Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện phân phối tại thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng cho một trong những trung tâm kinh tế lớn nhất Việt Nam. Với tổng công suất truyền tải lưới điện 110kV ước khoảng 7.400 MVA và công suất lắp đặt các trạm biến áp 110kV đạt gần 5.676 MVA, việc tối ưu hóa vận hành lưới điện nhằm giảm tổn thất công suất thực là một nhiệm vụ cấp thiết. Tổn thất điện năng trên lưới 110kV chiếm tỷ trọng lớn trong tổng tổn thất hệ thống phân phối, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kinh tế và độ tin cậy cung cấp điện. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng phần mềm PSS/E kết hợp giải thuật tối ưu hóa công suất phản kháng (Optimal Power Flow - OPF) sử dụng phương pháp Newton kết hợp hàm Lagrangian để điều độ công suất phản kháng qua tụ bù trung thế và bộ điều chỉnh nấc phân áp máy biến áp 110kV, từ đó giảm thiểu tổn thất công suất thực trên lưới điện 110kV TP.HCM. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình lưới điện 110kV khu vực TP.HCM với dữ liệu thực tế năm 2014, đồng thời phát triển công cụ hỗ trợ lập phương thức vận hành định kỳ, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và giảm tổn thất điện năng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả khai thác các thiết bị điều độ công suất phản kháng, đồng thời hỗ trợ công tác quản lý vận hành lưới điện phân phối tại TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Bài toán tối ưu hóa trào lưu công suất (Optimal Power Flow - OPF): Đây là bài toán tối ưu hóa nhằm tìm ra các biến điều khiển như công suất phản kháng, điện áp các nút, nấc phân áp máy biến áp sao cho hàm mục tiêu (giảm tổn thất công suất thực) được cực tiểu trong các giới hạn vận hành hệ thống điện.

  • Phương pháp Newton kết hợp hàm Lagrangian: Phương pháp giải bài toán OPF sử dụng kỹ thuật Newton để giải hệ phương trình phi tuyến, kết hợp với hàm Lagrangian để xử lý các ràng buộc bằng cách đưa các điều kiện ràng buộc vào hàm mục tiêu thông qua nhân tử Lagrange.

  • Các khái niệm chính:

    • Tụ bù trung thế 15/22kV: Thiết bị tĩnh, ba pha đấu sao, dùng để nâng cao hệ số công suất cosφ tại thanh cái trung thế.
    • Bộ điều chỉnh nấc phân áp máy biến áp (OLTC): Thiết bị điều chỉnh điện áp phía trung thế của máy biến áp 110kV bằng cách thay đổi số vòng dây cuộn cao áp.
    • Tổn thất công suất thực trên lưới điện: Lượng công suất thực bị tiêu hao do điện trở đường dây và thiết bị, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả vận hành.
    • Ràng buộc Hard Limits và Soft Limits: Các giới hạn vật lý và vận hành được đưa vào bài toán OPF dưới dạng hàm rào chắn để đảm bảo các biến điều khiển không vượt quá giới hạn cho phép.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu lưới điện 110kV khu vực TP.HCM năm 2014, bao gồm thông số các đường dây, máy biến áp, tụ bù trung thế, phụ tải và các ràng buộc vận hành được thu thập từ Tổng công ty Điện lực TP.HCM.

  • Phương pháp phân tích:

    • Xây dựng mô hình toán học bài toán OPF với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất thực.
    • Áp dụng giải thuật Newton kết hợp hàm Lagrangian để giải bài toán OPF trong phần mềm PSS/E.
    • Mô phỏng vận hành lưới điện 110kV với các biến điều khiển là công suất phản kháng của tụ bù trung thế và nấc phân áp máy biến áp OLTC.
    • Phân tích kết quả mô phỏng so sánh với số liệu thực tế để đánh giá hiệu quả giảm tổn thất.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2014, bao gồm các bước thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, lập trình công cụ hỗ trợ bằng Python, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm tổn thất công suất thực trên lưới 110kV: Qua mô phỏng bài toán OPF trên lưới điện 110kV TP.HCM, tổn thất công suất thực được giảm khoảng 5-7% so với phương thức vận hành truyền thống. Ví dụ, tại thời điểm 14h ngày 08/04/2014, tổn thất công suất thực giảm từ mức 12 MW xuống còn khoảng 11,2 MW.

  2. Vận hành tối ưu tụ bù trung thế: Việc điều chỉnh trạng thái đóng/cắt các dàn tụ bù trung thế theo phương pháp OPF giúp giảm số lần đóng cắt không cần thiết, từ trung bình 50 lần/tháng xuống còn khoảng 35 lần/tháng, góp phần kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm thiểu dao động điện áp.

  3. Điều chỉnh nấc phân áp OLTC hiệu quả: Số lần chuyển nấc phân áp trung bình ngày của OLTC máy biến áp 110kV giảm khoảng 20% so với vận hành hiện tại, giúp ổn định điện áp trung thế trong phạm vi quy định (15,2kV - 15,75kV) và giảm tổn thất điện năng.

  4. Công cụ hỗ trợ lập phương thức vận hành: Bộ công cụ lập trình bằng Python với giao diện thân thiện giúp rút ngắn thời gian phân tích và lập phương thức vận hành định kỳ từ vài giờ xuống còn khoảng 30 phút, nâng cao năng suất lao động.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp điều độ công suất phản kháng sử dụng giải thuật Newton kết hợp hàm Lagrangian trong phần mềm PSS/E có khả năng giảm tổn thất công suất thực trên lưới điện 110kV một cách hiệu quả. Việc tối ưu hóa trạng thái vận hành của tụ bù trung thế và OLTC không chỉ giảm tổn thất mà còn góp phần ổn định điện áp, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng thuật toán di truyền hoặc PSO, phương pháp Newton cho tốc độ hội tụ nhanh hơn và dễ dàng tích hợp trong phần mềm chuyên dụng PSS/E. Biểu đồ so sánh tổn thất công suất thực giữa mô phỏng OPF và số liệu thực tế có thể được trình bày qua bảng số liệu và biểu đồ cột, minh họa sự giảm tổn thất rõ rệt tại các thời điểm vận hành khác nhau trong ngày. Ngoài ra, việc giảm số lần đóng cắt tụ bù và chuyển nấc OLTC cũng làm giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị, điều này có ý nghĩa kinh tế lâu dài cho các công ty điện lực.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng phương pháp OPF trong vận hành định kỳ: Các công ty điện lực nên áp dụng giải thuật OPF sử dụng phần mềm PSS/E để xây dựng phương thức vận hành tối ưu cho tụ bù trung thế và OLTC, nhằm giảm tổn thất công suất thực trên lưới điện 110kV trong vòng 6-12 tháng tới.

  2. Phát triển và tích hợp công cụ hỗ trợ tự động: Nâng cấp bộ công cụ lập trình Python hiện có để tích hợp trực tiếp với hệ thống SCADA, giúp tự động thu thập dữ liệu và cập nhật phương thức vận hành theo thời gian thực, giảm thời gian thao tác và tăng độ chính xác.

  3. Đào tạo nhân sự vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư vận hành về ứng dụng phần mềm PSS/E và giải thuật OPF, nâng cao năng lực phân tích và điều hành lưới điện trong 3-6 tháng tới.

  4. Mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các cấp điện áp khác: Khuyến nghị nghiên cứu tiếp tục mở rộng mô hình và giải thuật OPF cho lưới điện trung, hạ thế nhằm tối ưu hóa toàn bộ hệ thống phân phối điện, dự kiến trong 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư vận hành lưới điện: Giúp nâng cao kiến thức về tối ưu hóa vận hành lưới điện 110kV, áp dụng phần mềm PSS/E và giải thuật OPF để giảm tổn thất và ổn định điện áp.

  2. Nhà quản lý và hoạch định kỹ thuật: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách vận hành và đầu tư thiết bị điều độ công suất phản kháng hiệu quả, từ đó tối ưu hóa chi phí vận hành và bảo trì.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành điện: Là tài liệu tham khảo về ứng dụng các phương pháp toán học và công cụ phần mềm trong giải quyết bài toán tối ưu hóa lưới điện phân phối.

  4. Các công ty phần mềm và phát triển công cụ kỹ thuật: Tham khảo mô hình và thuật toán để phát triển các giải pháp phần mềm hỗ trợ vận hành lưới điện thông minh, nâng cao hiệu quả và tự động hóa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phần mềm PSS/E có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    PSS/E là phần mềm chuyên dụng trong ngành điện, hỗ trợ mô phỏng lưới điện truyền tải và phân phối với khả năng xử lý bài toán OPF phức tạp, tích hợp nhiều ràng buộc vận hành, giúp mô phỏng chính xác và nhanh chóng.

  2. Tại sao chọn phương pháp Newton kết hợp hàm Lagrangian?
    Phương pháp này có tốc độ hội tụ nhanh, khả năng xử lý tốt các ràng buộc phi tuyến và bất đẳng thức, phù hợp với bài toán OPF có nhiều biến điều khiển và ràng buộc phức tạp như trong lưới điện 110kV.

  3. Lợi ích của việc điều chỉnh tụ bù trung thế và OLTC là gì?
    Điều chỉnh hợp lý giúp giảm tổn thất công suất thực, ổn định điện áp trung thế, giảm số lần đóng cắt thiết bị, từ đó kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo trì.

  4. Công cụ lập trình Python hỗ trợ gì cho vận hành lưới điện?
    Công cụ này giúp tự động hóa quá trình phân tích bài toán OPF, rút ngắn thời gian lập phương thức vận hành định kỳ, tăng hiệu quả công tác vận hành và giảm sai sót do thao tác thủ công.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các lưới điện khác không?
    Có thể áp dụng cho các hệ thống lưới điện có cấu trúc tương tự, đặc biệt là các lưới điện phân phối 110kV tại các thành phố lớn, đồng thời có thể mở rộng cho các cấp điện áp trung và hạ thế với điều chỉnh phù hợp.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình bài toán điều độ công suất phản kháng sử dụng giải thuật Newton kết hợp hàm Lagrangian trong phần mềm PSS/E, tập trung vào lưới điện 110kV TP.HCM.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy giảm tổn thất công suất thực từ 5-7%, đồng thời giảm số lần đóng cắt tụ bù và chuyển nấc OLTC, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và độ tin cậy lưới điện.
  • Bộ công cụ lập trình Python hỗ trợ tự động hóa phân tích và lập phương thức vận hành, rút ngắn thời gian thao tác và tăng năng suất lao động.
  • Đề xuất triển khai áp dụng phương pháp OPF trong vận hành định kỳ, đào tạo nhân sự và mở rộng nghiên cứu cho các cấp điện áp khác.
  • Khuyến khích các đơn vị quản lý, vận hành và nghiên cứu ngành điện tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành lưới điện phân phối.

Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp tối ưu hóa công suất phản kháng để nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện ngay hôm nay!