ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
,

NGUYỄN PHẠM HIẾU NHÂN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC PHƯƠNG ÁN
GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG, ÁP DỤNG CHO
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ ĐÀ LẠT

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số: 60.52.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HỮU HIẾU

Phản biện 1: TS. ĐOÀN ANH TUẤN

Phản biện 2: TS. BẠCH QUỐC KHÁNH

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng
vào ngày 03 tháng 03 năm 2018.

điện năng trên hệ thống lưới điện phân phối. Hàng năm, một lượng
vốn rất lớn được đưa vào lưới điện thông qua các chương trình sửa
chữa lớn, sửa chữa thường xuyên để mua sắm, lắp đặt nhiều thiết bị
vận hành (tụ bù, thay dây dẫn, thay máy biến áp tổn thất thấp…)
nhằm mục đích giảm tổn thất điện năng trên lưới điện. Tuy nhiên,


2
các chương trình này thông thường có nhược điểm đó là: nguồn lực
tài chính là nguồn lực hữu hạn nhưng vẫn chưa có những đánh giá
chính xác tính hiệu quả của các công trình sửa chữa, nâng cấp lưới
nhằm mục đích giảm tổn thất điện năng.
Trước nhu cầu thực tiễn trên đây và vị trí công tác của tác giả đề
tài, tác giả mong muốn xây dựng một chương trình thể hiện mối
tương quan giữa chi phí đầu tư và lợi nhuận thu được từ việc giảm
tổn thất. Sau đó, tác giả áp dụng vào một phát tuyến 22kV hiện hữu
để xem xét và đề xuất các giải pháp liên quan.
Xuất phát từ các lý do nêu trên, đề tài “Nghiên cứu xây dựng
chương trình đánh giá hiệu quả các phương án giảm tổn thất điện
năng, áp dụng cho lưới điện phân phối thành phố Đà Lạt” được đề
xuất nghiên cứu. Đây cũng là một vấn đề đang được các cán bộ lãnh
đạo, quản lý tại các Điện lực trực thuộc Công ty Điện lực Lâm Đồng
quan tâm nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu
- Xây dựng chương trình tối ưu đa mục tiêu giữa chi phí lắt
đặt tụ bù và lợi nhuận từ việc giảm tổn thất công suất trên
lưới điện.
-

Sử dụng chương trình để tính toán cho một phát tuyến 22kV

trong đó có so sánh kết quả với chương trình PSS/ADEPT.
5. Bố cục luận văn
Bố cục luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung
của luận văn được biên chế thành 4 chương như sau:
-

Chương 1: Tổng quan về lưới điện phân phối và tổn thất trên
lưới điện phân phối.

-

Chương 2: Lý thuyết xây dựng bài toán tối ưu đa mục tiêu.

-

Chương 3: Xây dựng chương trình tính toán đa mục tiêu bù
công suất phản kháng cho lưới điện phân phối.

-

Chương 4: Áp dụng chương trình tính toán đa mục tiêu bù
công suất phản kháng cho lưới điện phân phối tại thành phố
Đà Lạt


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI &TỔN THẤT
TRÊN LƯỚI ĐIỆN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
1.1. Tổng quan về lưới điện phân phối

cấp, trong quá trình vận hành làm tăng nhiệt độ dây dẫn, điện
áp giảm dưới mức cho phép và tăng TTĐN trên dây dẫn.

-

Máy biến áp vận hành non tải hoặc không tải sẽ không phù
hợp với hệ thống đo đếm dẫn tới TTĐN cao.

-

Máy biến áp vận hành quá tải do dòng điện tăng cao làm
phát nóng cuộn dây và dầu cách điện của máy dẫn đến tăng


5
tổn thất điện năng trên máy biến áp đồng thời gây sụt áp và
làm tăng TTĐN trên lưới điện phía hạ áp.
-

Tổn thất do thiết bị cũ, lạc hậu: các thiết bị cũ thường có
hiệu suất thấp, máy biến áp là loại có tỷ lệ tổn thất cao hoặc
vật liệu lõi từ không tốt dẫn đến sau một thời gian vận hành
tổn thất có xu hướng tăng lên.

-

Nhiều thành phần sóng hài của các phụ tải công nghiệp tác
động vào các cuộn dây máy biến áp làm tăng TTĐN.

-

dây trung tính, dây pha và cả trong máy biến áp, đồng thời
cũng gây quá tải ở pha có dòng điện lớn.

-

Vận hành với hệ số cosφ thấp do phụ tải có hệ số cosφ thấp,
thực hiện lắp đặt và vận hành tụ bù không phù hợp. Cosφ
thấp dẫn đến tăng dòng điện truyền tải hệ thống và tăng


6
TTĐN.
-

Các điểm tiếp xúc, các mối nối tiếp xúc kém nên làm tăng
nhiệt độ, tăng TTĐN.

-

Hiện tượng vầng quang điện: đối với đường dây điện áp cao
từ 110kV trở lên xuất hiện hiện tượng vầng quang điện gây
TTĐN.

-

Chế độ sử dụng điện không hợp lý: công suất sử dụng của
nhiều phụ tải có sự chênh lệch quá lớn giữa giờ cao điểm và
thấp điểm

1.3.2. Tổn thất thương mại


Sai sót trong khâu tính toán xác định tổn thất kỹ thuật.


7
1.4. Bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối
1.4.1. Bù công suất phản kháng
Công suất phản kháng do phụ tải yêu cầu mang thuộc tính cảm,
để sinh ra từ trường cần thiết cho quá trình chuyển đổi điện năng, từ
trường xoay chiều cần một điện năng dao động đó là công suất phản
kháng có tính cảm Q. Điện năng của từ trường dao động dưới dạng
dòng điện, khi đi trên dây dẫn nó gây tổn thất điện năng và tổn thất
điện áp không có lợi cho lưới điện.

Hình 1.3. Bù công suất phản kháng
Muốn giảm được tổn thất điện năng và tổn thất điện áp do từ
trường gây ra người ta đặt tụ điện ngay sát vùng từ trường hình 1.3.
Tụ điện gây ra điện trường xoay chiều, điện trường cũng cần một
điện năng dao động - công suất phản kháng dung tính QC , nhưng
ngược về pha so với từ trường. Khi từ trường phát năng lượng thì
điện trường nhận vào và ngược lại. Nhờ đặc tính này mà khi đặt cạnh
nhau điện trường và từ trường tạo mạch dao động, năng lượng của
chúng truyền quan lại cho nhau, chỉ có phần thừa ra Q - QC (dù điện
cảm hay điện dung) mới đi về nguồn điện. Nhờ vậy dòng công suất
phản kháng giảm đi. Công suất phản kháng dung tính đi về nguồn
cũng gây tổn thất điện năng như công suất phản kháng cảm tính,


8
nhưng về điện áp thì nó làm tăng điện áp ở nút tải so với nguồn (tổn

Trong đó:
x là biến quyết định
X= {x ϵ Rn |gj(x) ≤0; hj(x)=0 với j=1…p, n} là không gian quyết
định.
fi: Rn → R với i=1...k là các hàm mục tiêu
Đặt Y= {y= (f1(x)…fk(x)) ϵ Rk} là không gian hàm mục tiêu

2.2. Tối ưu Pareto
2.2.1. Khái niệm
Một điểm x* ϵ X được gọi là một nghiệm tối ưu Pareto nếu
không tồn tại một nghiệm x ≠ x* ϵ X sao cho x trội hơn x*. Nghĩa là:
f(x) < f(x*)
Tính chất:
-

Nếu x* là nghiệm tối ưu Pareto thì f(x*) gọi là điểm hữu
hiệu.

-

Nếu x1,x2 ϵ X và f(x1) ≤ f(x2) thì ta gọi x1 trội hơn x2 và
f(x1) trội hơn f(x2)

-

Tất cả các nghiệm tối ưu Pareto x* ϵ X là tập các điểm hữu
hiệu, y= f(x*) ϵ Y lần lượt là Xpar và Yeff

2.2.2. Định nghĩa về đường cong Pareto
2.2.3. Mô hình toán học về đường cong Pareto


Tính ưu việt: Bảo tồn tính ưu việt cho các giải pháp để đảm
bảo sự hội tụ.

-

Sự đa dạng: Duy trì sự đa dạng của các giải pháp.

-

Sự lan tỏa phủ rộng trong không gian tìm kiếm


11
Kết quả giả lập giải các bài toán khó, cho thấy NSGA-II luôn tìm
được các giải pháp phủ rộng hơn và hội tụ gần với biên “Pareto tối
ưu thực” hơn so với các thuật toán tân tiến khác. Trong thuật toán
NSGA-II, tính ổn định của kết quả và độ mịn của biên Pareto xấp xỉ
phụ thuộc vào điều kiện dừng – tức là số lượng thế hệ tối đa cần đạt
đến.
2.4. Kết luận chương 2
Chương này đã trình bày hai khái niệm cơ bản để xây dựng
chương trình tối ưu đó là khái niệm tối ưu Pareto và thuật toán di
truyền NSGA-II. Với việc sử dụng đường cong Pareto thì kết quả tối
ưu thu được sẽ là một tập hợp các kết quả của vấn đề đã đưa ra.
Chương tiếp theo trình bày về công cụ chính để thực hiện chương
trình tối ưu đó là MATLAB và MATPOWER.


12

cho người sử dụng.

-

Người dùng không cần hiểu lập trình MATLAB và việc


13
nhập liệu đơn giản hơn thông qua mẫu file excel quy định
trước.
-

Chương trình sẽ bù theo gam tụ bù là 150 kVar, đây là thiết
bị vật tư có sẵn và dễ dàng mua trên thực tế.

-

Các thông số về kinh tế khi tính toán bù công suất phản
kháng sẽ do người dùng quy định.

-

Việc tính toán phân bố công suất sẽ được thể hiện kết quả
bằng thông báo của chương trình để người dùng thuận tiện
so sánh, đối chiếu khi cần.

-

Kết quả thể hiện được tự động chuyển đổi sang file excel để
người sử dụng thuận lợi trong việc đọc và phân tích kết quả.

3.3.1. Giao diện làm việc của chương trình MATLAB
3.3.2. Các hàm thông dụng trong chương trình MATLAB
3.4. Giới thiệu về phần mềm MATPOWER
3.4.1. Dữ liệu đầu vào của MATPOWER
3.4.1.1. Dữ liệu về nút
3.4.1.2. Dữ liệu về máy phát
3.4.1.3. Dữ liệu về nhánh
3.4.2. Các hàm thông dụng của MATPOWER
3.5. Xây dựng chương trình đề xuất
3.5.1. Xây dựng bài toán bù kinh tế mạng điện
Hiện nay, có nhiều phần mềm để tính toán tối ưu vận hành hệ
thống điện phân phối, PSS/ADEPT là một ví dụ. Phần mềm này cho
phép giải bài toán bù tối ưu CAPO (Optimal Capacitor Placement)
như sau: phần mềm tính toán tìm ra những điểm tối ưu để đặt các bộ


15
tụ bù cố định và tụ bù ứng động sao cho việc lắp đặt tụ bù mang lại
giá trị lợi ích kinh tế.
Đối với các phần mềm này, việc phân tích các bài toán đa mục
tiêu không thể giải được. Trong khi đó, trong tính toán thiết kế cũng
như vận hành, các bài toán tối ưu đa mục tiêu cần được sử dụng, đơn
cử như việc tìm ra các mối quan hệ giữa các mục tiêu cực tiểu tổn
thất điện năng nhưng cực tiểu chi phí sẽ giúp ích nhiều cho ngành
điện trong thực tế tính toán phương án giảm tổn thất điện năng.
Chính vì vậy, luận văn đề xuất xây dựng chương trình tối ưu đa mục
tiêu trên phần mềm MATLAB.
Phần mềm tính toán tối ưu gồm có hai phần:
-


N

Ne
n 1

1 i
1 r

n

(3.4)

Với:
- N: thời gian hoàn vốn ( năm)
- i: tỷ số lạm phát (i)
- r: tỉ số trượt giá (r)
δP : lượng tổn thất công suất tác dụng giảm được khi bù (kW)
δQ: lượng tổn thất công suất phản kháng giảm được khi bù (kVAr)
cP: giá tiền cho 1 đơn vị tổn thất công suất tác dụng (đ/kWh)
c𝑄: giá tiền cho 1 đơn vị tổn thất công suất phản kháng (hiện tại điện
lực không tính giá trị này cQ = 0 đ/kVArh)
Tuy nhiên, với giả định phụ tải là cố định và không thay đổi theo thời
gian, khi đưa vào chương trình tính toán, Z2 sẽ được tính như sau:
Z2 = ((Pbandau-TonthatCS)*cP +
(Qbandau-TonthatPK)*cQ)*1000*Ne*8760
Trong đó:
- Pbandau: tổn thất công suất lưới điện trước khi lắp tụ bù
- TonthatCS: là tổn thất công suất lưới điện sau khi lắp tụ bù
- cP: giá tiền cho 1 đơn vị tổn thất công suất tác dụng (đ/kWh)
- c𝑄: giá tiền cho 1 đơn vị tổn thất công suất phản kháng


-

nvars: số lượng biến cần tìm của bài toán tối ưu

-

Ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính:

-

Ràng buộc đẳng thức tuyến tính: Aeq*x = beq

-

Lb, Ub: là các giới hạn biên dưới và trên của biến Lb ≤ x ≤

A*x ≤ b

Ub
-

options: khởi tạo bộ thông số tùy chọn tối ưu bắt đầu bằng
optimoptions.

3.6. Cấu trúc chương trình đa mục tiêu
3.6.1. Dữ liệu đầu vào
Để chương trình tính toán chính xác, tác giả đã xây dựng một file
excel với cấu trúc không đổi để người dùng nhập liệu. File có tên là
data.xlsx. Cấu trúc file bao gồm 4 sheet với tên gọi data1, data2,

kết quả phân bố công suất của lưới điện.

-

Sau khi click vào nút ‘Tối ưu Pareto’ chương trình sẽ tiến
hành chạy bài toán tối ưu và đưa ra kết quả bằng hình ảnh
như hình 3.16, đồng thời, tại thư mục lưu file dữ liệu ban đầu
sẽ sinh ra thêm 3 file kết quả đó là ketquabu.xls,
ketqualoinhuan.xls, ketquapareto.xls.

3.7. Kết luận chương 3


19
Chương này trình bày xong các cở sở để xây dựng chương trình
tối ưu. Chương trình tối ưu này được hoàn thiện hơn các chương
trình tương tự trước đây nhằm mục đích tạo sự đơn giản cho người
sử dụng. Việc tính toán của chương trình sẽ do người sử dụng đặt các
thông số theo đúng nhu cầu thực tế. Bên cạnh đó, việc chương trình
cho bù công suất phản kháng tại các nút với mức bù 150 kVar là phù
hợp với thực tiễn nơi công tác của tác giả chương trình. Chương tiếp
theo sẽ trình bày kết quả tính toán của chương trình đối với lưới điện
trung thế tại Điện lực Đà Lạt


20

CHƯƠNG 4
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐA MỤC
TIÊU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƯỚI ĐIỆN


4.3. Tính toán tối ưu bù kinh tế cho lưới bằng chương trình đề
xuất


21

Kết quả tính toán

Chương trình tối ưu

Qb (MVAr)
∆P trước bù (kW)
∆P sau bù (kW)
Tiền thu được do giảm tổn thất
điện năng Z2
(đồng)
Chi phí đầu tư khi lắp đặt vận
hành thiết bị bù Z1
(đồng)
Số tiền tiết kiệm Z2 – Z1
(đồng)

1,35
68,40
53,67
1.975.784.023

573.178.107


kinh tế tốt, đến lúc này, cần phải có những phương án khác để việc
giảm tổn thất mang lại hiệu quả.


23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Đề tài “Nghiên cứu xây dựng chương trình đánh giá hiệu quả các
phương án giảm tổn thất điện năng, áp dụng cho lưới điện phân phối
thành phố Đà Lạt” được thực hiện nhằm đề xuất một chương trình
thân thiện và dễ sử dụng cho người dùng để đưa ra một tập hợp các
phương án giảm tổn thất điện năng đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế.
Đề tài đã xây dựng và vận hành chương trình cho một phát tuyến
trung thế 22kV thuộc Điện lực Đà Lạt. Kết quả của đề tài như sau:
1. Xây dựng hoàn chỉnh chương trình đánh giá hiệu quả các
phương án giảm tổn thất điện năng bằng phương pháp bù công
suất phản kháng trong đó thể hiện được mối tương quan giữa chi
phí đầu tư và lợi nhuận thu được từ giảm tổn thất.
2. Áp dụng chương trình cho một lưới điện cụ thể, chương trình
đã đưa ra được 12 phương án bù công suất phản kháng cho một
phát tuyến 22kV Đà Lạt và mỗi phương án đều thể hiện mối liên
quan giữa chi phí đầu tư và lợi nhuận.
2. Kiến nghị:
-

Chương trình dễ dàng áp dụng cho các lưới điện khác nhau
nên có thể sử dụng tính toán tại Điện lực Đà Lạt cũng như
Công ty Điện lực Lâm Đồng

-