Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối khu vực trung tâm thành phố Nha Trang đóng vai trò huyết mạch trong việc đảm bảo an ninh năng lượng cho trung tâm kinh tế, du lịch trọng điểm của tỉnh Khánh Hòa. Hệ thống hiện đang quản lý địa bàn 15 phường xã với quy mô gồm 63,513 km đường dây trung áp 22 kV, 9,81 km đường dây 35 kV, 255,98 km đường dây hạ áp và 626 trạm biến áp phân phối có tổng dung lượng đạt 255 MVA. Khu vực này cấp điện trực tiếp cho hơn 64.500 khách hàng, chiếm khoảng 18,3% tổng lượng khách hàng toàn tỉnh. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của các cơ sở lưu trú và dịch vụ du lịch khiến phụ tải biến động mạnh, dẫn đến tình trạng tổn thất điện năng tại một số xuất tuyến lên tới 8,98%, đồng thời gây lệch điểm đặt tụ bù và suy giảm chất lượng điện áp cục bộ.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng mô hình tính toán tối ưu hóa phương thức vận hành cho 12 xuất tuyến 22 kV thuộc trạm nguồn 110 kV E27 Nha Trang trong giai đoạn năm 2017. Đề tài tập trung giải quyết bài toán phân bố công suất, xác định vị trí và dung lượng lắp đặt tụ bù tối ưu, đồng thời lựa chọn các điểm mở mạch vòng hợp lý. Kết quả nghiên cứu hướng đến việc giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng, duy trì độ lệch điện áp trong ngưỡng kỹ thuật cho phép ±5%, và đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chí của Tổng công ty Điện lực Miền Trung (EVNCPC): sản lượng điện năng phản kháng nhận không vượt quá 20% và sản lượng phản kháng phát ngược không vượt quá 2% so với sản lượng điện đầu xuất tuyến theo quy định tại Thông tư 39/2015/TT-BCT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết truyền tải điện năng và cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện phân phối. Mối quan hệ giữa tổn thất công suất tác dụng và dòng công suất phản kháng truyền tải trên đường dây được xác định qua công thức giải tích cơ bản:

$$\Delta P = \frac{P^2 + Q^2}{U^2} R = \Delta P(P) + \Delta P(Q)$$

Trong đó, việc giảm lượng công suất phản kháng truyền tải (Q) sẽ trực tiếp triệt tiêu thành phần tổn thất công suất $\Delta P(Q)$, đồng thời làm giảm độ sụt áp $\Delta U = (PR + QX)/U$, nâng cao khả năng mang tải của dây dẫn và máy biến áp mà không làm gia tăng phát nóng vượt giới hạn dòng điện định mức.

Bên cạnh đó, đề tài ứng dụng lý thuyết tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật trong phân phối điện năng. Mô hình tối ưu hóa cân bằng giữa hàm mục tiêu cực tiểu hóa chi phí (bao gồm chi phí đầu tư thiết bị bù, chi phí bảo trì và chi phí tổn thất điện năng phát sinh) với các ràng buộc kỹ thuật khắt khe về giới hạn điện áp nút, hệ số công suất ($cos\varphi \ge 0,9$) và dung lượng bù giới hạn để tránh hiện tượng quá điện áp lúc thấp điểm. Các khái niệm cốt lõi được áp dụng xuyên suốt gồm có: công suất biểu kiến, bù tĩnh, bù ứng động tự động điều chỉnh, dòng điện kích từ và cấu trúc điểm mở mạch vòng tối ưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập và xử lý toàn bộ dữ liệu vận hành từ hệ thống quản lý thông tin khách hàng (CMIS) và hệ thống đo đếm từ xa (MDMS) của 12 xuất tuyến 22 kV (từ tuyến 471-E27 đến 485-E27), bao gồm 590 trạm biến áp phân phối với tổng công suất đặt 217 MVA và 18 cụm tụ bù trung áp hiện hữu trong 6 tháng đầu năm 2017.

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu toàn bộ (census sampling) trên toàn mạng lưới trung áp thực tế của Điện lực Trung tâm Nha Trang. Việc chọn mẫu toàn phần là bắt buộc đối với bài toán mô phỏng hệ thống điện nhằm loại bỏ sai số biên và đảm bảo tính liên tục của các nút phụ tải trong cấu trúc mạch vòng kín vận hành hở.

Nghiên cứu sử dụng phần mềm chuyên dụng PSS/ADEPT 5.0 (Power System Simulator/Advanced Distribution Engineering Productivity Tool) để phân tích mô phỏng. Lý do lựa chọn công cụ này là nhờ khả năng xử lý bài toán phân bố công suất (Load Flow) bằng phương pháp lặp chuẩn xác trên mạng lưới quy mô không hạn chế số nút, kết hợp hai thuật toán tối ưu hóa chuyên sâu: module CAPO (Optimal Capacitor Placement) giải bài toán đặt tụ bù kinh tế và module TOPO (Tie Open Point Optimization) giải bài toán tối ưu hóa cấu hình điểm mở để cực tiểu hóa tổn thất kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích hiện trạng cho thấy cơ cấu phụ tải mang tính chất đặc thù của đô thị du lịch ven biển: phụ tải quản lý tiêu dùng dân cư chiếm 40,54% và thương mại - dịch vụ chiếm 39,62%, trong khi công nghiệp chỉ chiếm 13,31%. Do đó, chế độ mang tải cao duy trì liên tục từ 7h00 đến 23h00 hàng ngày. Mức độ tổn thất điện năng giữa các xuất tuyến có sự chênh lệch rất lớn: xuất tuyến 472-E27 có tổn thất thấp nhất ở mức 1,14% (công suất đỉnh 7,0 MW), trong khi các tuyến như 475-E27, 479-E27 có mức tổn thất lên đến 8,98% và tuyến 484-E27 ghi nhận mức 8,40%.

Khảo sát hệ thống tụ bù hiện hữu gồm 18 vị trí cho thấy có tới 11 cụm tụ bù dung lượng từ 300 kVAr đến 600 kVAr đang ở trạng thái cô lập hoặc hư hỏng thiết bị chuyển mạch (điển hình như các cụm TBN406, TBN407, TBN409, TBN4011). Điều này gây suy giảm hệ số $cos\varphi$ trên đường trục, làm tăng lượng công suất phản kháng nhận về trạm nguồn 110 kV vượt ngưỡng quy định 20%.

Khi thực hiện tính toán tối ưu hóa đồng thời bằng module CAPO và TOPO trên phần mềm PSS/ADEPT 5.0, kết quả mô phỏng ghi nhận sự cải thiện vượt bậc. Việc tái cấu hình lại vị trí các bộ tụ bù 300 kVAr kết hợp điều chỉnh các điểm mở phân đoạn giữa các cặp xuất tuyến liên lạc (như 471-479, 473-477, 474-485) đã giúp cắt giảm tổn thất công suất tác dụng toàn mạng khoảng 14,5% vào giờ cao điểm, đồng thời nâng mức điện áp nút thấp nhất từ 0,92 pu lên đạt trên 0,96 pu, hoàn toàn thỏa mãn dải dao động cho phép.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của tình trạng tổn thất cao cục bộ bắt nguồn từ sự dịch chuyển nhanh chóng của tâm phụ tải dịch vụ du lịch dọc tuyến đường ven biển, trong khi cấu hình kết dây và vị trí tụ bù cố định được thiết lập từ các giai đoạn trước không còn phù hợp. Toàn bộ dữ liệu phân bố công suất tác dụng và công suất phản kháng theo 24 giờ của 12 xuất tuyến có thể được trực quan hóa hiệu quả qua hệ thống biểu đồ đường đa trục (P-Q profile), phản ánh rõ nét sự suy giảm đỉnh tải tác dụng sau bù. Đồng thời, bảng ma trận điện áp nút trước và sau tối ưu hóa giúp các kỹ sư điều độ quan sát trực tiếp mức độ triệt tiêu sụt áp tại từng trạm phân phối.

So sánh với các nghiên cứu tối ưu hóa lưới điện đô thị tiêu biểu, giải pháp kết hợp giữa CAPO và TOPO mang lại tính khả thi cao nhờ tận dụng 100% trang thiết bị hiện hữu (dao cách ly, dao cắt phụ tải LBS và các bộ tụ 300 kVAr sẵn có) mà không đòi hỏi chi phí đầu tư cải tạo lưới dây dẫn mới, mang lại giá trị tiết kiệm kinh tế hàng tỷ đồng mỗi năm cho đơn vị quản lý vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

Thực hiện điều chuyển và tái bố trí 6 cụm tụ bù trung áp dung lượng 300 kVAr từ các điểm cô lập sang các nút phụ tải tập trung cao theo khuyến nghị từ module CAPO. Mục tiêu đặt ra là kiểm soát sản lượng phản kháng nhận đầu nguồn dưới 18% và lượng phát ngược dưới 1,5%. Tiến độ hoàn thành trong vòng 6 tháng (từ Quý 3/2017 đến Quý 1/2018), do Phòng Kỹ thuật phối hợp cùng Đội Quản lý vận hành Điện lực Trung tâm Nha Trang trực tiếp triển khai.

Xác lập lại trạng thái mở bình thường của hệ thống thiết bị đóng cắt liên lạc (TOPO) tại các dao cách ly liên lạc (CDLL) tuyến 471-472, 473-474 và dao cắt phụ tải LBS tuyến 474-485. Mục tiêu giảm tổn thất điện năng của các xuất tuyến 475, 479 và 484 xuống dưới mức 4,5%. Thời gian áp dụng định kỳ hàng quý dựa trên đồ thị phụ tải thực tế, do Trung tâm Điều độ thuộc Công ty Cổ phần Điện lực Khánh Hòa chủ trì phê duyệt.

Nâng cấp và hiện đại hóa hệ thống đo lường, thay thế các cầu dao phân đoạn cơ khí bằng máy cắt phụ tải thông minh (LBS/RMU) có tích hợp chức năng giám sát từ xa SCADA/MDMS. Mục tiêu là giảm thời gian mất điện trung bình (SAIDI) xuống 15% và tần suất mất điện trung bình (SAIFI) xuống 10% cho 64.500 khách hàng trong giai đoạn 2018 - 2020, do Ban Quản lý dự án lưới điện Khánh Hòa thực hiện.

Xây dựng quy trình tự động hóa cập nhật dữ liệu đo đếm vào phần mềm PSS/ADEPT nhằm theo dõi liên tục chất lượng điện năng và hệ số công suất. Đảm bảo toàn bộ 590 trạm biến áp phân phối luôn vận hành với biên độ điện áp duy trì ổn định trong khoảng sai lệch không quá ±5% so với điện áp danh định 22 kV, chịu sự giám sát định kỳ của Ban Kỹ thuật Tổng công ty Điện lực Miền Trung.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư điều độ và quản lý vận hành lưới điện phân phối tại các công ty điện lực: Nắm vững quy trình mô hình hóa mạng điện thực tế, ứng dụng thành thạo phần mềm PSS/ADEPT để giải quyết dứt điểm các bài toán phân bố công suất, chống quá tải và giảm tổn thất kỹ thuật cho lưới điện đô thị.

Cán bộ quản lý quy hoạch và kỹ thuật tại các tổng công ty điện lực: Khai thác phương pháp luận đánh giá chỉ tiêu độ tin cậy và kiểm soát công suất phản kháng theo đúng tiêu chí của EVNCPC và quy định của Thông tư 39/2015/TT-BCT để xây dựng định mức kinh tế - kỹ thuật sát với thực tế.

Giảng viên và nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật điện/Hệ thống điện: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo giảng dạy chuyên sâu về tối ưu hóa mạng lưới phân phối, vận hành mạch vòng kín hở và thuật toán kinh tế tụ bù (CAPO/TOPO).

Học viên cao học và sinh viên ngành Điện lực: Tiếp cận nghiên cứu tình huống (case study) thực tế có đầy đủ số liệu đo đếm, sơ đồ nguyên lý 12 xuất tuyến và phương pháp luận tính toán chuẩn mực để áp dụng vào các đề tài tốt nghiệp chuyên ngành kỹ thuật điện.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao một số xuất tuyến 22 kV tại Nha Trang lại có tỷ lệ tổn thất cao lên tới 8,98%? Nguyên nhân chủ yếu do sự bùng nổ của các phụ tải khách sạn, dịch vụ du lịch tập trung dọc theo một số trục đường chính, trong khi 11/18 cụm tụ bù trung áp bị hư hỏng hoặc cô lập, khiến đường dây phải truyền tải lượng công suất phản kháng lớn trên quãng đường dài.

Phần mềm PSS/ADEPT giải quyết bài toán bù công suất phản kháng tối ưu theo nguyên lý nào? Module CAPO của PSS/ADEPT thực hiện phép tính kinh tế - kỹ thuật lặp để so sánh giá trị tiền điện tiết kiệm được từ việc giảm tổn thất công suất tác dụng với chi phí đầu tư, bảo trì tụ bù, từ đó tự động chỉ định vị trí và dung lượng bù đạt hiệu quả tài chính cao nhất.

Tiêu chí kiểm soát công suất phản kháng của EVNCPC quy định cụ thể như thế nào? Tổng công ty Điện lực Miền Trung quy định nghiêm ngặt: so với tổng sản lượng điện năng tác dụng giao nhận ở đầu xuất tuyến, sản lượng điện năng phản kháng nhận không được vượt quá 20% và sản lượng phản kháng phát ngược vào hệ thống không được vượt quá 2%.

Việc tái cấu hình điểm mở tối ưu (TOPO) đem lại lợi thế gì so với việc xây dựng thêm đường dây mới? Thuật toán TOPO giúp phân bổ lại dòng công suất trên các nhánh mạch vòng thông qua thao tác đóng cắt các dao cách ly và LBS sẵn có. Phương án này hoàn toàn không phát sinh chi phí đầu tư hạ tầng mà vẫn giảm tổn thất kỹ thuật toàn mạng từ 12% đến 18%.

Lắp đặt tụ bù trung áp 300 kVAr có nguy cơ gây quá điện áp trong chế độ thấp điểm ban đêm hay không? Nguy cơ này hoàn toàn được loại trừ khi sử dụng module CAPO, vì thuật toán luôn kiểm tra giới hạn điện áp trên từng nút qua tất cả các chế độ phụ tải 24 giờ, đảm bảo điện áp cực đại tại mọi thời điểm không vượt quá 105% điện áp danh định.

Kết luận

  • Luận văn đã mô hình hóa và tính toán toàn diện 12 xuất tuyến 22 kV với 590 trạm biến áp phân phối thuộc Điện lực Trung tâm Nha Trang bằng phần mềm PSS/ADEPT 5.0.
  • Xác định chính xác nguyên nhân gây tổn thất cao tại các xuất tuyến trọng điểm (đạt tới 8,98%) và tình trạng hoạt động không hiệu quả của 11/18 cụm tụ bù hiện hữu.
  • Đề xuất giải pháp phối hợp giữa module CAPO (tối ưu hóa vị trí bù) và TOPO (chọn điểm mở mạch vòng), giúp cắt giảm tổn thất công suất hơn 14% và nâng điện áp nút đạt chuẩn kỹ thuật.
  • Đảm bảo toàn bộ hệ thống vận hành tuân thủ chặt chẽ tiêu chuẩn Thông tư 39/2015/TT-BCT và quy định kiểm soát phản kháng nhận/phát của EVNCPC.
  • Cung cấp mô hình mẫu có khả năng nhân rộng cho các đô thị du lịch ven biển có đặc điểm phụ tải tương đồng.

Đóng góp lớn nhất của công trình là xây dựng phương án vận hành tối ưu mang tính thực tiễn cao, giúp đơn vị quản lý khai thác tối đa năng lực thiết bị sẵn có mà không phát sinh chi phí đầu tư lớn. Các bước tiếp theo cần tập trung vào việc tự động hóa giám sát lưới điện qua SCADA và tiếp tục cập nhật dữ liệu phụ tải giai đoạn 2018 - 2020. Hãy liên hệ các đơn vị nghiên cứu học thuật hoặc đơn vị điều độ phân phối để áp dụng ngay phương pháp luận tối ưu hóa này vào thực tế lưới điện địa phương.