Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lưới điện phân phối đóng vai trò xung yếu trong việc truyền tải năng lượng từ trạm trung gian đến người tiêu dùng cuối cùng. Theo số liệu thống kê thực tế trong hệ thống điện, mức tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối chiếm tỷ trọng tương đối cao, dao động trong khoảng 7% – 8%, trong khi tổn thất trên lưới truyền tải chỉ chiếm khoảng 2% – 3%. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu và triển khai các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và tối ưu hóa chi phí vận hành.

Các biện pháp kỹ thuật truyền thống nhằm giảm tổn thất thường bao gồm bù công suất phản kháng, nâng cấp cấp điện áp vận hành hoặc tăng tiết diện dây dẫn. Mặc dù các phương án này bảo đảm tính khả thi về mặt kỹ thuật nhưng đòi hỏi nguồn vốn đầu tư xây dựng cơ bản và lắp đặt thiết bị ban đầu rất lớn. Ngược lại, giải pháp tái cấu hình lưới điện phân phối thông qua việc đóng/mở linh hoạt các khóa điện (máy cắt liên lạc CB, dao cắt có tải LBS) có sẵn trên lưới cho phép tái phân bố dòng công suất một cách tối ưu mà không phát sinh chi phí đầu tư hạ tầng mới.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài tập trung vào việc mô phỏng, tính toán và đề xuất cấu hình vận hành tối ưu cho lưới điện phân phối trung áp có tích hợp nguồn điện phân tán (pin mặt trời) nhằm cực tiểu hóa tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong chu kỳ 24 giờ. Văn bản xác định 7 bài toán vận hành tái cấu hình lưới điện cụ thể:

  1. Bài toán 1: Xác định cấu hình lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 thời đoạn để chi phí vận hành bé nhất.
  2. Bài toán 2: Xác định cấu hình lưới điện không đổi trong thời đoạn khảo sát để tổn thất năng lượng bé nhất.
  3. Bài toán 3: Xác định cấu hình lưới điện tại 1 thời điểm để tổn thất công suất bé nhất.
  4. Bài toán 4: Tái cấu hình lưới điện nhằm cân bằng tải giữa các đường dây và máy biến áp nguồn để nâng cao khả năng tải.
  5. Bài toán 5: Khôi phục phương thức cấp điện cho lưới điện sau sự cố hoặc phục vụ công tác cắt điện sửa chữa.
  6. Bài toán 6: Tái cấu hình đa mục tiêu (tổn thất công suất bé nhất, mức cân bằng tải cao nhất, số lần thao tác chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối lưới bé nhất).
  7. Bài toán 7: Xác định cấu hình nhằm giảm lượng năng lượng ngừng cung cấp điện và nâng cao chỉ số độ tin cậy cung cấp điện.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình lưới điện phân phối ngầm cấp điện áp 110/22 kV gồm 15 nút tải (từ Bus 2 đến Bus 16) và 2 hệ thống nguồn phân tán pin quang điện (PV1 công suất định mức 800 kWp, PV2 công suất định mức 500 kWp). Phạm vi khảo sát được thực hiện theo chu kỳ thời gian 24 giờ dựa trên đồ thị phụ tải đặc trưng và biểu đồ bức xạ phát điện mặt trời theo từng giờ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt cấu trúc, lưới điện phân phối thường được thiết kế theo dạng mạch vòng kín nhưng bắt buộc phải vận hành ở cấu hình hở (hình tia) nhằm mục đích hạn chế dòng ngắn mạch, đơn giản hóa việc cài đặt các thiết bị bảo vệ rơ-le và duy trì tính ổn định trong vận hành. Khi có sự xuất hiện của các nguồn điện phân tán (DG), phân bố trào lưu công suất trên các nhánh bị thay đổi đáng kể, đòi hỏi phải tái lập cấu hình vận hành tối ưu.

Cơ sở tính toán tổn thất và sụt áp trên lưới phân phối dựa trên các biểu thức giải tích:

  • Tổn thất công suất tác dụng: $\Delta P = \frac{P^2 + Q^2}{U^2} \cdot R$
  • Tổn thất điện áp trên nhánh: $\Delta U = \frac{P \cdot R + Q \cdot X}{U}$
  • Tổn thất điện năng trong chu kỳ thời gian $t$: $\Delta A = \Delta P \cdot t$
  • Công suất phản kháng thực tế của tụ bù: $Q_{phát} = Q_{đm} \cdot \left(\frac{U}{U_{đm}}\right)^2$

Về giải thuật tái cấu hình, tác giả phân tích và đối chiếu hai nhóm phương pháp chính:

  1. Nhóm kết hợp Heuristics và tối ưu hóa (tiêu biểu là giải thuật Merlin & Back - kỹ thuật vòng cắt): Xuất phát từ việc đóng tất cả các khóa điện để tạo thành mạng kín, sau đó thực hiện mở dần các nhánh có dòng điện nhỏ nhất cho đến khi mạng trở về cấu hình hình tia. Phương pháp này có khả năng tìm được nghiệm cực tiểu toàn cục nhưng tốn thời gian tính toán lớn.
  2. Nhóm thuần túy Heuristics (tiêu biểu là giải thuật Civanlar - kỹ thuật đổi nhánh): Thực hiện hoán đổi trạng thái của một cặp khóa điện (1 khóa đóng và 1 khóa mở) trong cùng một vòng kín dựa trên công thức thực nghiệm đánh giá mức giảm tổn thất công suất:

$$\Delta P_{giảm} = 2 \cdot \left(\sum_{i \in D} I_i\right) \cdot (E_M - E_N) + \left(\sum_{i \in D} I_i\right)^2 \cdot R_{loop}$$

Trong đó: $D$ là tập hợp nút tải dự kiến chuyển giao; $I_i$ là dòng điện tiêu thụ của nút $i$; $E_M, E_N$ lần lượt là tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút $M$ và nút $N$; $R_{loop}$ là tổng điện trở trên vòng kín khi đóng khóa điện đang mở. Giải thuật Civanlar vận hành dựa trên hai nguyên tắc chọn khóa:

  • Nguyên tắc chọn khóa đóng: Mức giảm tổn thất chỉ đạt được khi có sự chênh lệch điện áp đáng kể tại khóa đang mở.
  • Nguyên tắc chọn khóa mở: Mức giảm tổn thất chỉ đạt được khi thực hiện chuyển tải từ phía có độ sụt áp lớn sang phía có độ sụt áp nhỏ hơn.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm số được tiến hành trên phần mềm PowerWorld Simulator thông qua công cụ mô phỏng theo bước thời gian (Time Step Simulation) 24 giờ. Đồng thời, tác giả kết hợp phương pháp tính toán giải tích ngắn mạch lý thuyết và mô phỏng trên máy tính để đối chứng dòng ngắn mạch tại các trạng thái vận hành của máy cắt liên lạc CB5.

Thiết kế và triển khai mô phỏng hệ thống kỹ thuật

Mô hình lưới điện phân phối 22 kV được thiết lập trên phần mềm PowerWorld Simulator với các thành phần kỹ thuật chi tiết:

  • Nguồn cấp và trạm biến áp: Nguồn hệ thống 110 kV qua 2 máy biến áp 110/22 kV cung cấp cho hai phân đoạn thanh cái Bus 2 và Bus 16, liên lạc với nhau thông qua máy cắt liên lạc CB5.
  • Hệ thống phân phối và phụ tải: Gồm 15 nút tải (Bus 2 đến Bus 16), giữa các nút được bố trí các dao cắt phụ tải (LBS) để hỗ trợ thao tác chuyển tải mà không làm gián đoạn cung cấp điện.
  • Nguồn điện phân tán: Hai hệ thống pin năng lượng mặt trời PV1 ($800\text{ kWp}$) và PV2 ($500\text{ kWp}$) kết nối vào lưới, phát công suất theo đồ thị bức xạ mặt trời từ 6h đến 18h (đạt đỉnh vào khung 12h-13h).

Quy trình triển khai mô phỏng và thử nghiệm kỹ thuật bao gồm các bước:

  1. Thiết lập chế độ cơ sở: Nhập số liệu $P, Q$ theo giờ của 15 nút tải và công suất phát theo giờ của hệ thống PV; chạy Time Step Simulation để ghi nhận trào lưu công suất, dòng điện và điện áp các nút tại thời điểm 10:00 AM và 1:00 PM khi mở các khóa 4-14 và 15-13.
  2. Hiệu chỉnh nấc điều áp và bù công suất: Thay đổi nấc phân áp máy biến áp tại Bus 2 và Bus 16 lên $1.02\text{ pu}$; thử nghiệm lắp đặt tụ bù phản kháng tại các vị trí trên nhánh 2-9 (tụ $0.4\text{ Mvar}$) và nhánh 2-6 (tụ $2.4\text{ Mvar}$).
  3. Tái bố trí nguồn phân tán: Hoán đổi vị trí PV1 ($0.5\text{ MW}$) tại Bus 14 và PV2 ($0.8\text{ MW}$) tại Bus 15 để cân bằng công suất giữa các nhánh tải.
  4. Thực thi giải thuật tái cấu hình: Triển khai kỹ thuật đổi nhánh Civanlar qua 5 bước lặp trên các vòng kín của lưới điện.
  5. Mô phỏng sự cố và khôi phục: Thiết lập sự cố ngắn mạch trên đường dây 6-7, cô lập phân đoạn sự cố, chuyển đổi khóa đóng cắt để tái lập mạng hình tia và thử nghiệm phương án xây dựng bổ sung tuyến dây mới từ Bus 6.
  6. Kiểm tra ngắn mạch: Tính toán ngắn mạch 3 pha tại Bus 9 trong hai trạng thái CB5 đóng (2 máy biến áp song song) và CB5 mở (1 máy biến áp).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương này nêu bật lý do chọn đề tài dựa trên thực tế tổn thất điện năng ở lưới phân phối Việt Nam (7% – 8%). Tác giả phân tích các ưu - nhược điểm của biện pháp tái cấu hình đóng/mở khóa điện so với các biện pháp đầu tư phần cứng đắt đỏ, đồng thời hệ thống hóa 7 bài toán tái cấu hình lưới điện ở góc độ vận hành kỹ thuật.

Chương 2: Tái cấu hình lưới điện phân phối

Tập trung phân tích các đặc tính vận hành hở của lưới phân phối và tổng quan các giải thuật giảm tổn thất. Chương phân định rõ ưu thế của giải thuật heuristic kết hợp tối ưu (Merlin & Back) và giải thuật thuần heuristic (Civanlar). Tác giả làm rõ cơ sở toán học của kỹ thuật đổi nhánh Civanlar, phân tích tác động của các nguồn phát phân tán (DG) đến cấu hình tối ưu và khẳng định tính phù hợp của giải thuật Civanlar trong việc giải quyết bài toán với thời gian tính toán nhanh và độ chính xác đảm bảo.

Chương 3: Ứng dụng tái cấu hình lưới điện phân phối

Đây là chương nội dung thực nghiệm trọng tâm của đồ án, bao gồm các chuỗi tính toán và mô phỏng chi tiết:

  • Số hóa và khảo sát ban đầu: Mô phỏng lưới 15 nút khi mở khóa 4-14 và 15-13, trích xuất dữ liệu dòng điện và điện áp tại các mốc 10:00 AM và 1:00 PM. Kết quả khẳng định quy luật dòng công suất luôn truyền từ nút có điện áp cao sang nút có điện áp thấp (từ Bus 6 sang Bus 7, từ Bus 7 sang Bus 11).
  • Điều chỉnh điện áp và lắp đặt thiết bị bù: Nâng nấc điều áp máy biến áp tại Bus 2 và Bus 16 lên $1.02\text{ pu}$ giúp nâng điện áp Bus 5 cuối lưới từ $0.92\text{ pu}$ lên $0.94\text{ pu}$. Lắp tụ bù $2.4\text{ Mvar}$ tại Bus 4 giúp giảm tổn thất công suất hiệu quả nhất trên nhánh 2-6; lắp tụ $0.4\text{ Mvar}$ tại Bus 14 cho hiệu quả cao nhất trên nhánh 2-9.
  • Tối ưu hóa nguồn phân tán: Đề xuất hoán đổi vị trí máy phát PV2 ($0.8\text{ MW}$) sang Bus 15 và PV1 ($0.5\text{ MW}$) tại Bus 14 do nhánh 16-6 có tổng tải lớn ($4\text{ MW}$) hơn nhiều so với nhánh 2-9 ($0.912\text{ MW}$).
  • Thực thi giải thuật Civanlar: Tiến hành 5 bước lặp đổi nhánh trên các vòng kín, xác định cặp khóa tối ưu cần mở là 3-4 và 15-13, đưa tổn thất công suất xuống mức $0.0493\text{ MW}$.
  • Xử lý sự cố đường dây 6-7: Cô lập nhánh 6-7, mở nhánh 12-11 để đạt tổn thất $0.1035\text{ MW}$. Thử nghiệm xây thêm đường dây mới kết nối Bus 6 với các bus lân cận cho thấy tuyến 6-11 mang lại tổn thất thấp nhất ($0.0468\text{ MW}$).
  • Tính toán ngắn mạch: Phân tích thông số ngắn mạch tại Bus 9, so sánh giữa tính tay lý thuyết và mô phỏng PowerWorld khi CB5 đóng và mở.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã đưa ra các kết quả định lượng cụ thể thông qua việc so sánh các phương án vận hành và tái cấu hình trên lưới điện phân phối 15 nút:

Phương án / Cấu hình vận hành Khóa mở trên lưới Tổn thất công suất $\Delta P$ (MW) Ghi chú kỹ thuật
Trạng thái cơ sở ban đầu Mở 4-14 và 15-13 Mức tổn thất ban đầu cao Chưa tối ưu hóa
Đổi nhánh vòng 1 (Bước 1 Civanlar) Mở 2-9 và 4-15 0.1157 Cố định mở 4-15
Đổi nhánh vòng 2 (Bước 2 Civanlar) Mở 4-15 và 3-11 0.0540 Cố định mở 3-11
Đổi nhánh vòng 3 (Bước 3 Civanlar) Mở 3-11 và 15-13 0.0513 Cố định mở 15-13
Đổi nhánh vòng 4 (Bước 4 Civanlar) Mở 15-13 và 3-4 0.0493 Cố định mở 3-4
Cấu hình tối ưu cuối cùng (Bước 5) Mở 3-4 và 15-13 0.0493 Tổn thất năng lượng 24h: $2.3002\text{ MWh}$
Xử lý sự cố đường dây 6-7 (Cơ bản) Mở 6-7 (sự cố) và 4-15 0.1163 Đảm bảo cấp điện hình tia
Xử lý sự cố đường dây 6-7 (Tối ưu) Mở 6-7 (sự cố) và 12-11 0.1035 Tối ưu chuyển tải vòng
Bổ sung xuất tuyến mới khi sự cố 6-7 Mở 6-7, xây thêm nhánh 6-11 0.0468 Tối ưu hơn phương án nối 6-3 ($0.0521\text{ MW}$)

Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Ứng dụng quy tắc heuristic "2/3 dung lượng và 2/3 chiều dài tuyến dây" để chọn công suất và vị trí đặt tụ bù (lắp tụ $2.4\text{ Mvar}$ tại vị trí Bus 4).
  • Tái bố trí vị trí các nguồn điện phân tán công suất lớn về phía cuối các tuyến dây có mật độ phụ tải cao để hỗ trợ điện áp và giảm tải cục bộ cho đường dây.
  • Lựa chọn cấu hình mở cặp khóa 3-4 và 15-13 trong điều kiện vận hành bình thường; mở khóa 12-11 khi có sự cố trên đoạn 6-7; và kiến nghị xây dựng bổ sung tuyến cáp liên lạc 6-11 trong quy hoạch dài hạn.

Đóng góp của đồ án:

  • Chứng minh tính hiệu quả của giải thuật Civanlar khi kết hợp với công cụ mô phỏng Time Step Simulation trong việc giảm tổn thất công suất từ các giá trị ban đầu xuống mức cực tiểu $0.0493\text{ MW}$.
  • Cung cấp phương pháp luận thực hành tính toán tái cấu hình và phân tích ngắn mạch chi tiết cho lưới phân phối tích hợp nguồn năng lượng tái tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Giải thuật Civanlar chỉ xem xét một cặp khóa điện trong một bước tính toán của từng vòng kín, kết quả tối ưu còn phụ thuộc vào cấu hình xuất phát ban đầu và chưa giải quyết triệt để bài toán cực tiểu hóa hàm mục tiêu toàn cục.
  • Công thức giải tích của Civanlar được rút ra từ mô hình tải phân bố tập trung, áp dụng chính xác cho các lưới mẫu nhỏ nhưng chưa được kiểm chứng đầy đủ trên lưới điện phân phối quy mô lớn phức tạp.
  • Đồ án chỉ khảo sát trên mô hình mẫu 15 nút với các giả định phụ tải và bức xạ mặt trời theo kịch bản xác định, chưa xét đến tính bất định ngẫu nhiên theo thời gian thực.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng phạm vi tính toán trên các hệ thống lưới điện phân phối thực tế quy mô lớn có nhiều nhánh vòng và liên kết nguồn phức tạp.
  • Nghiên cứu kết hợp giải thuật Civanlar với các thuật toán tối ưu hóa thông minh (Meta-heuristics) để giải quyết bài toán tái cấu hình đa mục tiêu theo thời gian thực khi tỷ lệ thâm nhập của các nguồn điện phân tán ngày càng cao.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Điện và Điều khiển Tự động hóa Lưới điện. Ngoài ra, tài liệu còn có giá trị tham khảo đối với các kỹ sư vận hành hệ thống phân phối tại các công ty điện lực trong công tác tính toán trào lưu công suất, giảm tổn thất kỹ thuật và xây dựng phương án chuyển tải sự cố.

Các phần nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

  • Quy trình từng bước thực thi giải thuật đổi nhánh Civanlar và kỹ thuật chọn khóa mở dựa trên dòng điện nhỏ nhất.
  • Phương pháp xây dựng mô hình và chạy mô phỏng Time Step Simulation tích hợp nguồn điện mặt trời trên phần mềm PowerWorld Simulator.
  • Các biểu mẫu tính toán ngắn mạch và phương pháp phân tích nâng áp bằng nấc điều chỉnh máy biến áp và tụ bù.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao lưới điện phân phối thường được thiết kế cấu trúc mạch vòng kín nhưng bắt buộc phải vận hành ở trạng thái hở (hình tia)?
Lưới điện phân phối được thiết kế mạch vòng kín nhằm tạo tính linh hoạt trong việc chuyển đổi phương thức cấp điện khi có sự cố hoặc sửa chữa. Tuy nhiên, trong điều kiện vận hành bình thường, lưới phải vận hành hở (hình tia) để làm giảm đáng kể trị số dòng điện ngắn mạch khi xuất hiện sự cố, đồng thời đơn giản hóa việc tính toán, phối hợp và cài đặt các thiết bị bảo vệ rơ-le.

2. Cấu hình vận hành tối ưu nào cho tổn thất công suất nhỏ nhất theo giải thuật Civanlar và giá trị đạt được là bao nhiêu?
Qua 5 bước lặp đổi nhánh của giải thuật Civanlar, cấu hình tối ưu đạt được khi mở cặp khóa điện trên các nhánh 3-4 và 15-13. Tại cấu hình này, tổng tổn thất công suất tác dụng của hệ thống giảm xuống mức nhỏ nhất là $0.0493\text{ MW}$, và tổng tổn thất năng lượng sau chu kỳ 24 giờ là $2.3002\text{ MWh}$.

3. Hai nguyên tắc chọn khóa đóng và khóa mở trong giải thuật heuristic của Civanlar được phát biểu như thế nào?

  • Nguyên tắc chọn khóa đóng: Việc giảm tổn thất công suất chỉ có thể đạt được nếu có sự chênh lệch điện áp đáng kể tại vị trí khóa đang mở.
  • Nguyên tắc chọn khóa mở: Việc giảm tổn thất công suất chỉ đạt được khi thực hiện chuyển tải từ phía có độ sụt áp lớn sang phía có độ sụt áp nhỏ hơn.

4. Khi đường dây 6-7 gặp sự cố, phương án chuyển tải nào được xác định là tối ưu và việc xây thêm tuyến dây nào mang lại hiệu quả cao nhất?
Khi cô lập đường dây sự cố 6-7, phương án mở đường dây 12-11 mang lại tổng tổn thất công suất nhỏ nhất là $0.1035\text{ MW}$ (tốt hơn phương án mở nhánh 4-15 với $0.1163\text{ MW}$). Trong trường hợp đề xuất xây dựng thêm tuyến dây mới nối từ Bus 6, việc lắp đặt thêm nhánh 6-11 giúp giảm tổn thất công suất xuống mức thấp nhất là $0.0468\text{ MW}$ (so với nhánh 6-3 là $0.0521\text{ MW}$).

5. Tại sao công suất phát thực tế của tụ bù tại Bus 4 lại nhỏ hơn giá trị định mức 2.4 Mvar?
Công suất phản kháng phát ra của tụ bù phụ thuộc trực tiếp vào điện áp thực tế tại nút đặt tụ theo công thức $Q_{phát} = Q_{đm} \cdot (U / U_{đm})^2$. Tụ điện chỉ phát đúng dung lượng định mức $2.4\text{ Mvar}$ khi điện áp nút đạt $1.00\text{ pu}$. Do tại Bus 4 cấp điện áp thực tế vận hành là $0.92\text{ pu}$, công suất phản kháng phát ra của tụ bị suy giảm xuống mức xấp xỉ $2.03\text{ Mvar}$.

Kết luận

Đồ án đã giải quyết bài toán vận hành tối ưu hệ thống điện phân phối 15 nút tích hợp pin năng lượng mặt trời bằng cách phối hợp giữa giải thuật đổi nhánh Civanlar và công cụ mô phỏng PowerWorld Simulator. Kết quả nghiên cứu chứng minh việc tái cấu hình đóng/mở khóa điện (mở nhánh 3-4 và 15-13) kết hợp điều chỉnh nấc phân áp và bù công suất phản kháng giúp cực tiểu hóa tổn thất công suất xuống $0.0493\text{ MW}$ mà không phát sinh chi phí đầu tư lớn. Công trình cung cấp cơ sở kỹ thuật rõ ràng cho công tác quản lý vận hành, xử lý sự cố và quy hoạch mở rộng lưới điện phân phối trung áp.