%.

Thứ hai, khi áp dụng chế độ điều chỉnh theo thông số cài đặt định mức truyền thống, điện áp các nút được kéo về dải vận hành an toàn từ 0,96 pu đến 1,04 pu. Tuy nhiên, việc thiếu sự phối hợp tối ưu giữa các thiết bị khiến số lần chuyển đổi nấc phân áp của bộ điều áp dưới tải OLTC tăng vọt lên 18 đến 24 lần mỗi ngày. Tần suất tác động quá lớn này làm tăng nguy cơ cacbon hóa dầu cách điện và mài mòn cơ khí nghiêm trọng của các tiếp điểm công tắc dập hồ quang.

Thứ ba, khi ứng dụng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO để xác lập bộ tham số cài đặt tối ưu, chỉ số độ lệch điện áp chuẩn toàn mạng giảm từ 35% đến 40% so với phương pháp định mức. Điện áp tại toàn bộ 48 nút trong suốt 24 giờ luôn được duy trì ổn định trong hành lang lý tưởng từ 0,97 pu đến 1,03 pu. Đồng thời, số lần chuyển nấc của bộ OLTC và số lần đóng cắt của hệ thống tụ bù SSC, FSC giảm mạnh hơn 65%, chỉ còn từ 6 đến 8 lần mỗi ngày, giúp bảo vệ tuổi thọ thiết bị vượt trội.

Thứ tư, hiệu quả bù công suất phản kháng tối ưu giúp nâng hệ số công suất trung bình tại thanh cái trạm 110kV từ mức 0,86 lên trên 0,96, kéo giảm tổn thất công suất kỹ thuật trên đường dây và máy biến áp từ mức 4,8% xuống còn 3,9%, tương đương mức tiết kiệm điện năng hàng trăm megawatt-giờ mỗi năm.

Thảo luận kết quả

Kết quả đạt được chứng minh tính ưu việt của giải pháp phối hợp điều khiển phân cấp. Cơ chế giảm tổn thất bắt nguồn từ việc các bộ tụ bù đường dây FSC phát công suất phản kháng ngay tại các điểm nút phụ tải tiêu thụ lớn, triệt tiêu dòng công suất phản kháng chạy ngược về nguồn, làm giảm dòng điện tổng trên đường dây và hạn chế tối đa sụt áp. Khi kết hợp hài hòa với bộ tụ bù trạm SSC và bộ điều áp dưới tải OLTC, điện áp đầu nguồn được giữ ở mức tối ưu mà không cần kích hoạt chuyển nấc quá nhiều lần.

So với các nghiên cứu áp dụng điều khiển rơi cục bộ vốn thường gây ra độ lệch điện áp tạm thời khi phụ tải biến động mạnh, giải pháp tối ưu hóa thông số cài đặt dựa trên thuật toán PSO đảm bảo tính ổn định và tính thực thi cao trong điều kiện thực tế của lưới điện Việt Nam. Những kết quả phân tích này được tổng hợp và biểu diễn trực quan thông qua bảng so sánh tổn thất điện năng, ma trận số lần chuyển mạch cơ khí và hệ thống đồ thị đường biểu diễn phân bố điện áp 48 nút theo thời gian thực 24 giờ.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và chất lượng điện năng cho hệ thống lưới điện phân phối, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp mang tính khả thi cao:

Một là, áp dụng ngay bộ thông số cài đặt tối ưu đã tính toán cho 100% các trạm biến áp phân phối 110/22kV và các bộ tụ bù trên xuất tuyến 22kV khu vực Thịnh Đán. Đơn vị thực hiện là Phòng Kỹ thuật và Điều độ thuộc Công ty Điện lực Thái Nguyên, hoàn thành triển khai trong thời gian 3 tháng nhằm đưa tỷ lệ dao động điện áp về dưới 3%.

Hai là, tích hợp thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO vào hệ thống phần mềm quản trị lưới điện phân phối SCADA/DMS của trung tâm điều khiển xa. Mục tiêu hướng tới tự động hóa việc tính toán và cập nhật lại bộ thông số cài đặt theo từng mùa phụ tải trong chu kỳ 6 tháng. Đơn vị chủ trì là Trung tâm Điều khiển xa thuộc Tổng công ty Điện lực miền Bắc.

Ba là, đẩy mạnh lộ trình lắp đặt công tơ đo đếm điện tử thông minh và hạ tầng đo lường tiên tiến AMI tại tối thiểu 90% các nút phụ tải trọng điểm trên toàn tỉnh Thái Nguyên trong vòng 12 tháng. Giải pháp này giúp thu thập số liệu trào lưu công suất theo thời gian thực với độ trễ dưới 5 phút, cung cấp dữ liệu đầu vào chuẩn xác cho bài toán điều khiển tối ưu.

Bốn là, ban hành quy chế kỹ thuật về bảo dưỡng định kỳ tiếp điểm dập hồ quang và kiểm định chất lượng dầu cách điện của bộ công tắc lựa chọn OLTC sau mỗi 5.000 lần chuyển nấc vận hành. Ban An toàn và Kỹ thuật cần giám sát thực hiện nghiêm ngặt bắt đầu từ quý 1 năm 2020 để hạn chế tối đa nguy cơ sự cố phóng điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật to lớn cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, kỹ sư điều độ và kỹ sư vận hành lưới điện tại các công ty điện lực tỉnh: Luận văn cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết về cách phối hợp nhịp nhàng các thiết bị điều áp, xác định vị trí và dung lượng bù phản kháng nhằm giải quyết dứt điểm các điểm nghẽn sụt áp ở cuối nguồn.

Thứ hai, cán bộ quản lý kỹ thuật và hoạch định đầu tư ngành năng lượng: Nghiên cứu đưa ra cơ sở khoa học và phương pháp đánh giá định lượng về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, hỗ trợ lập kế hoạch đầu tư nâng cấp thiết bị điều áp dưới tải và hệ thống tụ bù tối ưu với chi phí thấp nhất.

Thứ ba, giảng viên và các nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện: Tài liệu cung cấp mô hình toán học giải tích hoàn chỉnh, thuật toán trào lưu công suất Newton-Raphson mở rộng và quy trình ứng dụng thuật toán trí tuệ nhân tạo bầy đàn PSO trong bài toán tối ưu lưới điện.

Thứ tư, học viên cao học và sinh viên đại học ngành Điện - Điện tử: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về cấu trúc nghiên cứu khoa học ứng dụng, từ khảo sát dữ liệu thực địa, xây dựng hàm mục tiêu đa tiêu chí đến lập trình mô phỏng trên các phần mềm chuyên ngành.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phối hợp đồng thời cả bộ điều áp dưới tải OLTC và tụ bù FSC, SSC?

Mỗi thiết bị có đặc tính và phạm vi điều chỉnh khác nhau. Bộ OLTC điều chỉnh mức điện áp tổng thể nhưng không làm giảm dòng công suất phản kháng. Tụ bù SSC giảm tải cho máy biến áp, trong khi tụ FSC giảm sụt áp trực tiếp trên đường dây. Phối hợp đồng bộ giúp duy trì điện áp trong dải chuẩn ±5% và giảm hơn 65% số lần đóng cắt cơ khí.

Thuật toán tối ưu bầy đàn PSO có ưu điểm gì vượt trội so với các thuật toán khác?

Thuật toán PSO mô phỏng trí tuệ bầy đàn, sở hữu tốc độ hội tụ nhanh và khả năng tìm kiếm nghiệm toàn cục hiệu quả trên không gian bài toán phi tuyến hỗn hợp số nguyên. So với thuật toán di truyền, PSO ít tham số điều chỉnh hơn, xử lý mượt mà bài toán đa mục tiêu gồm tổn thất điện năng và số lần chuyển mạch trong 24 giờ.

Độ lệch điện áp ngoài ngưỡng cho phép gây tác hại cụ thể như thế nào tới phụ tải?

Độ lệch điện áp làm giảm mômen quay của động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp. Khi điện áp giảm 2,5%, quang thông đèn chiếu sáng giảm 9%; khi điện áp tăng 10%, tuổi thọ đèn huỳnh quang giảm từ 20% đến 25%. Nghiêm trọng hơn, nếu điện áp sụt xuống 70% đến 80% định mức có thể gây ra hiện tượng thác điện áp dẫn tới sự cố mất điện diện rộng.

Tiêu chuẩn kỹ thuật nào đang quy định chất lượng điện áp phân phối tại Việt Nam?

Chất lượng điện áp được quy định tại Thông tư 32/2010/TT-BCT của Bộ Công Thương. Theo đó, trong điều kiện vận hành bình thường, độ lệch điện áp cho phép tại điểm đấu nối là ±5% so với điện áp danh định khi hệ số công suất cosφ đạt 0,85; trong điều kiện lưới điện chưa ổn định sau sự cố, dải cho phép dao động từ +5% đến -10%.

Giải pháp tối ưu trong luận văn có thể mở rộng cho lưới điện có nguồn năng lượng tái tạo không?

Hoàn toàn có thể mở rộng. Mô hình toán học của đề tài cho phép tích hợp thêm các ràng buộc về công suất phát không ổn định của hệ thống điện mặt trời và tuabin gió. Việc tối ưu hóa giá trị đặt của OLTC và tụ bù sẽ hạn chế hiện tượng tăng áp đột ngột do công suất ngược từ các nguồn điện phân tán gây ra.

Kết luận

  • Luận văn đã mô hình hóa thành công bài toán tối ưu hóa điện áp đa mục tiêu cho lưới điện phân phối 22kV khu vực Thịnh Đán, thành phố Thái Nguyên với quy mô 48 nút phụ tải và công suất 20 MVA.
  • Ứng dụng thành công thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO kết hợp thuật toán trào lưu công suất Newton-Raphson để tìm ra bộ thông số cài đặt tối ưu cho bộ điều áp dưới tải OLTC, tụ bù trạm SSC và tụ bù đường dây FSC.
  • Kết quả nghiên cứu giúp giảm độ lệch điện áp chuẩn từ 35% đến 40%, cắt giảm tổn thất công suất kỹ thuật từ 4,8% xuống 3,9% và giảm hơn 65% số lần tác động chuyển nấc của các thiết bị đóng cắt cơ khí.
  • Lộ trình 12 tháng tiếp theo cần tập trung tích hợp thuật toán vào hệ thống SCADA/DMS thực tế và mở rộng mô hình cho các xuất tuyến có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo phân tán.
  • Các đơn vị quản lý vận hành điện lực cần nhanh chóng áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và tối ưu hóa chi phí vận hành hệ thống.