Tái cấu trúc lưới điện phân phối để giảm tổn thất công suất

Nội dung text: Tái cấu trúc lưới điện phân phối để giảm tổn thất công suất

1. TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ĐỂ GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT DISTRIBUTION NETWORK RECONFIGURATION FOR LOSS POWER REDUCTION Nguyễn Minh Quân Học viên Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Tóm tắt Tái cấu trúc lưới điện phân phối là nhằm mục đích giảm tổn thất công suất, cân bằng tải giữa các đường dây, và khôi phục lưới điện phân phối nhanh sau sự cố, v v Việc đó được thực hiện bằng cách thay đổi trạng thái đóng/mở của các khóa chuyển mạch và các khóa phân đoạn. Bài báo này sẽ dựa trên luật tăng trưởng cây để giải quyết vấn đề giảm tổn thất công suất nêu trên để tìm ra cấu hình lưới điện tối ưu nhất có thể. Để chứng minh tính đúng đắn của giải thuật, việc tính toán mô phỏng được thực hiện trên hệ thống phân phối 16 nút và 33 nút. Kết quả được so sánh với các phương pháp tiếp cận khác đề cập trong luận văn. Phương pháp đề nghị tuy chỉ thu được kết quả cục bộ nhưng tính toán đơn giản, phù hợp với lưới điện không phức tạp, ít vòng kín, có tính khả thi cao khi áp dụng cho lưới điện phân phối của Việt Nam. Từ khóa: Tái cấu trúc mạng, Cân bằng tải, giảm tổn thất công suất Abstract Network reconfiguration in distribution system is to reduce power loss, load balancing and fast restoration by changing the statues of tie and sectionalizing switches. This paper will base growth laws of a plant to solve problem loss power reduction above to find the optimal configuration possible. To demonstrate the validity of the proposed algorithm, computer simulations are carried out on a 16-bus and 33-bus distribution system. Compared with different approaches available in this thesis. The proposed method local results but simple calculations, appropriate the grid is not complicated, less closed-loop, feasible when applied to electricity distribution networks in Vietnam. Keywords: Network reconfiguration, Load balancing, loss power Reduction. 1. Đặt vấn đề Hệ thống điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện đến hộ tiêu thụ. Vì lý do kỹ thuật, nó luôn được vận hành theo kiểu hình tia, mặc dù được thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy trong quá trình cung cấp điện. Theo thống kê của Điện lực Việt Nam thì tổng tổn thất điện năng khoảng từ 10-15% sản lượng điện sản xuất, trong đó tổn hao trên đường dây từ 5-7%. Do đó nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối là một nhu cầu cấp thiết, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích về kinh tế. Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối như: nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối, tăng tiết diện dây dẫn, hoặc giảm truyền tải công suất phản kháng trên lưới điện bằng cách lắp đặt tụ bù. Tuy các biện pháp này đều mang tính khả thi về kỹ thuật nhưng lại tốn các chi phí đầu tư và lắp đặt thiết bị. Trong khi đó, biện pháp tái cấu trúc lưới thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng/mở các cặp khoá điện có sẵn trên lưới cũng có thể giảm tổn thất điện năng đáng kể khi đạt được cân bằng công suất giữa các tuyến dây mà không cần nhiều chi phí để cải tạo lưới điện. Bài báo này sẽ dựa trên thuyết tăng trưởng cây để giải quyết vấn đề giảm tổn thất công suất nêu trên nhằm tìm ra cấu hình lưới điện tối ưu nhất có thể.
2. 2. Bài toán giảm tổn thất công suất Mạng phân phối đặc trưng là mạng vòng nhưng vận hành hở. Vấn đề tiếp theo là phải đóng mở các khóa trong mỗi vòng sao cho tổn thất trên mạng phân phối đặc trưng là nhỏ nhất. Để làm được điều này ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm kiếm cấu trúc cho tổn thất nhỏ nhất: Và các điều kiện ràng buộc: - Giới hạn điện áp: - Khả năng mang dòng của mỗi nhánh: - Cấu trúc mạng phải là hình tia. - Tất cả các điểm tải đều phải được cấp điện. 3. Luật tăng trưởng của cây. Trong quá trình phát triển của cây, sự tập trung càng cao morphactin (là 1 chất bắt nguồn từ hydroxyfluorene-9-carboxylic acid, là một chất điều hòa sinh trưởng tổng hợp) của một nút, xác suất lớn hơn để phát triển một nhánh mới trên nút. Sự tập trung morphactin của bất kỳ nút nào trên cây thì không được đưa ra trước và không phải là cố định, nó được xác định bởi các thông tin môi trường của nút, và thông tin môi trường của một nút phụ thuộc vào vị trí tương đối của nó trên cây. Sự tập trung morphactin của tất cả các nút của cây được phân bổ một lần nữa theo các thông tin môi trường mới sau khi nó phát triển một nhánh mới. Vì vậy, điều kiện để một nút được chọn ưu tiên để phát triển một nhánh mới là nút này phải có lượng Morphactin tập trung lớn nhất. 4. Xây dựng giải thuật đề nghị dựa theo thuyết tăng trưởng cây. 4.1. Quá trình xây dựng cấu trúc lưới điện. Quá trình xây dựng cấu trúc lưới điện có thể mô tả theo trình tự : i. Mở tất cả các khóa điện, mỗi khoá điện được xem là một kết nối giữa các phụ tải với nhau hay giữa nguồn với phụ tải. ii. Tìm cách gắn lần lượt từng phụ tải vào hệ thống qua một khoá điện duy nhất, khoá điện này sẽ có trạng thái đóng. Các phụ tải sẽ có quyền lựa chọn xem việc nối với nguồn nào để tổn thất công suất bé nhất. iii. Tải sau khi được nối vào hệ thống sẽ trở thành nguồn cho các tải kế tiếp xem xét để kết nối. (điều này đảm bảo mỗi tải chỉ được cung cấp điện từ một nguồn duy nhất – điều kiện cấu trúc vận hành hình tia) iv. Quá trình hình thành lưới điện sẽ kết thúc khi tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện. Các khoá điện mở là các khoá còn lại trong hệ thống. 4.2. Xây dựng giải thuật chọn kết nối phù hợp. Để chọn đóng kết nối tối ưu trong trường hợp này thì kết nối được lựa chọn phải làm giảm tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện phân phối. Vì vậy, kết nối được chọn là kết nối có tổn thất công suất P bé nhất trong từng bước lặp. n 2 2  Pi Qi Ri i 1 Tổn thất công suất tính bằng biểu thức: P 2 Uđm Trong đó - n : số nhánh có trong quá trình xây dựng cấu trúc lưới - Pi, Qi, Ri : Công suất và Điện trở của nhánh thứ i
3. 4.3. Lưu đồ mô tả giải thuật tái cấu trúc đề nghị và các bước thực hiện:
4. Hình 1: Lưu đồ giải thuật đề nghị Bước 1: Nhập công suất của các nút tải (PLi, QLi). Nhập giá trị điện trở của nhánh dây (Ri, Qi). Nhập điện áp định mức của lưới phân phối đang xét (Uđm). Bước 2: Tạo tập nguồn và tập tải từ dữ liệu ban đầu. Bước 3: Xây dựng các tập kết nối ban đầu. Các kết nối ban đầu là kết nối giữa nguồn điện với nút tải nằm gần nguồn điện nhất. Lúc này, khóa điện kết nối nguồn điện và nút tải sẽ ở trạng thái đóng. Bước 4: Tính  P cho từng kết nối. Bước 5: So sánh  P của từng kết nối và chọn kết nối có  P nhỏ nhất. Bước 6: Sau khi chọn được khóa đóng thì chuyển nút tải vừa được chọn từ tập tải sang tập nguồn. Bước 7: Cập nhật lại tập tải và tập nguồn. Tạo tập kết nối từ nguồn mới. Cập nhật các tập kết nối tiếp theo cần xét. Bước 8: Kiểm tra số tập kết nối tạo từ nguồn mới có >= 1 không? Nếu sai, ta sẽ loại bỏ kết nối có P bé nhất ra khỏi danh sách so sánh và quay lại bước 5 thực hiện lại. Nếu đúng, nhảy tới bước 9 thực hiện. Bước 9: Kiểm tra lưới điện có phải hình tia không? Nếu sai, loại bỏ các kết nối được tạo từ nút nguồn mới cập nhật. Sau đó nhảy tới bước 10 thực hiện. Nếu đúng, nhảy tới bước 10 thực hiện. Bước 10: Kiểm tra xem tất cả các nút đã được cấp nguồn chưa? Nếu sai, quay lại bước 4 thực hiện. Nếu đúng, nhảy tới bước 11 thực hiện. Bước 11: xuất kết quả cuối cùng. Tổng tổn thất công suất P lúc ban đầu Tổng tổn thất công suất P sau cùng. Tổng tổn thất công suất giảm sau khi tái cấu trúc lưới điện Các khóa điện ở trạng thái mở. 5. Kết quả mô phỏng. 5.1. Mạng 16 nút. Hình 2: Cấu trúc lưới điện 3 nguồn lúc ban đầu.
5. Mạng 3 nguồn là một lưới điện phân phối đơn giản do Civanlar [3] lần đầu tiên đề xuất để kiểm tra giải thuật của mình. Có rất nhiều tác giả đã sử dụng lưới điện mẫu này làm ví dụ kiểm chứng độ chính xác giải thuật. Lưới điện 3 nguồn gồm có 16 nút tải và 16 nhánh, các khóa điện được đặt trên tất cả các nhánh được trình bày hình 2. Các khóa điện mở ban đầu: sw14, sw15, sw16, tổn thất công suất lúc ban đầu là 514 kW tại cấp điện áp 22 kV. Sau khi nhập dữ liệu và chạy chương trình MatLap, được kết quả như bảng 1. Bảng 1: Kết quả mô phỏng lưới điện 3 nguồn. Nhận xét: Kết quả này giống với kết đạt được theo phương pháp tập chỉ số của W.M. Lin và H.C. Chin, trong “A New Approach for Distribution Reconfiguration for Loss Reduction and Service Restoration”, IEEE trans. On Power Delivery, Vol. 13, No. 3, July 1998. 5.2. Mạng 33 nút. Hình 3: Cấu trúc lưới điện 1 nguồn lúc ban đầu. Hình 3 mô tả lưới điện phân phối 1 nguồn của Baran và Wu [4] có cấu trúc phức tạp bao gồm 33 nút 37 nhánh, mạng điện có 5 vòng kín được vận hành hở. Lưới điện này lần đầu tiên được Baran và Wu [4] sử dụng để minh họa cho giải thuật trong “Network Reconfiguration in Distribution Systems for Loss Reduction and Load Balancing”, IEEE Transactions on Power Delivery, 4-2, April 1989, pp. 1401- 1407, sau đó được rất nhiều các nhà khoa học sử dụng như một ví dụ kiểm tra tính chính xác của giải thuật. Đặc điểm của lưới điện 1 nguồn: tổng công suất tiêu thụ là 3715 kW và 2300 kVAr. Uvậnhành =
6. 12.66kV. Cấu trúc lưới ban đầu có các khóa điện mở là sw33, sw34, sw35, sw36, sw37, tổn thất công suất lúc ban đầu là: 199,2 kW. Cấu trúc lưới này chỉ có một nguồn nhưng phức tạp vì có 5 vòng lồng nhau nên có nhiều cực trị địa phương. Sau khi nhập dữ liệu và chạy chương trình MatLap, được kết quả như bảng 2: Bảng 2: Kết quả mô phỏng lưới điện 1 nguồn. Kết quả của các phương pháp khác nhau được tóm tắt ở bảng 3. Baran Baran Goswami Phần mềm Lin Giải thuật Tên giải thuật (PP1) (PP2-PP3) (PP:1-2-3) PSS-ADEPT đề nghị [8] [4] [4] [5] (TOPO) Sw11 Sw6 Sw7 Sw7 Sw7 Sw7 Sw28 Sw11 Sw9 Sw9 Sw9 Sw8 Khóa mở Sw31 Sw31 Sw14 Sw14 Sw14 Sw14 Sw33 Sw34 Sw32 Sw32 Sw32 Sw32 Sw34 Sw37 Sw37 Sw37 Sw37 Sw37 Tổn thất giảm (%) 28,85 25,48 33,17 33,17 33,17 30,03 Bảng 3: Kết quả giải thuật đề nghị và các giải thuật khác trên lưới điện 1 nguồn Nhận xét: Kết quả trình bày ở bảng 2 cho thấy, cấu trúc mạng theo giải thuật đề nghị làm tổn thất công suất của hệ thống giảm 30,03% so với tổn thất công suất ứng với cấu trúc ban đầu. Kết quả này tốt hơn kết quả đề nghị theo phương pháp 1, 2 và 3 của Baran và Wu [4], nhưng kém hơn các phương pháp còn lại. 6. Kết luận Trong bài báo này, thuật toán dựa trên luật tăng trưởng cây đã được đề xuất để tái cấu trúc lại mạng lưới phân phối để giảm tổn thất công suất. Một mô hình mới đã được sử dụng để đơn giản hóa mạng lưới phân phối. Kết quả thử nghiệm đã được trình bày, trong đó cho thấy rằng sử dụng giải thuật dựa trên luật tăng trưởng cây, các vấn đề tái cấu trúc lại tuyến dây có thể được giải quyết hiệu quả cho giảm tổn thất hơn khi so sánh với thuật toán của Baran và Wu [4].
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D.Shirmohammadi and H. W. Hong, “Reconfiguration of electric distribution for resistive line loss reduction,” IEEE Trans. Power Del., vol. 4, no. 2, pp. 1492–1498, Apr. 1989. [2] S.Civanlar, J. J. Grainger,H.Yin, and S. S. H. Lee, “Distribution feeder reconfiguration for loss reduction,” IEEE Trans. Power Del., vol. 3, no.3, pp. 1217–1223, Jul. 1988. [3] M.E. Baran and F. F.Wu, “Network reconfiguration in distribution systems for loss reduction and load balancing,” IEEE Trans. Power Del., vol. 4, no. 2, pp. 1401–1407, Apr. 1989. [4] Goswaini, S. K. and S. K. Basu, “A New Algorithm for the Reconfiguration of Distribution Feeders for Loss Minimization”, IEEE Transactions on Power Delivery, 7-3, July 1992, pp. 1484- 1491. [5] W.M. Lin and H.C. Chin, “A New Approach for Distribution Reconfiguration for Loss Reduction and service Restoration”, IEEE trans. On Power Delivery, Vol. 13, No. 3, July 1998.
8. 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 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.