Đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu để mở rộng lưới trong hệ thống điện truyền tải

Nội dung text: Đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu để mở rộng lưới trong hệ thống điện truyền tải

1. ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MẶT CẮT TỐI THIỂU ĐỂ MỞ RỘNG LƯỚI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TRUYỀN TẢI PROPOSED MINIMUM CUTTING PROPOSES TO EXPAND EXPANSION IN THE TRANSMISSION ELECTRICITY SYSTEM Trương Việt Anh(1,a); Nguyễn Văn Được(2,b) 1Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh 2Học viên cao học Trường ĐHSPKT TP.HCM (a) tvanhspkt@gmail.com, (b)duocnguyen.emc@gmail.com TÓM TẮT Bài báo này trình bày phương pháp mở rộng lưới điện truyền tải bằng thuật toán mặt cắt tối thiểu nhằm quy hoạch mở rộng lưới điện truyền tải một cách hiệu quả. Giải thuật đề xuất đưa ra phương pháp xác định nhanh điểm gây ra tắc nghẽn, nhánh bị quá tải của lưới điện truyền tải nhằm đưa ra phương án phù hợp mở rộng lưới điện. Kết quả của phương pháp đề xuất được kiểm tra bằng Powerworld trên lưới 7-nút chuẩn của IEEE và 9-nút của lưới điện 500kV Miền Nam, Việt Nam. Từ khóa: Mặt cắt tối thiểu; Nhánh quá tải; Nghẽn mạch; Lưới truyền tải; Hệ thống điện. ABSTRACT This paper presents the method of extending the transmission grid by the minimum cross- sectional algorithm in order to efficiently plan the transmission grid extension. The proposed algorithm provides a quick method of identifying the cause of congestion, the overloaded branch of the transmission grid, in order to provide a suitable alternative for expanding the grid. The results of the proposed method are checked by Powerworld on the 7-nodes IEEE standard grid and the 9-nodes of the 500kV grid in the south of Vietnam. Keywords: Min cut; Overloaded branch; Embolism; Transmission grid; Power system. 1.GIỚI THIỆU quyết bài toán và cho thấy kết quả tối ưu hơn Nhu cầu về sự ổn định, liên tục, độ tin so với các phương pháp khác. cậy cung cấp điện lên cao ngày càng phải Trong phần tiếp theo, sẽ trình bày xác được đảm bảo đối với ngành điện. Do sự tăng định vấn đề và phương pháp áp dụng giải nhanh của các phụ tải nên lưới điện truyền tải thuật Min- cut [6] trong lưới điện truyền tải phải được xem xét để mở rộng đáp ứng với được phát triển trong phần 2. Phần 3 trình chiến lược phát triển kinh tế - xã hội. Vì vậy, bày các kết quả tính toán và thảo luận của bài toán mở rộng lưới điện truyền tải được ứng dụng phương pháp, cuối cùng là kết luận các nhà khoa học nghiên cứu để giải quyết trong phần 4. vấn đề này. Trong các tài liệu [1-7] các tác 2. PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT giả đã đề xuất và đã đưa ra rất nhiều phương 2.1 Xác định vấn đề pháp khác nhau để giải quyết khác nhau. Tuy Mở rộng lưới truyền tải được xem là một nhiên các phương pháp này điều rơi vào kết hành động khẩn cấp, các cấu hình vận hành. quả không hoàn toàn tối ưu, hay không gian Thị trường điện ra đời mang lại nhiều phúc tìm kiếm rộng, thời gian hội tụ kết quả lớn lợi xã hội. Đồng thời sự nghẽn mạch trên hệ trong việc giải quyết bài toán mở rộng lưới. thống điện xảy ra thường xuyên hơn. Để loại Chính vì vậy, bài báo này đề xuất một bỏ nghẽn mạch, quy hoạch mở rộng hệ thống phương pháp mở rộng lưới điện truyền tải truyền tải có các bài toán TEP [2], [3] được bằng phương pháp sử dụng mặt cắt tối thiểu các tác giả nghiên cứu và là một trong các có điều kiện đi qua nhánh quá tải để giải giải pháp cần thiết trong quy hoạch mở rộng hệ thống điện. Ở đây, tác giả đề xuất sử dụng - 1 -
2. thuật toán Min- cut để xác định dung lượng Từ đồ thị suy biến, tiến hành phục hồi lại đi qua nhánh quá tải nhằm đưa ra các gải đồ thị cũ và giữ nguyên vị trí của những pháp để mở rộng lưới truyền tải. nhánh qua lát cắt cực tiểu. 2.2 Phương pháp đề xuất 2.2.2 Phương pháp xác định Min-cut đi 2.2.1 Phương pháp xác định Min-cut qua nhánh quá tải Bắt đầu Không phải lúc nào các nhánh quá tải trong đồ thị của hệ thống điện đều chứa Nhập dữ liệu topo nhánh, n là số nút nhánh quá tải vì sự phân bố công suất phải tuân thủ 2 định luật K1 và K2 nên dòng công S={s}, T={t}, n:=n-2 suất các nhánh phụ thuộc vào tổng trở các Đưa nút S* Tính tổng thông lượng 2 lát cắt Đưa nút T* nhánh. Vì lý do này, nhánh quá tải sẽ chưa vào {s}   S= ws và T= wt vào {t} chắc nằm trên mặt cắt tối thiểu. Khi đó, việc Yes tác động vào những nhánh nằm trên mặt cắt nút S*=Max(Wsi) S>T No nút T*=Max(Wti) tối thiểu không qua nhánh bị quá tải sẽ không Yes thể cứu nhánh quá tải. Như vậy bài toán cần S<T giải quyết: xác định mặt cắt có thông lượng No bé nhất nhưng phải đi qua nhánh quá tải. Hay n:=n-1 nói cách khác phải xác định mặt cắt tối thiểu No n=0 sao cho đỉnh thứ nhất của nhánh quá tải nằm Yes ở tập nguồn và đỉnh thứ 2 nằm ở tập tải. Khôi phục lại topo và vẽ mặt cắt tối thiểu, tính thông lượng Bắt đầu Xác định mặt cắt tối thiểu như Kết thúc lưu đồ hình 3.1 Hình 1. Lưu đồ xác định mặt cắt tối thiểu Rút gọn tất cả các nút thuộc tập không chứa nhánh quá tải Thuật toán chia tập hợp các đỉnh đồ thị n=số nút còn lại thành hai phần riêng biệt, lát cắt tối thiểu [6] Trên mặt cắt là lát cắt có trọng số nhỏ nhất trong toàn bộ IJ*=max(Wij) các bước cắt. Cụ thể như sau: Yes Bước 1: Tiến hành tạo 2 lát cắt đơn giản Nhánh quá tải IJ T Đưa nút I vào tập S (lát cắt nguồn {S} và lát cắt tải {t}) sao cho No cô lập lần đỉnh nguồn và tải ra khỏi đồ thị. Yes Đưa nút I vào tập T Nhánh quá tải IJ S Bước 2: So sánh tổng thông lượng 2 lát No cắt này (ws và wt) n:=n-1 Bước 3: Tại lát cắt có thông lượng lớn No nhất, max (ws và wt) đưa đỉnh có nhánh n=0 thông lượng lớn nhất vào đỉnh nguồn hay vào Yes Khôi phục lại topo và vẽ mặt đỉnh tải. cắt tối thiểu đi qua nhánh quá tải, tính thông lượng Bước 4: Tính lại thông lượng mới sau khi thực hiện bước 3 Kết thúc Bước 5: Quay lại bước 1 Hình 2. Lưu đồ xác định mặt cắt tối thiểu đi Bước 6: Quá trình kết thúc khi không còn qua nhánh bị quá tải đỉnh nào bền ngoài tập nguồn và tập tải và Bước 1: Xác định mặt cắt tối thiểu như tạo thành đồ thị suy biến. lưu đồ tại Hình 1. - 2 -
3. Bước 2: Thu gọn phía tập không chứa Bước 5: Thực hiện lại bước 4 cho đến khi nhánh quá tải. không còn nút nào ngoài hai tập nguồn và tải, Bước 3: Xác định nhánh có thông lượng quá trình lặp được mô tả theo trình tự tại các lớn nhất trên mặt cắt tối thiểu. Hình 6 và Hình 7. Bước 4: Chuyển nút chứa nhánh này (trừ 2 nhánh bị quá tải) từ tập có chứa nhánh quá tải 1 2,3,4,8,7,6 sang tập không có nhánh quá tải bằng cách 3 5 băng qua mặt cắt tối thiểu. Bước 5: Thực hiện lại bước 4 cho đến khi 5 không còn nút nào không thuộc 2 tập. Hình 6. Mặt cắt đi qua nhánh 1-2 bị quá tải Bước 6: Từ đồ thị suy biến, tiến hành sau khi đưa nút 6 vào tập tải phục hồi lại đồ thị cũ và giữ nguyên vị trí của những nhánh qua lát cắt cực tiểu chứa nhánh 1 5 2,3,4,8,7,6,5 quá tải. Xem xét việc xác định mặt cắt như sau: Bước 1: Xác định mặt cắt tối thiểu đi qua Hình 7. Mặt cắt đi qua nhánh 1-2 bị quá tải nhánh 1-2 quá tải của đồ thị Hình 3 sau khi đưa nút 5 vào tập tải Sau khi thực hiện xong bước 5, không còn nút nào nằm ngoài 2 tập nguồn {1} và tập tải {2,3,4,5,6,7,8} Bước 6: Khôi phục lại đồ thị trước và giữ nguyên vị trí của những nhánh qua lát cắt cực Hình 3. Nhánh 1-2 bị quá tải tiểu chứa nhánh quá tải. Kết quả như Hình 8. Bước 2: Do nhánh quá tải 1-2 nằm ở phía tập Mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh quá tải nguồn nên tiến hành thu gọn phía tập không 1 2 2 3 3 4 4 chứa nhánh quá tải. 3 2 2 2 2 2 5 6 7 8 3 1 3 1 2 2 3 3,4,8,7 Thông lượng tổng = 5 3 2 2 1 Hình 8. Mặt cắt đi qua nhánh 1-2 bị quá tải 5 6 3 có thông lượng w=w12+w15=2+3=5 Hình 4. Mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh đi Như vậy, nếu lưới điện có topo ở Hình 8 qua nhánh 2-3 và 6-7 được cấp từ nút nguồn 1 và tiêu thụ tại nút 8 Bước 3: Nhánh có thông lượng lớn nhất trên và xảy ra quá tải ở nhánh 1-2 thì chỉ nhánh 1- mặt cắt là nhánh 2-3 có w=3 5 mới có thể hỗ trợ được 1-2. Điều này cho thấy: nhánh có mặt cắt tối thiểu xét điều kiện Bước 4: Chuyển nút 2 vào tập tải quá tải mới có khả năng hỗ trợ nhánh quá tải bằng cách thay đổi tổng trở. 2 1 2,3,4,8,7 3 2 5 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 5 6 3.1 Thông số đầu vào 3 Với phương pháp đề xuất có các thông Hình 5. Mặt cắt đi qua nhánh 1-2 bị quá tải số đầu vào là công suất nguồn, công suất tải, sau khi đưa nút 2 vào tập tải khả năng truyền tải công suất của trạm biến áp và đường dây, chương trình đã xác định - 3 -
4. được phần yếu nhất trong sơ đồ lưới điện từ phải đi qua nhánh 1-3 và loại bỏ nhánh 1-2 đó đưa ra các giải pháp khắc phục theo từng do sự cố bằng chương trình Min-cut đi qua nhu cầu, từng giai đoạn của công tác quy nhánh 1-3 có kết quả ở Bảng 2. hoạch lưới điện. Bài báo này thử nghiệm trên 1 120 3 200 155 244 140 100 4 85 lưới điện 7 nút và 9 nút 500 kV của lưới điện 100 159 S 2 100 T Miền Nam, Việt Nam. Phương pháp được 60 120 5 136 200 kiểm chứng kết quả bởi thuật toán mặt cắt tối 270 255 244 7 244 thiểu và phần mềm Powerworld. 200 400 3.2 Lưới điện 7 bus Lưới điện ở sơ đồ Hình 9 gồm: Bốn máy =1419 (2-3, 1-3, 2-4, 2-5, 6-7) 6 phát (G) phát trực tiếp vào bốn nút 1, 2, 4, 6, Hình 11. Mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh 1-3 7 của hệ thống; Phụ tải tiêu thụ tại nút 2, 3, 4, và loại bỏ nhánh 1-2 5, 6, 7; Ngoài ra, còn có đường dây liên lạc Bảng 2. Tổng thông lượng đi qua các nhánh Tổng giữa các nút như Hình 9 trên. Tên Stt thông Đi qua các nhánh G mặt cắt 3 lượng 1 4 1 CUT 3 1,419 2-3, 1-3, 2-4, 2-5, 6-7 2 CUT 4 1,695 2-3, 1-3, 2-4, 4-5, 6-7, 5-7 2 G 5 3 CUT 5 1,820 2-3, 1-3, 3-4, 6-7, 5-7 G Xét sự cố trên nhánh 1-3 như Hình 12. 6 7 G G Hình 9. Sơ đồ lưới điện 7 nút IEEE Bảng 1. Thông số nguồn và phụ tải Công Công suất Chi phí phát Pmin (MW) Bus suất tải nguồn (MBtu/h) Pmax(MW) (MW) (MW) 1 244 8.00P 0-400 0 Hình 12. Sự cố nhánh 1-3 2 159 0.0025P2+8.00P 150-500 100 3 0 155 Bảng 3. Các mặt cắt đi qua nhánh 1-2 4 50 0.0013P2+7.48P 50-300 85 Tên Tổng 5 0 136 Stt mặt thông Đi qua các nhánh 6 270 0.0013P2+7.57P 150-500 224 cắt lượng 7 255 0.0019P2+7.77P 150-600 224 1 CUT 2 1,683 1-2, 2-3, 2-4, 2-5, 6-7 Tổng 978 964 2 CUT 3 1,959 1-2, 2-3, 2-4, 4-5, 6-7, 5-7 Mô phỏng trên lưới điên 7 bus: 3 CUT 4 2,084 1-2, 2-3, 3-4, 6-7, 5-7 4 CUT 5 2,059 1-2, 1-3, 6-7, 5-7 Nếu sự cố trên các nhánh khác cũng xét tương tự. Sau đó dùng thuật toán Min-cut qua nhánh quá tải để hạn chế không gian tìm kiếm. Từ đó định hướng quy hoạch mở rộng lưới điện cho hệ thống truyền tải. 3.3 Lưới điện 9 nút Hình 10. Mô phỏng trên lưới điện 7 bus Lưới điện ở sơ đồ hình 13 gồm: 5 máy Xét sự cố trên nhánh 1-2: Xác định mặt phát (G) phát trực tiếp vào bốn nút 1, 3,4,5,9 cắt tối thiểu trên đồ thị Topo hình 3 nhưng của hệ thống; Phụ tải tiêu thụ tại nút 1, 2, 3, - 4 -
5. 4, 5, 6, 7, 8, 9; Ngoài ra còn có đường dây đây. Xét sự cố trên nhánh 2-6 như Hình 14. liên lạc giữa các nút như sơ đồ trên; Tên các nút tại các nơi: Nút 1: Trà Vinh; Nút 2: Mỹ Tho; Nút 3: Sông Hậu; Nút 4: Sóc Trăng; Nút 5: Ô Môn; Nút 6: Phú Lâm; Nút 7: Thốt Nốt; Nút 8: Đức Hòa; Nút 9: Kiên Lương. Hình 14. Kết quả mô phỏng lưới 9 nút Sử dụng mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh quá tải 2-6 để xác định được nhánh nào hổ trợ cho nhánh 2 -6. Từ đó làm cơ sở để chọn Hình 13. Sơ đồ lưới điện 9 nút phương án mở rộng lưới cho phù hợp như Các thông số điện của sơ đồ mạng và kéo dây, lắp đặt thiết bị bù, thay dây để tiết thành lập ma trận khả năng mang tải của hệ kiệm chi phí. Xét kết quả vận hành lâu dài thống ở lưới 9 nút Bảng 4 và Bảng 5. của lưới điện khi bị sự cố và cách khắc phục. Bảng 4. Ma trận lưới 9 nút (nút 1 đến 5) Sự cố bất kỳ nhánh nào của lưới điện 9 bus 500Kv Miền Nam Việt Nam, việc kéo dây STT Nút 0 0 1 2 3 4 5 mới song song với các nhánh 2-8, nhánh 3-6, 0 0 2924 0 3230 1220 1350 nhánh 6-8 thì lưới điện không bị quá tải, khi 1 2924 0 4780 0 0 0 xảy ra sự cố trên bất kỳ nhánh nào của lưới 2 0 4788 0 6547 0 4780 3 3230 0 6547 0 0 0 điện cũng vẫn đảm bảo được khi tải tăng. 4 1220 0 0 0 0 4780 Như vậy, phương án kéo dây mới của lưới 5 1350 0 4780 0 4780 0 điện Miền Nam là phương án hiệu quả nhất, 6 0 0 2390 0 0 0 7 0 0 0 0 0 4780 đảm bảo lưới điện vận hành an toàn lâu dài. 8 0 0 4780 0 0 0 4. KẾT LUẬN 9 3045 0 0 0 0 0 Trong bài báo này, giới thiệu một phương 10 0 200 750 300 200 2515 Bảng 5. Ma trận lưới 9 nút (nút 6 đến 9) pháp mở rộng lưới bằng thuật toán Min cut STT Nút nhằm giảm không gian tìm kiếm, đồng thời 0 6 7 8 9 10 kết hợp sử dụng phần mềm Powerworld để 0 0 0 0 3045 0 kiểm chứng lại giải thuật đã đề xuất để tính 1 0 0 0 0 200 toán. Phương pháp đề xuất Min cut Max 2 2390 0 4780 0 750 3 0 0 0 0 300 flow, với các thông số đầu vào là công suất 4 0 0 0 0 200 nguồn, công suất tải, khả năng trạm biến áp 5 0 4780 0 0 2515 và đường dây giải thuật đã xác định được 6 0 0 4780 0 6350 phần yếu nhất trong sơ đồ lưới điện từ đó đưa 7 0 0 0 4780 800 ra các giải pháp khắc phục theo từng nhu cầu, 8 4780 0 0 4780 200 9 0 4780 4780 0 200 từng giai đoạn của công tác quy hoạch lưới 10 6350 800 200 200 0 điện. Phương pháp đề xuất đã xác định được Sau khi nhập thông số và chạy chương các điểm nghẽn mạch và định hướng quy trình trên Powerworld trong mạng điện 9 nút hoạch hệ thống điện, từ đó lập phương án được trình bày trong các trường hợp dưới quy hoạch hiệu quả của lưới điện truyền tải. - 5 -
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO ISSN 0976 – 6553 (Online) Volume 3, Issue 1. [1] Nguyễn Lân Tráng. (2007). Giáo trình quy January-June 2012. hoạch phát triển hệ thống điện. NXB Khoa học [5] ThanhLong Duong, Yao JianGang, Tong và Kỹ thuật, tr. 179-183. Kang. (2014). Optimal Location of Thyristor- [2] C. W. Lee, Simon K. K. Ng, J. Zhong, and controlled-series-capacitor using Min Cut Felix F. Wu. (2006). Transmission Expansion Algorithm. TELKOMNIKA Indonesian Journal of Planning From Past to Future. Proc. Power Electrical Engineering Vol.12, No.5, pp. 3649- Systems Conf. Expo. (PSCE 06), pp.257-265. 3661. May 2014. [3] Reza Hemmati, Rahmat-Allah Hooshmand, [6] Mechthild Stoer, Frank Wagner. (1997). A Amin Khodabakhshian. (2013). State of the art of Simple Min-Cut Algorithm. Journal of the ACM, transmission expansion planning: Comprehensive Vol. 44, No. 4, pp. 585–591. July 1997. review. Renewable and Sustainable Energy [7] T.-H. Chen and V.-T. Tran, (2015) Reviews 23 (2013), pp.312–319. "Optimization of Transmission Expansion [4] Thanhlong Duong, Jiangang Yao, Vietanh Planning by Minimal Cut Sets Based on Graph Truong. (2012). Optimal placement of TCSC Theory," Electric Power C omponents and based on min-cut algorithm for congestion Systems, vol. 43, no. 16, pp. 1822-1831, 2015. management in deregulated electricity market. Journal of Electrical Engineering and Technology (IJEET), ISSN 0976 – 6545 (Print), Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Nguyễn Văn Được Đơn vị: Học viên Cao học Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Điện thoại: 0934190781 Email: duocnguyen.emc@gmail.com XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS. TS. Trương Việt Anh - 6 -
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.