TRẦN TRỌNG NGHĨA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN TRỌNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN

KỸ THUẬT ĐIỆN

PHÂN PHỐI NHẰM GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

2012B
Hà Nội – Năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN TRỌNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
NHẰM GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG

CHUYÊN NGÀNH:

này là do tôi tự thực hiện một cách trung thực và chưa từng được nêu ra trong bất kỳ
bản luận văn nào khác.
Hà Nội, tháng 09 năm 2014
Tác giả luận văn

Trần Trọng Nghĩa

- ii -


LỜI MỞ ĐẦU
I. Đặt vấn đề
Lưới điện phân phối điện là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực
tiếp đến người tiêu dùng. Lưới điện phân phối bao gồm lưới điện trung áp và lưới
điện hạ áp.
Cùng với tốc độ tăng trưởng kinh tế xã hội, tốc độ phát triển cả về quy mô và chất
lượng hệ thống điện nói chung và lưới điện phân phối nói riêng đang diễn ra rất
mạnh mẽ. Dẫn đến công tác quản lý đầu tư xây dựng và quản lý vận hành đối với
các đơn vị quản lý và vận hành điện ngày càng cao.
Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện có thể thực hiện bằng các biện pháp cụ thể:
thay thế các thiết bị cũ bằng các thiết bị tin cậy hơn, có đường dây dự phòng, có
nguồn thay thế như máy phát… Các biện pháp này tuy đảm bảo độ tin cậy cung cấp
điện cao nhưng yêu cầu vốn đầu tư lớn, chỉ thích hợp áp dụng cho các phụ tải quan
trọng không được phép mất điện. Trong thực tế để nâng cao độ tin cậy cung cấp
điện, lưới phân phối thường sử dụng cấu hình mạch vòng nhưng vận hành hở. Điểm
mở của mạch vòng được tính toán và lựa chọn sao cho tổn thất công suất hoặc tổn
thất điện áp trên lưới là nhỏ nhất. Do đó không những nâng cao được độ tin cậy
cung cấp điện mà chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng cũng được đảm
bảo là tốt nhất.
Việc nâng cao chất lượng điện năng cũng có thể thực hiện bằng nhiều biện pháp


Áp dụng thuật toán trên một lưới điện mẫu của IEEE và lưới điện phân phối
Thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh.

III. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu vấn đề lựa chọn điểm mở tối ưu, tìm phương thức vận hành lưới điện
phân phối theo hàm mục tiêu tổng tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện phân
phối là nhỏ nhất và đảm bảo chất lượng điện năng (tái cấu hình lưới điện). Trình
bày bài toán tái cấu hình và giới thiệu một số phương pháp cơ bản cho bài toán tái
cấu hình lưới điện.
Áp dụng cho bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối nhằm mục đích giảm tổn thất
công suất.
IV. Bố cục luận văn
Luận văn được trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Tổng quan bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối
Chương 2: Tính toán trào lưu công suất
Chương 3: Áp dụng kỹ thuật đổi nhánh cho bài toán tái cấu hình lưới điện phân
phối; Ví dụ minh họa và áp dụng
Chương 4: Kết luận và định hướng nghiên cứu

- iv -


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................... iii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................. vii
CÁC BẢNG BIỂU ...................................................................................... viii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN BÀI TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI PHÂN
PHỐI .............................................................................................................. 1


II.2

Phương pháp Newton-Raphson...................................................... 30

-v-


II.2.1

Cơ sở toán học ........................................................................ 30

II.2.2

Ứng dụng trong giải tích lưới điện [9 ] ................................... 33

CHƯƠNG III: KỸ THUẬT ĐỔI NHÁNH TÁI CẤU HÌNH LƯỚI PHÂN
PHỐI, VÍ DỤ MINH HỌA VÀ ÁP DỤNG .................................................. 37
III.1

Kỹ thuật đổi nhánh trong tái cấu hình lưới điện phân phối [8] ...... 37

III.2

Cấu hình chương trình ................................................................... 51

III.3

Ví dụ minh họa .............................................................................. 54



:

Thuật toán tối ưu đàn ong

BE

:

Kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange

CDPT

:

Cầu dao phụ tải

DCL

:

Dao cách ly

DAS

:

Distribution Automatic System

DCLTĐ


:

Máy biến áp

Nút PQ

:

Nút phụ tải

Nút PV

:

Nút giữ điện áp

Nút SL

:

Nút cân bằng công suất

TA

:

Mạng trung áp

TKV


Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây
truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản
xuất, truyền tải và phân phối điện năng.
Một vài khái niệm về lưới điện phân phối:
-

-

Lưới phân phối là phần lưới điện làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các
trạm trung gian (hoặc TKV hoặc thanh cái nhà máy điện) cho các phụ tải.
[14]
Lưới điện phân phối là phần lưới điện bao gồm toàn bộ các đường dây và
trạm biến áp có cấp điện áp từ 35kV trở xuống, các đường dây và trạm biến
áp có điện áp 110kV để thực hiện chức năng phân phối điện đến khách hàng
sử dụng điện. [16]

I.1.2

Các đặc điểm và yêu cầu của lưới điện phân phối
Đặc điểm của lưới phân phối

(1)

Lưới phân phối trung áp ở Việt Nam có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối điện
cho các trạm phân phối trung hạ áp, lưới hạ áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải
hạ áp.
Một số đặc điểm chính của lưới điện phân phối:
-


-

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;

-

-

-

-

Trên lưới phân phối, các khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ và
có phạm vi nhất định, 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;
Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các loại relay đơn
giản, giá thành thấp như relay quá dòng, thấp áp… mà không nhất thiết phải
trang bị các loại relay phức tạp như có hướng, khoảng cách, so lệch… nên
việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn, nên mức đầu tư cũng giảm
xuống;
Chỉ cần dùng cầu trì tự rơi (FCO: Fuse Cut Out) hay cầu trì 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;

Việc duy tu bảo dưỡng cho lưới phân phối phải đảm bảo chi phí nhỏ nhất.
Các thiết bị phân đoạn trên lưới phân phối trung áp

Để phân đoạn lưới phân phối nâng cao độ tin cậy, giảm thời gian gián đoạn cung
cấp điện, ngoài các thiết bị cổ điển như dao cách ly, cầu dao phụ tải, người ta còn sử
dụng một số thiết bị tự động để làm thiết bị phân đoạn như: máy cắt, dao cách ly tự
động, máy cắt tự động đóng lại (Recloser) v.v..
Việc quyết định sử dụng các thiết bị tự động cần phải xem xét từ nhiều khía cạnh
của hệ thống cung cấp điện, phải phối hợp tốt nhiều mặt như chọn sơ đồ nối dây,
chọn thiết bị, hình thức bảo vệ, trình độ vận hành và khai thác thiết bị tự động v.v..
với chi phí đầu tư tương ứng.
(1)

DAS (Distribution Automatic System)

DAS là hệ thống phân phối điện tự động điều hành bằng máy tính. Trên lưới điện
trung áp được phân đoạn bằng DAS có các ưu điểm nổi trội hơn so với các hệ thống
lưới điện phân phối trung áp sử dụng các thiết bị phân đoạn nêu trên nhờ khả năng
tự động hóa, giám sát và điều khiển từ xa.
DAS cung cấp chức năng điều khiển và giám sát từ xa các dao cách ly phân đoạn tự
động, phối hợp giữa các điểm phân đoạn trên lưới điện phân phối trung áp, nhờ đó
nhanh chóng cô lập được phân đoạn sự cố, khôi phục việc cung cấp điện năng cho
các phần còn lại của hệ thống không bị sự cố.
Lưới phân phối trung áp sử dụng hệ thống DAS có thời gian cách ly sự cố và khôi
phục cung cấp điện cho các phân đoạn không bị sự cố rất nhỏ do đó độ tin cậy của
lưới điện phân phối trung áp phân đoạn bằng DAS rất cao.

-3-



sự cố). Trên đường dây phân phối có DCLTĐ được lắp đặt, khi có sự cố máy cắt
đầu nguồn sẽ cắt và quá trình cung cấp điện bị ngừng, sau đó tất cả các DCLTĐ trên
tuyến đương dây phân phối sẽ cắt (đây được gọi là cắt không điện áp của DCLTĐ).
Sau khi máy cắt đóng lại, các phân đoạn thuộc đường dây sẽ được cung cấp bằng
cách đóng thử nghiệm lần lượt các cầu dao từ phía đầu nguồn. Khi điện được cấp
tới phân đoạn sự cố, do dòng sự cố, máy cắt lại tiếp tục cắt lần nữa. Qua đó xác định
được phân đoạn sự cố chính là phân đoạn vừa được đóng thử nghiệm. Tiếp đó,

-4-


DCLTĐ tại phân đoạn này sẽ tự động khóa lại, phân đoạn sự cố được cô lập, quá
trình cung cấp điện cho các phân đoạn còn lại được tự động thực hiện sau đó. Như
vậy, ưu điểm của DCLTĐ làm giảm thời gian tìm kiếm xác định sự cố và thời gian
gián đoạn cung cấp điện.
Tuy nhiên, do DCLTĐ vẫn phải đóng cắt không tải nên khi chuyển tải, tái cấu hình
lưới điện để cải thiện các thông số vận hành phải cắt nguồn cấp, gây ra tình trạng
mất điện không cần thiết, làm giảm độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện. Trong
lưới điện phân phối trung áp của Việt Nam DCLTĐ chưa được sử dụng rộng rãi.
(4)

Dao cách ly (DCL)

Dao cách ly là loại cầu dao không có bộ phận dập hồ quang nên khi đóng hoặc cắt
phải đảm bảo cầu dao không có điện hoặc không có dòng điện phụ tải. Trên đường
dây phân phối lắp đặt DCL, khi xảy ra sự cố máy cắt đầu nguồn sẽ cắt, quá trình
cung cấp điện cho phụ tải bị ngừng. Việc xác định điểm sự cố được thực hiện từ
cuối đường dây ngược trở về đầu đường dây. Trong khoảng thời gian không điện
DCL ở phân đoạn cuối cùng của đường dây sẽ được cắt ra, việc thao tác này được
thực hiện tại chỗ bằng tay. Sau đó máy cắt đầu đường dây được đóng trở lại, nếu có

trên lưới điện phân phối nước ta.
I.1.4

Tổn thất trên lưới điện phân phối

Theo thống kê của các công ty điện lực trên cả nước, tổn thất điện năng trên lươi
điện phân phối thông thường gấp từ 1,5-2 lần tổn thất trên đường dây truyền tải,
lượng điện năng tổn thất tập trung trên hai loại tổn thất đó là tổn thất kỹ thuật và tổn
thất thương mại.
Tổn thất kỹ thuật: Tổn thất kỹ thuật trên lưới điện phân phối chủ yếu trên dây dẫn
và các máy biến áp phân phối. Tổn thất kỹ thuật bao gồm tổn thất công suất tác
dụng và tổn thất công suất phản kháng. Tổn thất công suất phản kháng do từ thông
rò và gây từ trong các máy biến áp và cảm kháng trên đường dây. Tổn thất công
suất phản kháng chỉ làm lệch góc và ít ảnh hưởng đến tổn thất điện năng. Tổn thất
công suất tác dụng có ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất điện năng. Thành phần tổn
thất điện năng do tổn thất công suất tác dụng được tính như sau:

 A  P(t ).dt

(1)

Trong đó, P(t) là tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp tại
thời điểm t. Việc tính toán tổn thất điện năng theo công thức (1) thông thường được
thực hiện theo phương pháp dòng điện đẳng trị phụ thuộc vào đồ thị phụ tải hoặc
theo thời gian sử dụng công suất lớn nhất. Tổn thất công suất tác dụng bao gồm tổn
thất sắt do dòng điện Foucault trong lõi thép và tổn thất đồng do hiệu ứng Joule
trong máy biến áp. Các loại tổn thất này có các nguyên nhân chủ yếu như sau:
-

Đường dây phân phối quá dài, bán kính cấp điện lớn;

Sai sót tính toán tổn thất kỹ thuật;
Sai sót thống kê phân loại và tính hóa đơn khách hàng.

Tổn thất phi kỹ thuật phụ thuộc vào cơ chế quản lý, quy trình quản lý hành chính,
hệ thống công tơ đo đếm và ý thức của người sử dụng. Tổn thất phi kỹ thuật cũng
một phần chịu ảnh hưởng của năng lực và công cụ quản lý bản thân các Điện lực,
trong đó có phương tiện máy móc, máy tính, phần mềm quản lý.
I.1.5

Các biện pháp giảm tổn thất công suất và bài toán tái cấu hình

Như đã đề cập ở trên, tổn thất trên lưới phân phối bao gồm tổn thất kỹ thuật và tổn
thất thương mại. Để giảm tổn thất thương mại cần thực hiện song song với các nỗ
lực giảm tổn thất kỹ thuật.
Các biện pháp chính để giảm tổn thất kỹ thuật trong lưới điện phân phối có thể được
liệt kê như sau:
1. Nâng cao điện áp vận hành của lưới điện;
2. Bù kinh tế trong lưới phân phối trung áp bằng tụ điện;
3. Tăng tiết diện dây dẫn, giảm bán kính cấp điện;
4. Chọn đúng dây dẫn để giảm tổn thất vầng quang;
5. Cải tiến cấu trúc và vật liệu để sản xuất các thiết bị điện có tổn thất nhỏ (vật
liệu siêu dẫn cách điện có chất lượng cao…);

-7-


6. Một số các biện pháp kỹ thuật cần được thực hiện trong các giai đoạn thiết
kế-quy hoạch hoặc cải tạo, đầu tư xây dựng công trình;
7. Áp dụng lưới điện linh hoạt cho lưới hệ thống và hệ thống phân phối điện có
điều khiển tự động cho lưới phân phối trung áp;

được điều này ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm kiếm cấu hình cho tổn thất
công suất là nhỏ nhất.

-8-


Về mặt toán học, tái cấu hình lưới điện là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc theo
dòng công suất chạy trên các nhánh vấn đề này được trình bày như sau:
Hàm cực tiểu:
n

j 1

Plosse    R j 1, j ( Pj2  Q 2j ) / V j2 

(2.1)

j 1 j  ni

Thõa mãn các điều kiện ràng buộc:


 n
 Sij  S j
 i 1
 Sij  Sijmax

Vij  Vijmax
 n
 S  S

Sft
ft

: Sụt áp trên nhánh ij
: Dòng công suất trên đường dây ft
: Các đường dây được cung cấp điện từ máy biến áp t

-

ft
: Có giá trị là 1 nếu đường dây ft làm việc, là 0 nếu đường dây ft
không làm việc

Hàm mục tiêu (2.1) thể hiện tổng tổn thất công suất trên toàn lưới phân phối, có thể
đơn giản hóa hàm mục tiêu bằng cách xét dòng công suất nhánh chỉ có thành phần
công suất tải và điện áp các nút tải là hằng số. Biểu thức (2.2) đảm bảo cung cấp đủ
công suất theo nhu cầu các phụ tải. Biểu thức (2.3) và (2.4) là điều kiện chống quá
tải tại trạm trung gian và sụt áp tại nơi tiêu thụ. Biểu thức (2.5) đảm bảo rằng các
trạm biến thế hoạt động trong giới hạn công suất cho phép. Biểu thức (2.6) đảm bảo
mạng điện được vận hành với cấu hình tia. Với mô tả trên, tái cấu hình lưới điện

-9-


phân phối là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc. Hàm mục tiêu bị gián đoạn, rất
khó để giải bài toán tái cấu hình bằng phương pháp giải tích toán học truyền thống
và điều này còn gặp khó khăn hơn khi lưới điện không cân bằng.
I.2.2

Các giả thiết trong bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối


- 10 -


Hiện nay, vấn đề giảm tổn thất trên lưới phân phối đang là vấn đề được quan tâm
nghiên cứu, nhiều biện pháp để giảm tổn thất được đưa ra để nghiên cứu. Tuy
nhiên, trong các biên pháp giảm tổn thất thì biện pháp lựa chọn điểm phân đoạn hợp
lý tái cấu hình lưới phân phối theo các hàm mục tiêu khác nhau được đánh giá cao
và tốn kém ít kinh phí.
Trong phạm vi luận văn này chỉ xét đến mục tiêu tiêu giảm công suất tác dụng cho
bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối sử dụng kỹ thuật đổi nhánh – Branch
exchange method.
I.2.4
(1)

Tóm tắt một số phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối
Thuật toán cắt vòng kín [1]

Giải thuật của Merlin và Back: “Đóng tất cả các khóa điện lại tạo thành 1 vòng kín,
sau đó giải bài toán phân bố công suất và tiến hành mở lần lượt các khóa có dòng
chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện trở thành hình tia”. Ở đây Merlin và Back
cho rằng với mạch vòng, lưới điện phân phối luôn có mức tổn thất công suất bé
nhất. Vì vậy, để có lưới điện phân phối vận hành hình tia, Merlin và Back lần lượt
loại bỏ những nhánh có tổn thất công suất nhỏ nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi lưới
điện đạt trạng thái vận hành hở. Các giải thuật tìm kiếm nhánh và biên ứng dụng kỹ
thuật heuristic này mất nhiều thời gian do có khả năng sẽ xẩy ra đến 2n cấu hình
nếu có n đường dây được trang bị khóa điện. Hình I.1 thể hiện giải thuật của Merlin
và Back, đã được Shirmohammadi bổ sung.

- 11 -

Phương pháp này yêu cầu sự phân tích, đánh giá dòng công suất trên toàn bộ hệ
thống tại thời điểm tính toán. Sự thay đổi tổn thất công suất nhờ thay đổi trạng thái
đóng cắt của cặp khóa điện được tính toán qua công thức:
 

P(t )  Re 2  I i ( EM  EN )*    Rloop

  iD

I
iD

2
i

(2.7)

Trong đó:
-

D

: là tập các nút tải được dự kiến chuyển tải

-

Ii
EM
EN
Rloop

- 14 -


(3)

Mỗi bước tính toán chỉ xem xét 01 cặp khóa điện trong 01 vòng;
Chỉ đáp ứng được nhu cầu giảm tổn thất, chứ chưa giải quyết được bài toán
cực tiểu hóa hàm mục tiêu;
Việc tái cấu hình hệ thống phụ thuộc vào cấu hình xuất phát ban đầu.
Thuật toán tìm ngược Backtracking [3]

Thuật toán – Backtracking – được Thomas E.MacDermott nghiên cứu và phát triển
năm 1998, thuật toán này cũng là 1 trong những bài toán “mở lần lượt các thiết bị
đóng cắt phân đoạn – sequential switch opening method” nhưng xuất phát điểm lại
ngược lại so với thuật toán cắt vòng kín của Shirmohammadi.
Thuật toán Backtracking gồm các bước như sau:
Bước 1: Mở tất cả các khóa điện, mỗi khóa điện được xem là một kết nối giữa các
phụ tải với nhau hay giữa nguồn với phụ tải.
Bước 2: Tìm cách gắn lần lượt từng phụ tải vào hệ thống qua một khóa điện duy
nhất, khóa điện này sẽ có trạng thái đóng. Các phụ tải có quyền lựa chọn xem việc
nối với nguồn nào để có tổn thất công suất nhỏ nhất.
Bước 3: 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 hình vận hành hình tia).
Bước 4: Quá trình hình thành lưới điện sẽ kết thúc khi tất cả các phụ tải đều được
cung cấp điện. Các khóa điện mở là các khóa còn lại trong hệ thống.
Phương pháp này của Thomas E.MacDermott đã chứng minh được tính đúng đắn
khi đi giải các bài toán mẫu đã được chứng minh như bài toán Civanlar hai nguồn,
ba nguồn, bài toán Glamocanin, bài toán Baran và Wu ... đều cho ra kết quả trùng
lặp với các phương pháp khác, điều đó chứng tỏ sự đúng đắn của giải thuật.