Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối đóng vai trò huyết mạch trong việc truyền tải năng lượng từ trạm trung gian đến từng hộ tiêu thụ, chiếm tỷ lệ tổn thất điện năng cao gấp 3 đến 4 lần so với lưới truyền tải quốc gia. Tại địa bàn huyện Phúc Thọ thuộc thành phố Hà Nội, tính đến thời điểm khảo sát năm 2021, Công ty Điện lực Phúc Thọ trực tiếp quản lý 347,654 km đường dây hạ thế 0,4 kV cùng 288 trạm biến áp tài sản ngành điện có tổng dung lượng 100.990 MVA, phục vụ 47.818 công tơ các loại. Đặc thù vận hành của lưới điện trung hạ thế 22/0,4 kV là cấu trúc mạch vòng nhưng luôn duy trì chế độ vận hành hở hình tia nhằm hạn chế dòng ngắn mạch và đơn giản hóa hệ thống rơ le bảo vệ.

Tuy nhiên, sự gia tăng nhanh chóng của các phụ tải sinh hoạt một pha phân bố không đều giữa ba pha A, B, C đã gây ra hiện tượng mất cân bằng dòng điện nghiêm trọng, làm phát sinh dòng điện lớn chạy trên dây trung tính và làm gia tăng đột biến tổn thất công suất tác dụng. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng giải pháp tối ưu hóa phân bố lại vị trí phụ tải ba pha bằng trí tuệ nhân tạo, giúp triệt tiêu dòng không cân bằng mà không đòi hỏi chi phí đầu tư nâng cấp tiết diện dây dẫn. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật tại trạm biến áp Hát Môn 2 có công suất định mức 320 kVA cấp điện cho 47 nút phụ tải thực tế. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm thiểu chi phí tổn thất điện năng với đơn giá ước tính 2500 đồng mỗi kilowatt giờ, đồng thời tối ưu hóa chi phí đảo pha nhân công ở mức khoảng 25000 đồng cho mỗi vị trí hoán đổi.

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 mạch điện ba pha không đối xứng và lý thuyết tối ưu hóa bầy đàn thông minh. Khi phụ tải ba pha không cân bằng, công suất tác dụng và phản kháng trên dây trung tính xuất hiện do tổng dòng điện ba pha lệch khỏi giá trị không. Tổn thất công suất tác dụng tổng thể bằng tổng tổn thất trên ba dây pha cộng với tổn hao trên dây trung tính. Để cực tiểu hóa lượng tổn hao này, hệ thống bắt buộc phải đưa tỷ lệ phân bổ công suất trên ba pha về trạng thái tương đương nhau.

Bên cạnh lý thuyết tổn thất kinh điển, khung nghiên cứu tích hợp mô hình tối ưu hóa bầy đàn truyền thống phát triển bởi Kennedy và Eberhart cùng biến thể nâng cao là thuật toán tối ưu hóa xác suất hạt rời rạc chọn lọc. Mô hình này vận hành song song với các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm tái cấu hình lưới điện phân phối, nguồn điện phân tán và chỉ số cân bằng tải. Không gian tìm kiếm được mô hình hóa dưới dạng tổ hợp ma trận nhị phân kích thước số hàng bằng tổng lượng tải và số cột bằng 3 pha nguồn, trong đó mỗi phần tử mang giá trị 0 hoặc 1 thể hiện trạng thái gán pha của từng phụ tải.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu được thu thập thực tế từ hồ sơ kỹ thuật của Công ty Điện lực Phúc Thọ vào năm 2021, tập trung vào sơ đồ cấp điện của trạm biến áp Hát Môn 2 gồm 47 nút tiêu thụ với tổng số 42.224 công tơ một pha và 5.594 công tơ ba pha phân bổ theo đồ thị phụ tải ngày đêm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 47 cụm phụ tải đại diện cho các hộ dân cư nông thôn và làng nghề truyền thống. Phương pháp chọn mẫu điển hình có chủ đích được áp dụng do trạm Hát Môn 2 hội tụ đầy đủ đặc trưng lưới điện hình tia nông thôn: bán kính cấp điện dài, phụ tải biến động mạnh theo giờ sinh hoạt và tỷ lệ tổn thất kỹ thuật cao.

Nghiên cứu sử dụng phương pháp quét ngược xuôi cải tiến kết hợp giải thuật tối ưu hóa xác suất hạt rời rạc chọn lọc trên môi trường mô phỏng Matlab. Lý do lựa chọn phương pháp quét ngược xuôi thay vì phương pháp Newton Raphson truyền thống là bởi lưới phân phối hình tia có tỷ số điện trở trên điện kháng rất lớn, khiến ma trận dẫn nạp dễ rơi vào tình trạng suy biến và khó hội tụ. Thuật toán quét ngược xuôi áp dụng định luật Kirchhoff để tính toán dòng công suất cộng dồn từ nút cuối về nút nguồn, sau đó cập nhật điện áp từ nguồn trở lại các nút biên một cách chính xác tuyệt đối. Toàn bộ kết quả tính toán trên Matlab được kiểm chứng đối soát chéo độc lập thông qua phần mềm tiêu chuẩn công nghiệp PSS ADEPT nhằm xác nhận độ tin cậy của thuật toán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng trên lưới điện trạm biến áp Hát Môn 2 với 47 nút tải thực tế đã mang lại ba phát hiện quan trọng có giá trị thực tiễn vượt bậc:

Thứ nhất, ở trạng thái vận hành ban đầu khi chưa tối ưu hóa, phụ tải giữa các pha lệch nhau rõ rệt khiến dòng điện trên dây trung tính luôn duy trì ở mức cao, gây ra tổn hao công suất trên toàn tuyến dây hạ thế vượt mức 7,4 kilowatt tại các thời điểm cao điểm. Sau khi áp dụng thuật toán tối ưu hóa xác suất hạt rời rạc chọn lọc, hệ thống đã tự động tính toán phương án đảo pha tối ưu, giúp giảm tổn thất công suất tác dụng toàn mạng xuống hơn 45% so với ban đầu.

Thứ hai, hàm mục tiêu đa chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đã phát huy tác dụng khống chế số lượng thao tác hoán đổi pha. Thay vì phải đảo pha toàn bộ các hộ tiêu thụ gây lãng phí chi phí nhân công, thuật toán chỉ yêu cầu chuyển đổi vị trí gán pha của 8 đến 12 nút tải trọng yếu trong tổng số 47 nút. Chi phí chuyển đổi với mức 25000 đồng mỗi vị trí được bù đắp hoàn toàn chỉ sau một thời gian ngắn vận hành nhờ lượng điện năng tiết kiệm với giá 2500 đồng mỗi kilowatt giờ.

Thứ ba, nghiên cứu phát hiện sự xuất hiện của các nguồn điện mặt trời áp mái công suất nhỏ tại hộ gia đình làm trầm trọng thêm mức độ mất cân bằng pha nếu phát ngược công suất không đồng đều. Khi xét đến kịch bản tích hợp nguồn điện phân tán áp mái, giải thuật đề xuất vẫn nhanh chóng hội tụ sau khoảng 30 đến 40 thế hệ lặp, đưa độ lệch dòng điện giữa các pha về mức an toàn dưới 10%, ngăn ngừa hiện tượng quá điện áp cục bộ tại các nút cuối nguồn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp thuật toán tối ưu hóa xác suất hạt rời rạc chọn lọc đạt hiệu quả vượt trội so với các phương pháp giải thuật di truyền hay bầy đàn liên tục nằm ở cơ chế chuyển đổi ma trận xác suất nhị phân. Các biến trạng thái đóng mở hay chọn pha vốn dĩ mang tính chất số nguyên rời rạc từ 1 đến 3. Thuật toán đã loại bỏ hoàn toàn hiện tượng làm tròn số thập phân, khắc phục triệt để nhược điểm rơi vào điểm cực trị địa phương và rút ngắn thời gian tính toán trào lưu công suất xuống chỉ còn vài giây.

Dữ liệu tính toán trong nghiên cứu có thể được trực quan hóa sinh động thông qua biểu đồ suy giảm năng lượng tổn thất theo từng chu kỳ lặp và bảng so sánh điện áp nút trước và sau cân bằng tải. Biểu đồ đường thể hiện rõ giá trị hàm mục tiêu hội tụ mượt mà sau 35 vòng lặp, trong khi bảng đối chiếu kết quả giữa phần mềm Matlab và phần mềm kiểm chứng PSS ADEPT cho thấy độ sai lệch điện áp nút luôn nhỏ hơn 0,8%. Điều này khẳng định độ chính xác cao của thuật toán khi áp dụng vào lưới điện thực tế. Ý nghĩa kỹ thuật của nghiên cứu là giúp đơn vị điện lực không cần bỏ ra hàng tỷ đồng để nâng cấp dây dẫn hay thay mới máy biến áp mà vẫn xử lý dứt điểm tình trạng sụt áp cuối nguồn và cháy hỏng thiết bị do lệch pha.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa các đóng góp học thuật vào công tác quản trị lưới điện phân phối, bốn khuyến nghị hành động cụ thể được đề xuất:

Một là, Công ty Điện lực Phúc Thọ và Tổng công ty Điện lực thành phố Hà Nội cần sớm triển khai thử nghiệm module thuật toán tối ưu hóa xác suất hạt rời rạc chọn lọc tích hợp trực tiếp vào hệ thống quản lý lưới điện phân phối tự động trong lộ trình 6 tháng tới. Mục tiêu hướng tới là tự động hóa khâu phân tích dữ liệu trào lưu và đưa ra khuyến nghị đảo pha định kỳ hàng quý.

Hai là, tiến hành chuẩn hóa việc lắp đặt các bộ thiết bị chuyển đổi pha phụ tải bán tự động hoặc công tắc đảo pha thông minh tại các nút có phụ tải dao động lớn trên 20 kilowatt. Kế hoạch này nên ưu tiên áp dụng ngay trong năm 2024 cho các trạm biến áp đang có mức tổn hao kỹ thuật trên 6%.

Ba là, ban hành quy chế kỹ thuật bắt buộc về việc đấu nối nguồn điện mặt trời áp mái vào lưới điện hạ thế 0,4 kV. Đơn vị điều độ cần giám sát chặt chẽ công suất phát của từng pha, thiết lập ngưỡng phát đồng đều trên ba pha đối với các hệ thống pin mặt trời gia đình có công suất từ 5 kilowatt trở lên nhằm tránh gây nhiễu loạn cân bằng pha.

Bốn là, tổ chức các khóa tập huấn nâng cao năng lực cho đội ngũ kỹ sư vận hành trong thời gian 12 tháng, tập trung vào kỹ năng khai thác dữ liệu từ hệ thống đo xa công tơ điện tử để định kỳ 6 tháng một lần chạy lại mô hình tối ưu tải, đảm bảo chỉ số mất cân bằng pha của toàn bộ trạm biến áp luôn duy trì dưới ngưỡng 5%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và thực tiễn phong phú, đặc biệt phù hợp cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn sau:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư vận hành, chuyên viên kỹ thuật điều độ tại các công ty điện lực trực thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam. Tài liệu cung cấp giải pháp thực tế để xử lý bài toán giảm tổn thất kỹ thuật lưới hạ thế mà không phát sinh chi phí đầu tư xây dựng cơ bản lớn.

Nhóm thứ hai là các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Hệ thống điện, Kỹ thuật năng lượng. Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về cách cải tiến thuật toán metaheuristic từ không gian liên tục sang không gian rời rạc phục vụ bài toán kỹ thuật chuyên biệt.

Nhóm thứ ba là các doanh nghiệp công nghệ hoạt động trong lĩnh vực phát triển thiết bị lưới điện thông minh và hệ thống quản lý năng lượng tự động. Doanh nghiệp có thể kế thừa thuật toán để nhúng vào các bộ điều khiển đảo pha tự động lắp đặt ngoài hiện trường.

Nhóm thứ tư là các cán bộ hoạch định chính sách kỹ thuật và chuyển dịch năng lượng tại Sở Công Thương và các cơ quan quản lý nhà nước, phục vụ công tác xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật tích hợp điện mặt trời mái nhà vào hạ tầng lưới điện hiện hữu.

Câu hỏi thường gặp

Lưới điện phân phối 22kV tại Việt Nam vì sao được thiết kế mạch vòng nhưng lại vận hành hở hình tia? Lưới điện phân phối vận hành hở hình tia giúp hạn chế đáng kể giá trị dòng điện ngắn mạch khi xảy ra sự cố, từ đó giảm chi phí trang bị thiết bị đóng cắt công suất lớn. Cấu trúc này cũng cho phép đơn vị vận hành sử dụng hệ thống rơ le bảo vệ quá dòng đơn giản, tiết kiệm hơn 30% chi phí đầu tư hệ thống bảo vệ so với vận hành mạch vòng kín.

Mất cân bằng tải ba pha gây ra những tổn thất kinh tế và kỹ thuật cụ thể nào? Mất cân bằng phụ tải khiến dòng điện chạy qua dây trung tính tăng cao, làm gia tăng tổn thất công suất tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện. Về mặt kỹ thuật, tình trạng này gây sụt áp nghiêm trọng ở pha đầy tải, làm giảm tuổi thọ máy biến áp do phát nhiệt cục bộ và phát sinh chi phí hàng trăm triệu đồng tiền điện tổn thất mỗi năm cho mỗi trạm phân phối.

Điểm cải tiến cốt lõi của thuật toán bầy đàn rời rạc chọn lọc so với bầy đàn nguyên bản là gì? Giải thuật bầy đàn nguyên bản được thiết kế cho không gian nghiệm liên tục, trong khi bài toán chọn pha chỉ chấp nhận giá trị nguyên đại diện cho ba pha. Thuật toán cải tiến sử dụng ma trận phân bố nhị phân và vectơ điều khiển xác suất thay thế cho công thức vận tốc truyền thống, giúp loại bỏ sai số do làm tròn số và tăng tốc độ hội tụ gấp nhiều lần.

Sự phát triển của điện mặt trời áp mái tác động thế nào đến bài toán phân bố tải ba pha? Hệ thống điện mặt trời áp mái chủ yếu là nguồn phát một pha công suất nhỏ từ 3 đến 10 kilowatt kết nối rải rác. Khi các hộ gia đình phát điện ngược lên lưới vào buổi trưa không đồng đều giữa các pha, tình trạng mất cân bằng điện áp và trào lưu công suất ngược trở nên trầm trọng hơn, đòi hỏi thuật toán tối ưu phải tính toán phân bổ lại pha linh hoạt theo từng mốc thời gian.

Vì sao phương pháp quét ngược xuôi lại được ưu tiên lựa chọn để tính toán tổn thất lưới phân phối? Lưới điện hạ áp có tỷ số giữa điện trở và điện kháng đường dây rất cao, khiến các thuật toán giải trào lưu cổ điển như Newton Raphson thường gặp lỗi không hội tụ nghiệm. Phương pháp quét ngược xuôi dựa trên các phương trình đệ quy định luật Kirchhoff đơn giản, giải lặp nhanh chóng trong vài giây cho mạng 47 nút mà vẫn đảm bảo độ chính xác tuyệt đối.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật phức tạp về phân bố tối ưu phụ tải ba pha trên lưới điện phân phối 22/0,4 kV thông qua các điểm nhấn cốt lõi:

  • Khẳng định cơ sở lý luận khoa học vững chắc về sự xuất hiện dòng điện trung tính và tổn hao công suất do lệch pha trên mạng lưới hình tia.
  • Xây dựng thành công thuật toán tối ưu hóa xác suất hạt rời rạc chọn lọc kết hợp phương pháp quét ngược xuôi, khắc phục triệt để nhược điểm của các giải thuật tối ưu liên tục truyền thống.
  • Ứng dụng kiểm chứng thành công trên mô hình thực tế trạm biến áp Hát Môn 2 công suất 320 kVA tại huyện Phúc Thọ với 47 nút tải, đạt mức giảm tổn thất công suất trên 45%.
  • Tích hợp thành công yếu tố nguồn điện mặt trời áp mái vào bài toán tái cấu hình phụ tải, giữ vững ổn định điện áp theo tiêu chuẩn vận hành.
  • Xây dựng hàm mục tiêu kinh tế kỹ thuật hài hòa giữa mức tiết kiệm tiền điện tổn thất theo giá 2500 đồng mỗi kilowatt giờ và chi phí hoán đổi pha thiết bị.

Đóng góp lớn nhất của công trình là cung cấp một công cụ tính toán tự động, chính xác và có tính khả thi ứng dụng cao mà không đòi hỏi chi phí đầu tư cải tạo lưới điện tốn kém. Trong giai đoạn 2024 đến 2025, hướng phát triển tiếp theo của đề tài là tích hợp thuật toán vào các thiết bị chuyển pha tự động tại hiện trường để vận hành thời gian thực. Các đơn vị quản lý vận hành điện lực và các nhà nghiên cứu hãy chủ động ứng dụng mô hình này vào thực tế để nâng cao hiệu quả kinh tế và chất lượng điện năng cung cấp cho cộng đồng.