Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Ứng dụng trí tuệ nhân tạo điều khiển tối ưu phân bố tải ba pha trên lưới điện phân phối 22kV

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:77

Thêm vào BST

Báo xấu

1
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn "Ứng dụng trí tuệ nhân tạo điều khiển tối ưu phân bố tải ba pha trên lưới điện phân phối 22kV" nhằm tìm hiểu về hệ thống điện phân phối, chế độ vận hành 3 pha không đối xứng; Bài toán về phân bố vị trí phụ tải trên lưới điện phân phối trong điều kiện không cân bằng giữa các pha với nhau; Mô phỏng thuật toán và kiểm tra trên lưới điện thực tế tại huyện Phúc Thọ – Thành phố Hà Nội.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Ứng dụng trí tuệ nhân tạo điều khiển tối ưu phân bố tải ba pha trên lưới điện phân phối 22kV

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC NGUYỄN VIỆT PHÚ ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU PHÂN BỐ TẢI BA PHA TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22kV LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI, 2024
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC NGUYỄN VIỆT PHÚ ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU PHÂN BỐ TẢI BA PHA TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22kV Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số : 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Ngọc Khoát HÀ NỘI, 2024
LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian tiến hành triển khai nghiên cứu, em cũng đã hoàn thành nội dung luận văn “Ứng dụng trí tuệ nhân tạo điều khiển tối ưu phân bố tải ba pha trên lưới điện phân phối 22kV”. Luận văn được hoàn thành không chỉ là công sức của bản thân em mà còn có sự giúp đỡ, hỗ trợ tích cực của nhiều cá nhân và tập thể. Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS. Nguyễn Ngọc Khoát, người trực tiếp hướng dẫn cho luận văn cho em. Thầy đã dành cho em nhiều thời gian, tâm sức, cho em nhiều ý kiến, nhận xét quý báu, chỉnh sửa cho em những chi tiết nhỏ trong luận văn, giúp luận văn của em được hoàn thiện hơn về mặt nội dung và hình thức. Thầy cũng đã luôn quan tâm, động viên, nhắc nhở kịp thời để em có thể hoàn thành luận văn đúng tiến độ. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu, các Thầy/Cô giảng viên của đã dạy em trong suốt quá trình học tập và các bộ phận, phòng ban chức năng của Trường đã luôn hỗ trợ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp đỡ em trong thời gian em học tập nghiên cứu tại Trường. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám đốc, trưởng phòng Kỹ thuật, vận hành của Công ty Điện lực Phúc Thọ thuộc Tổng Công ty Điện lực thành phố Hà Nội đã giúp đỡ, cung cấp số liệu, phục vụ cho quá trình nghiên cứu. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, các bạn cùng lớp cao học vì đã luôn động viên, quan tâm giúp đỡ em trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. Em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng 01 năm 2024 Tác giả Nguyễn Việt Phú i
LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đã sử dụng các tài liệu tham khảo của các tác giả, các nhà khoa học và các luận văn được trích dẫn trong phụ lục “Tài liệu tham khảo” cho việc nghiên cứu và viết luận văn của mình. Em xin cam đoan về các số liệu và kết quả tính toán được trình bày trong luận văn là hoàn toàn do tác giả tự tìm hiểu và thực hiện trong quá trình nghiên cứu và viết luận văn của mình, không sao chép và chưa được sử dụng cho đề tài luận văn nào. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng 01 năm 2024 Tác giả Nguyễn Việt Phú ii
MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... v DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................... vi DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................. v MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài................................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................... 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 5 5. Nội dung............................................................................................................. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU PHÂN BỐ PHỤ TẢI ĐIỆN ...................... 6 1.1 Giới thiệu lưới điện phân phối ......................................................................... 6 1.2. Vai trò của lưới điện phân phối ...................................................................... 8 1.2.1. Phân phối theo một cấp điện áp trung áp................................................ 9 1.2.2. Phân phối theo hai cấp điện áp trung áp ................................................. 9 1.3 Đặc điểm của lưới điện phân phối ................................................................. 10 1.3.1 Thiết kế kín, vận hành hở trên lưới điện phân phối ............................... 10 1.3.2 Sự mất cân bằng tải của các pha trên lưới điện phân phối .................... 11 1.4 Bài toán tính tổn thất công suất trên lưới điện 3 pha không cân bằng........... 12 1.5 Phát biểu bài toán ........................................................................................... 16 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU VỊ TRÍ PHỤ TẢI KHÔNG CÂN BẰNG BẰNG GIẢI THUẬT PSO KẾT HỢP CHUỖI RỜI RẠC SPD ............................................................................................ 20 2.1 Giới thiệu tổng quan về thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO).............................. 20 2.2 Thuật toán tối ưu bầy đàn và chuỗi rời rạc SPD ............................................ 24 2.2.1. Thuật toán PSO nhị phân. ..................................................................... 24 2.2.2. Phương pháp đề xuất kết hợp SPD với PSO ........................................ 25 2.2.3. Sự biểu diễn vị trí của phần tử trong thuật toán SPD-PSO .................. 27 2.2.4. Xây dựng vận tốc phần tử và quá trình cập nhật phần tử trong SPD- PSO ................................................................................................................. 28 2.2.5. Đánh giá hàm mục tiêu của phần tử ..................................................... 33 iii
2.3 Tính tổn thất trên lưới điện phân phối hình tia bằng phương pháp Backward/Forward ............................................................................................... 34 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ........................... 40 3.1. Mô phỏng tính toán tổn thất và tìm vị trí tối ưu của tải trên lưới điện phân phối ...................................................................................................................... 40 3.1.1. Sơ đồ lưới điện phân phối và thông số ban đầu của TBA Hát Môn 2.. 40 3.1.2. Kết quả tính toán trên lưới điện của TBA Hát Môn 2 trên phần mềm mô phỏng Matlab ............................................................................................ 41 3.1.3. Kiểm tra kết quả đề xuất của Matlab trên phần mềm mô phỏng PSS- ADEPT ........................................................................................................... 46 3.1.4. Kết quả tính toán trên lưới điện của TBA Hát Môn 2 trên Matlab với hàm mục tiêu có tham số khác........................................................................ 47 3.2 Mô phỏng mất cân bằng của TBA Hat Môn 2 có xét đến điện mặt trời áp mái gây mất cân bằng pha........................................................................................... 47 3.2.1 Kết quả phân bố công suất cho TBA Hát Môn 2 có xét đến điện mặt trời áp mái .............................................................................................................. 48 3.2.2. Kết quả tái phân bố công suất cho TBA Hát Môn 2 sử dụng SPD-PSO có xét đến điện mặt trời áp mái ...................................................................... 50 3.3 Nhận xét phương pháp đề xuất ...................................................................... 55 KẾT LUẬN ................................................................................................. 56 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................................... 56 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................... 57 iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu chữ Stt Chữ viết đầy đủ viết tắt Ant Colony Optimization - Giải thuật lai giữa giải thuật đàn 1 ACO kiến Bacterial Foraging Optimization Algorithm - Thuật toán tối 2 BFOA ưu hóa tìm kiếm thức ăn của vi khuẩn 3 DG Distributed Generation - Nguồn điện phân tán 4 DS Disconnecting Switch - Dao cách li 5 FCO Fuse Cut out - Cầu chì tự rơi Fuzzy Multiobjective Approach - Phương pháp heuristic đa 6 FMA mục tiêu 7 FWA Fireworks Algorithm - Thuật toán pháo hoa 8 GA Genetic Algorithm - Giải thuật di truyền 9 HAS Harmony Search Algorithm - Thuật toán tìm kiếm hài hòa 10 HBMO Honey Bee Mating Optimization - Giải thuật lai giữa đàn ong Improved Adaptive Imperialist Competitive Algorithm - 11 IAICA Thuật toán cạnh tranh đế quốc cải tiến 12 ITS Improved Tabu Search - Tìm kiếm Tabu cải tiến 13 LBFCO Load Break Fuse Cut Out - Cầu chì tự rơi có cắt tải 14 LBI Load Balancing Index - Chỉ số cân bằng tải 15 LĐPP Lưới điện phân phối 16 LBS Load Break Switch - Cầu dao phụ tải Multi-Objective Invasive Weed Optimization - Tối ưu hóa cỏ 17 MOIWO dại xâm lấn đa mục tiêu 18 MTS Modified Tabu Search - Thuật toán Tabu hiệu chỉnh 19 PSI Power Stability Index - Chỉ số ổn định công suất 20 PSO Particle Swarm Optimization - Thuật toán tối ưu bầy đàn 21 SA Simulated Annealing - Giải thuật luyện kim 22 SFL Shuffled Frog-Leaping - Giải thuật bước nhảy ếch 23 SI Swarm Intelligence - Quần thể thông minh 24 VSI Voltage Stability Index - Chỉ số ổn định điện áp v
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3-1: Kết quả tính tổn thất công suất trên Matlab ............................................43 Bảng 3-2: Cách bố trí tải để tối ưu tổn thất công suất trên lưới ..............................44 Bảng 3-3: Kết quả so sánh giưa thuật toán đề xuất và phương pháp tình trên PSS/ADEPT ..............................................................................................46 Bảng 3-4: Bảng tổng hợp các kịch bản thay đổi giá trị Kđp và Ktd ...........................47 Bảng 3-5: Số liệu các hộ gia đình gắn điện mặt trời áp mái ....................................48 Bảng 3-6: Kết quả phân bố công suất và tổn thất công suất trên các nhánh TBA Hát Môn 2 ........................................................................................................48 Bảng 3-7: Kết quả tính toán tổn thất công suất TBA Hát Môn 2 có xét đến điện mặt trời áp mái ................................................................................................50 Bảng 3-8: Bảng các tải giá trị trong thực thi thuật toán SPD-PSO .........................50 Bảng 3-9: Bảng các tải được chuyển khóa khi có xét đến điện mặt trời áp mái ......51 Bảng 3-10: Kết quả phân bố công suất và tổn thất công suất trên các nhánh TBA Hát Môn 2 có xét đến điện mặt trời áp mái ..............................................52 Bảng 3-11: Kết quả tính toán tổn thất công suất TBA Hát Môn 2 sau tái cấu trúc tải trên các pha có xét đến điện mặt trời áp mái ...........................................54 vi
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Lưới điện phân phối đơn giản ....................................................................7 Hình 1-2: Phân phối theo một cấp điện áp trung áp ..................................................9 Hình 1-3: Phân phối theo hai cấp điện áp trung áp ...................................................9 Hình 1-4: Sơ đồ mạch điện phân phối hình tia .........................................................11 Hình 1-5: Mô hình bài toán mạch điện 3 pha đơn giản ...........................................12 Hình 1-6: Sơ đồ chuyển đổi công suất ......................................................................13 Hình 1-7: Mô hình mạch điện 3 pha ở trường hợp (1) .............................................15 Hình 1-8: Mô hình mạch điện 3 pha ở trường hợp (2) .............................................16 Hình 1-9: Tái cấu hình lưới điện phân phối .............................................................17 Hình 2-1: Lưu đồ giải thuật PSO ..............................................................................23 Hình 2-2: Lưu đồ giải thuật SPD-PSO [46] .............................................................27 Hình 2-3: Hai đại diện khác nhau của một quần thể phần tử đề xuất trong SPD- PSO ...........................................................................................................28 Hình 2-4: Sơ đồ đơn tuyến mạch điện.......................................................................34 Hình 2-5: Hệ thống LĐPP có 6 nút, 1 nguồn ...........................................................36 Hình 2-6: Tính tổn thất công suất cho nhánh 5-6 .....................................................37 Hình 2-7: Tính tổn thất công suất cho nhánh 1-2 .....................................................37 Hình 2-8: Cập nhật lại giá trị của LĐPP và tính tổn thất điện áp trên nhánh 1-2 ..38 Hình 2-9: Lưu đồ giải thuật Backward/Forward [47] .............................................39 Hình 3-1: Sơ đồ lưới điện phân phối của TBA Hát Môn 2 .......................................40 Hình 3-2: Đồ thị công suất tác dụng của hộ tiêu thụ 1 .............................................42 Hình 3-3: Đồ thị công suất phản kháng của hộ tiêu thụ 1 ........................................42 Hình 3-4: Đồ thị năng lượng tổn thất giảm theo số lần lặp .....................................43 Hình 3-5: Đồ thị số hộ tiêu thụ cần tái bố trí theo số lần lặp ...................................45 Hình 3-6: Đồ thị giá trị hàm mục tiêu theo số lần lặp ..............................................45 Hình 3-7: Sơ đồ lưới điện phân phối gồm 1 nguồn và 47 nút, phần mềm mô phỏng PSS-ADEP ................................................................................................46 Hình 3-8: Kết quả chạy thuật toán SPD-PSO cho TBA Hát Môn 2 có xét đến điện mặt trời áp mái .........................................................................................51 v
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng đang đặt ra sức ép lên hệ thống điện, việc phát triển ngành điện phải gắn liền với chiến lược phát triển kinh tế - xã hội và phải đảm bảo cung cấp điện cho nền kinh tế quốc dân và đời sống xã hội với chất lượng điện năng ngày càng cao, đồng thời phải sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên năng lượng, đa dạng hóa các nguồn năng lượng sơ cấp cho sản xuất điện, bảo tồn nhiên liệu và đảm bảo an ninh năng lượng cho tương lai. Hệ thống phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện đến hộ tiêu thụ cũng như trong hệ thống điện. Vì vậy việc nghiên cứu và tìm hiểu về lưới phân phối sẽ có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tế vận hành và thi công, trong đó bài toán giảm tổn thất điện năng hay giảm tổn thất công suất tác dụng được chú ý hơn cả và là chỉ tiêu hàng đầu trong ngành điện, đã có nhiều phương pháp giải quyết như: bù công suất phản kháng, tăng tiết diện dây dẫn, tăng điện áp, phát quang không làm sự cố ảnh hưởng đến tổn thất điện năng…, Tuy nhiên phương pháp phân bố vị trí phụ tải trên lưới giảm tổn thất điện năng hay tổn thất công suất tác dụng với hiệu quả cao vì ít tốn chi phí đầu tư hay cải tạo. Lưới điện phân phối (LĐPP) có cấu trúc mạch vòng nhưng vận hành hình tia vì nó làm giảm dòng ngắn mạch và đảm bảo độ tin cậy. Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng đang đặt ra sức ép lên hệ thống điện phải đảm bảo cung cấp điện với chất lượng điện năng ngày càng cao. Vì vậy, việc nghiên cứu về LĐPP sẽ có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tế vận hành và thi công, trong đó bài toán giảm tổn thất điện năng hay giảm tổn thất công suất tác dụng được chú ý hơn cả và là chỉ tiêu hàng đầu trong ngành điện. Trong các phương pháp giảm tổn thất công suất thì tái cấu hình LĐPP (Distribution Network Reconfiguration - DNR) nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng với hiệu quả cao vì không cần tốn chi phí đầu tư hay cải tạo. Do đó, việc nghiên cứu cải tiến DNR trong điều kiện thực tế sẽ mang lại hiệu quả kinh tế và ý nghĩa thực tế rất quan trọng, đặc biệt là trong vấn đề LĐPP không cân bằng. Những năm gần đây cấu hình LĐPP được xem xét rất nhiều, nhưng hầu hết các nghiên cứu tập trung cho LĐPP cân bằng nhằm hoạch định kế hoạch lâu dài và giảm tổn thất công suất tác dụng. Nhưng thực tế, LĐPP đang vận hành hầu như trong điều kiện không cân bằng, vì thế tổn thất là rất lớn. Vấn đề DNR được xem xét nhằm giảm 1
thiểu tổn thất công suất tác dụng trên LĐPP cũng như việc giảm thiểu thời gian tính toán là một yêu cầu cần thiết hiện nay. DNR được thực hiện bằng cách thay đổi đóng/mở các khóa điện để cải thiện hiệu suất của mạng điện: giảm tổn thất công suất tác dụng, cân bằng tải và giảm thiểu vi phạm ràng buộc [2]. Nhiều phương pháp đã đề xuất: tiếp cận dựa trên lập trình heuristic, meta-heuristic và toán học [3]. Các phương pháp DNR siêu hình dựa trên các thuật toán tìm kiếm thông minh như thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA) [4], thuật toán thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN) [5], thuật toán tối ưu hóa dòng hạt (Particle Swarm Optimization Algorithm - PSO) [6]. Các phương pháp tối ưu hóa toán học, mô hình DNR thường được xây dựng dưới dạng các vấn đề lập trình tuyến tính [7], [8] lập trình bậc hai [8] hoặc lập trình phi tuyến [9]. Thực tế, LĐPP được vận hành với mức độ mất cân bằng có thể quan sát được do tải không đồng đều, cấu trúc mạng không đối xứng và sự xuất hiện của các công nghệ. Để giải quyết vấn đề này, trong [10] đề xuất thuật toán DNR không cân bằng quy mô lớn nhằm giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng. Trong [11] phương pháp heuristic áp dụng cho cả LĐPP cân bằng và không cân bằng để giảm thiểu tổn thất công suất. Phương pháp này phù hợp hơn với các mạng cân bằng. Tuy nhiên đối với LĐPP không cân bằng, hiệu quả phụ thuộc vào mức độ mất cân bằng hệ thống. Trong [12] thuật toán cấu hình lại 2 giai đoạn cho cả cân bằng và không cân bằng nhưng thời gian tính toán lớn. Như vậy, yêu cầu cần phải có phương pháp giải bài toán DRN trong LĐPP không cân bằng tối ưu toàn cục và giảm thiểu thời gian giải. Phương pháp phân bố vị trí phụ tải trên lưới nhằm mục đích là thay đổi cấu hình hình học lưới phân phối hình tia để giảm tổn thất dựa trên việc cân bằng công suất giữa các pha có trên lưới phân phối. Phương pháp này cũng nhằm mục đích làm giảm tổn thất nhưng không cần đầu tư về kinh tế như các phương pháp khác. Vì vậy việc nghiên cứu cải tiến vấn đề phân bố vị trí tải trong điều kiện thực tế sẽ mang lại hiệu quả kinh tế và ý nghĩa thực tế rất quan trọng, đặc biệt là trong vấn đề hệ thống không cân bằng. Vì trên thực tế hệ thống phân phối luôn có cung cấp cho một số tải một pha ở các khu công nghiệp hay ở các khu vực nông thôn xa để cấp điện cho các hộ dân. Vì thế hệ thống luôn vận hành trong điều kiện không cân bằng dù ít hay nhiều. Do đó trong nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn tốt nghiệp khóa Cao học, tác giả lựa chọn đề tài “Ứng dụng trí tuệ nhân tạo điều khiển tối ưu phân bố tải ba 2
pha trên lưới điện phân phối 22kV” để làm đề tài nghiên cứu hoàn thành khóa học của mình. 2. Mục đích nghiên cứu Hệ thống lưới điện phân phối trong nhiều trường hợp vận hành ở chế độ không đối xứng giữa các pha, điều đó dẫn đến gây tổn thất trên lưới điện, đó trong nhiệm vụ nghiên cứu của Luận văn, tác giả tập trung vào các mục tiêu như sau: - Tìm hiểu về hệ thống điện phân phối, chế độ vận hành 3 pha không đối xứng; - Bài toán về phân bố vị trí phụ tải trên lưới điện phân phối trong điều kiện không cân bằng giữa các pha với nhau; - Phối hợp sử dụng thuật toán SPD và PSO cho phân bố vị trí phụ tải trên lưới điện phân phối với mục tiêu xác định trạng thái đóng/cắt để điều khiển cơ cấu chấp hành trên lưới, từ đó giảm tổn thất công suất trong điều kiện không cân bằng tải giữa các pha trong lưới điện phân phối; - Mô phỏng thuật toán và kiểm tra trên lưới điện thực tế tại huyện Phúc Thọ – Thành phố Hà Nội. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Lưới điện phân phối 22/0.4kV; - Phạm vi nghiên cứu: Lưới điện 22/0.4kV huyện Phúc Thọ - TP Hà Nội; - Thời gian nghiên cứu: Lưới điện năm 2021. 3.1. Tổng quan về Công ty Điện lực Phúc Thọ a. Vị trí địa lý: Phúc Thọ là huyện đồng bằng Bắc bộ, cách trung tâm thành phố Hà Nội khoảng 35 km về phía tây, nằm bên bờ cả hai con sông: sông Hồng và sông Đáy đều thuộc hệ thống sông Hồng. Huyện có vị trí địa lý: - Đơn vị hành chính trực thuộc gồm: 20 xã, 01 thị trấn. - Diện tích tự nhiên: 117,3 km2. - Dân số: 191.327 người. - Phía tây giáp Thị xã Sơn Tây - Phía bắc giáp huyện Yên Lạc và huyện Vĩnh Tường, tĩnh Vĩnh Phúc với ranh giới tự nhiên là Sông Hồng. - Phía nam giáp huyện Thạch Thất và Quốc Oai - Phía đông giáp huyện Đan Phượng và huyện Hoài Đức với ranh giới là sông Đáy 3
b. Tổng quan về Công ty Điện lực Phúc Thọ: là đơn vị trực thuộc, hạch toán phụ thuộc Tổng công ty Điện lực TP Hà Nội (EVNHANOI). Công ty có con dấu và tài khoản riêng, hoạt động theo phân cấp quản lý, các văn bản ủy quyền, các quy chế, quy định của EVNHANOI. 3.2. Thông số kỹ thuật hệ thống lưới điện tại Công ty Điện lực Phúc Thọ Khối lượng đường dây và trạm biến áp (TBA): Tính đến ngày 30/12/2021, Công ty Điện lực Phúc Thọ đang quản lý khối lượng thiết bị trên lưới như sau: * Trạm biến áp phân phối: Trạm biến áp Số TBA Số MBA Công suất (MVA) Tài sản khách hàng 90 90 37.580 Tài sản ngành Điện 288 290 100.410 Tổng 378 380 137.990 * Đường dây trung áp: Tài sản Cấp điện Đường dây (km) Cáp ngầm (km) 22 3.25 1.91 Khách hàng 35 7.28 0.09 22 88.58 9.85 Ngành Điện 35 107.29 4.31 Tổng 206.4 16.16 * Đường dây hạ thế 0,4 kV: 347,654 km. • Số lượng khách hàng và công tơ quản lý đến hết ngày 31/12/2021 So sánh Đơn vị TT Chỉ tiêu 2018 2019 2020 2021 t/h 2018- tính 2021 1 Số lượng khách hàng Kh.hg 38,797 42,665 43,826 47,540 122.54 2 KH sinh hoạt Kh.hg 33,281 36,169 36,656 39,444 118.52 4
3 KH ngoài SH Kh.hg 5,516 6,496 7,170 8,096 146.77 Công 4 Số lượng công tơ 38,842 42,716 43,847 47,818 123.11 tơ Công 5 Công tơ 1 fa 35,114 38,271 38,885 42,224 120.25 tơ Công 6 Công tơ 3 fa 3,728 4,445 4,962 5,594 150.05 tơ 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu dựa trên thu thập tài liệu, báo cáo đánh giá, mô hình hóa mô phỏng, phân tích đánh giá. 5. Nội dung Luận văn bao gồm 3 chương và phần kết luận, bao gồm: - Phần mở đầu. - Chương 1: Tổng quan về lưới điện phân phối và bài toán phân bố phụ tải điện. - Chương 2: Phương pháp điều khiển tối ưu vị trí phụ tải không cân bằng sử dụng giải thuật PSO kết hợp chuỗi rời rạc SPD. - Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả. 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU PHÂN BỐ PHỤ TẢI ĐIỆN Phần lớn lưới điện trung áp Việt Nam hiện nay đều vận hành theo hình thức lưới kín nhưng vận hành hở. Đặc điểm này cùng nghĩa với tính khả thi rất cao trong việc xác định một cấu trúc tối ưu cho bài toán phân phối điện. Tuy nhiên, mỗi một lưới điện trung áp ở các địa phương khác nhau lại có đặc thù khác nhau. Chính vì điều đó, trong nội dung của chương 1 này, tác giả tìm hiểu về lưới điện phân phối, đặc điểm, yêu cầu bài toán phân bố tải không cân bằng trong lưới điện phân phối. 1.1 Giới thiệu lưới điện phân phối Hệ thống điện gồm có bốn thành phần chính là nhà máy điện, lưới điện truyền tải, lưới điện phân phối (LĐPP) và phụ tải. Trong bốn thành phần đó, hệ thống phân phối có vai trò đặc biệt quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy, chất lượng và giá thành điện năng cung cấp [1]. Lưới phân phối hạ thế biểu diễn cho cấp cấu trúc thấp nhất của hệ thống điện có cấp điện áp tiêu thụ thấp (chẳng hạn 110V, 220V, 380V). Nhiệm vụ của lưới phân phối là phân phối điện năng cho các phụ tải nhỏ (sinh hoạt) và các phụ tải tương đối nhỏ (thương mại và công nghiệp nhỏ), các phụ tải lớn thường được cung cấp trực tiếp từ cấp cao hơn (như cấp truyền tải và cấp truyền tải phụ). LĐPP thường được vận hành hở hay còn gọi là hình tia nghĩa là không có bất kỳ vòng kín nào trong sơ đồ đơn tuyến. Việc vận hành hở LĐPP có nhiều ưu điểm so với vận hành kín như là dễ dàng bảo vệ lưới, dòng sự cố nhỏ, dễ dàng điều chỉnh điện áp và phân bố công suất. Tuy nhiên, do vận hành ở mức điện áp thấp và dòng điện lớn, LĐPP thường có tổn thất công suất và độ sụt áp lớn [2]. Mặc dù được vận hành hở nhưng để nâng cao độ tin cậy của hệ thống phân phối, trên các mạch hình tia thường có các khóa điện thường mở có khả năng kết nối đến các mạch khác. Nếu có sự cố xảy ra trên một nhánh, các khóa điện thường mở cho phép khôi phục một phần phụ tải trong vùng có sự cố. Ngoài ra, trên các mạch hình tia cũng có các khóa điện thường đóng. Các khóa điện này có thể thay đổi trạng thái khi có yêu cầu. Hình 1.1 mô tả một LĐPP đơn giản gồm có hai nguồn và nhiều khoá điện [3]. Khoá SW1, SW5 và RC3 ở trạng thái mở để đảm bảo lưới điện vận hành hở. Các đoạn tải LN2 và LN6 nằm ở cuối lưới của nguồn điện SS2. Để cải thiện chất lượng điện năng ở cuối lưới, bộ tụ bù được lắp giữa LN4. Tất nhiên, các thiết bị này đều 6
có thể được vận hành ở chế độ thông số không đổi trong thời gian vận hành hay thông số thay đổi bằng cách điều khiển từ xa hay tại chỗ. RC1 LN12 LN11 SW5 SW1 LN12 LN3 LN1 LN10 SS1 RC4 LN8 CB1 LN13 LN4 SW4 C1 SW3 SW6 SS2 SW2 CB2 LN7 LN16 LN14 LN5 SW8 LN6 RC3 LN15 SW7 Hình 1-1: Lưới điện phân phối đơn giản Khi vận hành hệ thống điện phân phối như Hình 1-1, có thể giảm tổn thất công suất bằng cách chuyển một số tải từ nguồn SS2 sang nguồn SS1, chẳng hạn như đóng RC3 và mở SW2 để chuyển các đoạn tải LN5 và LN6 từ nguồn SS2 sang SS1. Hơn nữa, trên LĐPP thực tế có rất nhiều khóa điện, việc tìm ra cách chuyển tải tốt nhất trong tổ hợp các khoá điện khi chuyển tải đáp ứng các điều kiện ràng buộc kỹ thuật sẽ trở nên phức tạp hơn. Việc phân tích lựa chọn các cách chuyển tải này là nội dung của bài toán tái cấu hình LĐPP. Tái cấu hình LĐPP là quá trình thay đổi cấu trúc hình học của LĐPP bằng việc thay đổi trạng thái của các khóa điện thường đóng và thường mở trong khi vẫn đảm bảo thỏa mãn các ràng buộc tùy theo mục đích của nhà vận hành, trong đó có các ràng buộc kỹ thuật như: - Kết nối của hệ thống phải luôn luôn được duy trì hay nói cách khác tất cả các nút tải phải luôn được cung cấp điện. - Cấu hình hình tia của LĐPP luôn luôn được đảm bảo trong mọi điều kiện. - Điện áp các nút phải nằm trong giới hạn cho phép. - Dòng điện trên các nhánh nằm trong giới hạn định mức cho phép. Do sự phức tạp về địa lý, phân bố dân cư cũng như tính chất phụ tải của các hộ tiêu thụ nên cấu trúc của lưới điện phân phối rất phức tạp bao gồm nhiều nhánh, nhiều nút và có khối lượng rất lớn. Trên mỗi xuất tuyến của lưới điện phân phối ngoài các thiết bị đóng cắt đầu xuất tuyến, người ta còn đặt nhiều thiết bị đóng cắt để phân đoạn trên trục chính 7
hoặc nhánh rẽ như các thiết bị recloser, dao cách ly (DS), cầu dao phụ tải (LBS), cầu chì tự rơi (FCO), Cầu chì tự rơi có cắt tải (LBFCO)… Thông thường, lưới điện phân phối Việt Nam có cấu trúc mạch vòng nhưng vận hành hở. Điều này thể hiện ở chỗ giữa các xuất tuyến với nhau trên mạch vòng người ta cũng đặt các thiết bị đóng cắt vận hành ở vị trí thường mở, gọi là các thiết bị liên lạc. Nhờ cấu trúc vận hành hở mà mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng loại relay quá dòng. Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đường dây kế cận được cấp điện từ một trạm biến áp trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đường dây bị sự cố. Việc khôi phục lưới được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các cặp khóa điện nằm trên các mạch vòng, do đó trên lưới phân phối có rất nhiều khóa điện. Một đường dây phân phối luôn có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh hoạt, thương mại dịch vụ, công nghiệp…) và các phụ tải này được phân bố không đồng đều giữa các đường dây. Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa. Vì vậy, trên các đường dây, đồ thị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ. Điều này gây ra quá tải đường dây và làm tăng tổn thất trên lưới điện phân phối. Để chống quá tải đường dây và giảm tổn thất, các điều độ viên sẽ thay đổi cấu trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khóa điện hiện có trên lưới. Vì vậy, trong quá trình thiết kế, các loại khóa điện (Recloser, LBS, DS…) sẽ được lắp đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng /cắt các khóa này vừa có thể giảm chi phí vận hành và vừa giảm tổn thất năng lượng. Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, vì vậy xuất hiện nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụ thể. 1.2. Vai trò của lưới điện phân phối Lưới phân phối thực hiện nhiệm vụ phân phối điện cho một địa phương (thành phố, quận, huyện …v..v), có bán kính cung cấp điện nhỏ (thường dưới 50 km). Lưới phân phối nhận điện từ các trạm phân phối khu vực, gồm: - Lưới điện có các cấp điện áp 110/35 kV; 110/22 kV; 110/10 kV; 110/6 kV; - Lưới điện có các cấp điện áp 35/22 kV; 35/10 kV; 35/6 kV. Phương thức cung cấp điện của lưới phân phối thường có hai dạng: Phân phối theo một cấp điện áp trung áp và phân phối theo hai cấp điện áp trung áp 8
1.2.1. Phân phối theo một cấp điện áp trung áp Trạm nguồn có thể là trạm tăng áp của các nhà máy địa phương hoặc trạm phân phối khu vực có các dạng CA/TA (110/35-22-10-6 kV). Trạm phân phối nhận điện từ trạm nguồn qua lưới trung áp, sau đó điện năng được phân phối tới các hộ phụ tải qua mạng điện hạ áp, có dạng TA/HA (35-22-10-6/0.4 kV). Mạng trung áp Mạng hạ áp Mạng trung áp Mạng hạ áp Trạm phân phối (Trạm nguồn) (Hộ phụ tải) Hình 1-2: Phân phối theo một cấp điện áp trung áp 1.2.2. Phân phối theo hai cấp điện áp trung áp Trạm nguồn là trạm tăng áp của các nhà máy điện địa phương hoặc trạm phân phối khu vực, thường có các dạng CA/TA (110/35 kV) hoặc TA1/TA2 (35/22-10-6 kV). Trạm phân phối trung gian có dạng TA1/TA2 (35/22-10-6 kV). Trạm phân phối hạ áp có dạng TA/HA (22-10-6/0.4 kV). Mạng phân phối 1 và phân phối 2 Trạm Trạm phân phối Hộ phụ nguồn hạ áp tải Trạm phân phối Mạng phân trung gian Mạng phân Mạng hạ áp phối 1 phối 2 Hình 1-3: Phân phối theo hai cấp điện áp trung áp Kết cấu lưới phân phối có ảnh hưởng rất lớn tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của toàn hệ thống điện như: - Độ tin cậy cung cấp điện; - Độ dao động điện áp tại các hộ phụ tải; - Tổn thất điện năng: ở lưới phân phối thường có tổn thất điện năng gấp 3 tới 4 lần ở lưới truyền tải; - Chi phí đầu tư xây dựng: chi phí đầu tư xây dựng ở lưới phân phối thường từ 1.5 tới 2.5 lần so với lưới truyền tải; 9
- Xác suất ngừng cung cấp điện: Xác suất ngừng cung cấp điện ở lưới phân phối thường lớn hơn nhiều lần ở lưới truyền tải do kết cấu lưới phân phối rất phức tạp. 1.3 Đặc điểm của lưới điện phân phối Lưới phân phối có một số đặc điểm chung như sau: - Phụ tải của lưới phân phối đa dạng và phức tạp; - Lưới phân phối thường có dạng hinh tia. Chế độ vận hành bình thường của lưới phân phối là vận hành hở; - Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện người ta có thể sử dụng cấu trúc mạch vòng nhưng thường vận hành ở chế độ hở. Trong mạch vòng các đường dây thường được liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc máy cắt điện. Các thiết bị này vận hành ở vị trí mở. Khi cần sửa chữa hoặc sự cố thì việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển đổi phương thức cung cấp điện; - So với mạng hình tia, mạng mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn. Tuy nhiên mạch vòng lại tồn tại nhiều vấn đề phức tạp về bảo vệ rơle và hiệu quả khai thác mạch vòng kín so với mạch hình tia thấp hơn với cùng lượng vốn đầu tư; - Trong những năm gần đây, do sự phát triển nhanh chóng các thiết bị có công nghệ cao và các thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện - tăng tiết diện dẫn và bù công suất phản kháng nên chất lượng điện năng trong mạng hình tia đã được cải thiện đáng kể. Kết quả của các công trình nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành cho thấy rằng hiện nay lưới phân phối hình tia vẫn còn được sử dụng phổ biến. 1.3.1 Thiết kế kín, vận hành hở trên lưới điện phân phối Số phần tử lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù, phụ tải của lưới phân phối nhiều hơn lưới truyền tải từ 8-7 lần nhưng mức đầu tư chỉ hơn từ 2- 2,5 lần. Có rất nhiều khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ và nằm trên diện rộng, nên khi có sự cố, mức độ thiệt hại do gián đoạn cung cấp điện ở lưới điện phân phối gây ra cũng ít hơn so với sự cố của lưới điện truyền tải. Do những nét đặc trưng trên, lưới điện phân phối cần vận hành hở dù có cấu trúc mạch vòng vì các lý do như sau: - Tổng trở của lưới điện phân phối vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận hành vòng kín nên dòng ngắn mạch bé khi có sự cố. Vì vậy chỉ cần chọn các thiết bị đóng cắt có dòng ngắn mạch chịu đựng và dòng cắt ngắn mạch bé, nên mức đầu tư giảm đáng kể; - Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các loại relay đơn giản 10
rẻ tiền như relay quá dòng, thấp áp…mà không nhất thiết phải trang bị các loại relay phức tạp như định hướng, khoảng cách, so lệch…nên việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn, mức đầu tư cũng giảm xuống; - Chỉ cần dùng cầu chì tự rơi (FCO: Fuse Cut out) hay cầu chì tự rơi kết hợp cắt có tải (LBFCO: Load Break Fuse Cut Out) để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên cùng một đoạn trục và phối hợp với Recloser để tránh sự cố thoáng qua; - Khi sự cố, do vận hành hở, nên sự cố không lan tràn qua các phụ tải khác; - Do được vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây dễ dàng hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố; - Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới phân phối, thì phương án kinh tế là các lưới hình tia. 1.3.2 Sự mất cân bằng tải của các pha trên lưới điện phân phối Do mạch phân phối điện luôn có nhiều loại phụ tải khác nhau và các phụ tải này được phân bố không đồng đều giữa các pha. Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa. Vì vậy, trên các đường dây tải điện, đồ thị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ. Điều này gây ra quá tải đường dây và làm tăng tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối nên bài toán lưới điện phân phối hạ thế ta cần tính toán và phân bố lại vị trí tải là lưới 3 pha không cân bằng và có cấu trúc hình tia [14]. Hình 1-4: Sơ đồ mạch điện phân phối hình tia 11