-1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
------- o0o --------

TRẦN HỮU TIÊN

CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
HUYỆN PHÚ BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN 2014


-2-

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
------- o0o --------

TRẦN HỮU TIÊN

CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI HUYỆN
PHÚ BÌNH
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. ĐẶNG QUỐC THỐNG

2.4. Tái cấu trúc lưới điện để giảm tổn thất điện năng………………………18
2.4.1. Giới thiệu chung về tái cấu trúc lưới điện…………………………….18
2.4.2. Phương pháp thực nghiệm…………………………………………….20
2.4.2.1. Giải thuật di truyền ( Genetic Algorithms - GA )…………………..20
2.4.2.2. giải thuật mạng Nơron ( Meural Networks ) ……………………….20


2.4.2.3. Giải thuật con kiến…………………………………………………..21
2.4.2.4. Giải thuật dựa trên hệ thống chuyên gia…………………………….22
2.5. Kết luận…………………………………………………………………23
CHƯƠNG 3: TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN VÀ BÀI TOÁN GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN
NĂNG…………………………………………………………...25
3.1. Lưới điện phân phối trung thế…………………………………………..25
3.1.1. Giới thiệu chung về lưới phân phối trung thế………………………....25
3.1.2. Các phần tử phân đoạn trong lưới điện phân phối…………………….25
3.1.2.1. Dao cách ly………………………………………………………….25
3.1.2.2. Dao cách ly có điều kiện…………………………………………....26
3.1.2.3. Cầu dao phụ tải……………………………………………………...26
3.1.2.4. Máy cắt……………………………………………………………...27
3.1.2.5. Máy cắt tự đóng lại ( Recloser )…………………………………….27
3.1.2.6. Hệ thống tự động phân phối (Distriibuted Automation System - DAS)
...………………………………………………………………………………..28
3.1.3. Một số cấu trúc lưới phân phối………………………………………..29
3.1.3.1. Lưới phân phối trung thế hình tia, không phân đoạn……………….29
3.1.3.2. Lưới phân phối trung thế một nguồn, có phân đoạn………………..30
3.1.3.3. Lưới phân phối trung thế hai nguồn, có phân đoạn…………………31
3.2. Tổn thất điện năng trong lưới phân phối………………………………..31
3.3. Mô hình toán học bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối…………….32
CHƯƠNG4:ỨNG DỤNG TÁI C


giao, các hoạt động văn hóa thể thao, lễ hội của Đảng và Nhà nước diễn ra trên toàn
Huyện. Cùng với việc đảm bảo vận hành tốt lưới điện, Điện lực Phú Bình đã đảm bảo cung
cấp đủ điện cho mọi đối tượng khách hàng trên địa bàn Huyện Phú Bình, đáp ứng tối đa
nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội và sinh hoạt của nhân dân trong Huyện.
Huyện Phú Bình sau khi mở rộng một số dự án một số khu công nghiệp như Điềm
thụy, Kha sơn trên địa bàn rộng lớn, lưới điện cũ lát, lạc hậu. Việc giảm tổn thất điện năng
trong lưới điện phân phối không chỉ góp phần đáng kể vào giảm giá thành điện năng mà
còn chưa theo kịp sự phát triển của phụ tải điện thì việc nâng cao chất lượng điện năng lưới
điện phân phối không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần đảm bảo khả năng
cung cấp điện ổn định cho các phụ tải điện.
2. Lịch sử nghiên cứu:
Trên cơ sở nghiên cứu những biện pháp nâng cao chất lượng điện năng cho hệ
thống cung cấp điện và ứng dụng trong giải bài toán tái cấu trúc lưới điện giảm tổn thất
điện năng từ những báo cáo, tài liệu đã công bố.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu:
Đề tài " Các biện pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối huyện
Phú Bình" trình bày các phương pháp nâng cao chất lượng điện năng, ứng dụng tái cấu trúc
lưới điện phân phối huyện Phú Bình.
Úng dụng chạy chương trình mô phỏng tính toán hệ thống điện PSS/ADEPT
(Power System Simulator/Advanced Distribution Engineering Productivity Tool) phiên
bản 5.0 ứng dụng cho bài toán mẫu Civanlar 3 nguồn và lưới điện phân phối huyện Phú
Bình.
4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới:
Với mục đích như trên, nội dung cơ bản của luận văn bao gồm:


- Các biện pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối huyện Phú
Bình.
- Tái cấu trúc lưới điện giảm tổn thất điện năng.
- Ứng dụng tái cấu trúc lưới điện phân phối huyện Phú Bình nâng cao chất lượng

thụ được liên kết với nhau thành một hệ thống để thực hiện 4 quá trình sản xuất,
truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng trong lãnh thổ Việt Nam. Hệ thống điện
Việt Nam có nhiều cấp điện áp định mức khác nhau: 500kV, 220kV, 110kV, 63kV,
35kV, 22kV, 15kV, 10kV, 6kV, 0,4kV với tần số định mức là 50Hz. Trong khi tần số
là đại lượng mang tính hệ thống, điện áp lại không đồng nhất tại các điểm khác nhau
trong hệ thống. Trong cùng một cấp điện áp, điện áp ở xa nguồn thường có giá trị
nhỏ hơn ở những điểm gần nguồn do tồn tại tổn thất điện áp trong mạng điện.
Các thiết bị dùng điện đều được thiết kế để làm việc với giá trị tần số định mức của
hệ thống điện và giá trị điện áp ở lân cận giá trị định mức của một cấp điện áp phân
phối nào đó.
Chất lượng điện năng được xem là đảm bảo nếu tần số và điện áp biến đổi
trong phạm vi cho phép quanh giá trị định mức. Phạm vi này được quy định trên cơ
sở đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của thiết bị dùng điện và các tiêu chuẩn
về độ lệch điện áp và tần số. Khi các giá trị thực tế của điện áp và tần số vượt ra
ngoài độ lệch cho phép phải tiến hành các biện pháp điều chỉnh.


Độ lệch điện áp hoặc tần số được định nghĩa là hiệu số giữa giá trị đo được
và giá trị quy định, chẳng hạn:
U

u u0
( 1.1)
u0

Trong đó:
U : giá trị điện áp đo được
U 0 : giá trị điện áp định mức

Các chỉ tiêu chất lượng điện năng liên quan chặt chẽ với sự cân bằng công

Trong đó:
ft

f
đm

(1.2)

.100%

f đm

:Tần số thực tế

f đm :Tần số định mức

Độ lệch tần số là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng
điện năng.
Chất lượng tần số còn được đánh giá dựa trên độ dao động tần số, được đặc
trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tần số khi tốc độ tần số
biến thiên nhanh hơn 1%/s.
1.2.2 Chất lượng điện áp
Độ lệch điện áp trên cực các thiết bị dùng điện so với điện áp định mức của
mạng điện được định nghĩa là:
Ut

Utb

U đm


+5%

Đối với các thiết bị điện khác ở thành phố xí nghiệp
-5%

U

+5%


Đối với các thiết bị điện đấu vào mạng điện nông nghiệp
-10%

U

+7,5%

Trong trạng thái sự cố, cho phép tăng giới hạn trên thêm 2,5% và giảm giới
hạn dưới thêm 5%
Ví dụ:
-5% - 5% = -10%

U

bc

5% +2,5% = 7,5%

Điều chỉnh điện áp theo độ lệch
Các chỉ tiêu chính của chất lượng điện năng là độ lệch tần số, độ lệch điện

Về địa điểm thực hiện điều chỉnh điện áp có thể ở nhà máy điện, trên mạng
điện khu vực và ở mạng điện địa phương hoặc đặt tại thiết bị dùng điện.
Theo bản chất vật lý, chỉ có hai phương pháp điều chỉnh điện áp, hoặc tăng
thêm nguồn công suất phản kháng (các phương pháp 1 và 4) hoặc phân phối lại
công suất phản kháng trong mạch điện (các phương pháp còn lại) phương pháp này
chỉ có hiệu quả khi hệ thống điện có đủ công suất phản kháng . Khi hệ thống điện
thiếu công suất phản kháng thì phương pháp duy nhất để điều chỉnh điện áp là tăng
thêm các nguồn công suất phản kháng.
Do sự phức tạp về cấu trúc của hệ thống điện và chế độ làm việc của phụ tải
và sự phân cấp trong thiết kế, thi công và quản lý vận hành, việc điều chỉnh điện áp
một cách thống nhất trong toàn hệ thống điện là không thể thực hiện được. Nhiệm
vụ điều chỉnh điện áp được phân chia cho từng khu vực của hệ thống điện: ở nhà
máy điện, mạng điện khu vực và mạng điện địa phương. Ở mỗi khu vực việc điều
chỉnh điện áp nhằm đảm bảo các yêu cầu về điện áp ở đầu ra được tiêu chuẩn hóa.
Ở nhà máy điện điều chỉnh điện áp nhằm đảm bảo điện áp vào của mạng điện khu
vực, khi điều chỉnh phải chú ý đến chất lượng điện áp của phụ tải tự dùng. Ở mạng
điện khu vực phải đảm bảo điện áp ra của các trạm khu vực đã được quy định.
Mạng điện địa phương trực tiếp cung cấp điện năng cho phụ tải, nên việc điều chỉnh
điện áp ở đây rất quan trọng và là nhiệm vụ chính để đảm bảo chất lượng điện áp
nói chung. Việc tối ưu hóa chế độ điện áp chủ yếu tiến hành ở khu vực này.


Điều chỉnh tập trung và điều điều chỉnh cục bộ là 2 phương pháp được sử
dụng chủ yếu; Điều chỉnh tập trung nhằm thay đổi điện áp của toàn khu vực, còn
điều chỉnh cục bộ chỉ thay đổi định mức điện áp của một bộ phận nào đó của mạng
điện. Trong thực tế để đảm bảo chất lượng điện áp thường kết hợp cả hai phương
thức trên.
Khi tính toán điều chỉnh điện áp chỉ cần xét hai chế độ đặc trưng của phụ tải,
đó là chế độ công suất cực đại (max) và chế độ công suất cực tiểu (min). Nếu đảm
bảo chất lượng điện áp ở hai chế độ trên thì sẽ đảm bảo chất lượng điện áp các chế

tiết kiệm điện năng. Khi hệ số công suất cos

được nâng lên sẽ đưa đến những hiệu

quả sau đây:
- Giảm được tổn thất công suất trên mạng điện.
- Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện.
- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp.
Ngoài ra việc nâng cao hệ số công suất cos

còn đưa đến hiệu quả là giảm

được chi phí kim loại màu, góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện
của máy phát điện…
Vì những lý do trên mà việc nâng cao hệ số công suất cos

trở thành vấn đề

quan trọng, cần được phải quan tâm đúng mức trong khi thiết kế cũng như vận hành
hệ thống cung cấp điện.


2.2. Chế độ vận hành kinh tế của các máy biến áp nhằm giảm tổn thất điện
năng.
Để giảm tổn thất công suất và điện năng trong hệ thống điện thì giải pháp
hiệu quả là các máy biến áp trong các trạm cần có chế độ làm việc hợp lý. Trong
các trạm biến áp cung cấp cho các hộ tiêu thụ loại I và loại II, cũng như trong các
trạm khu vực thường có nhiều máy biến áp, các máy biến áp này có thể làm việc
song song và độc lập. Khi làm việc độc lập mỗi máy biến áp được nối vào một phân
đoạn thanh góp riêng biệt vì vậy giảm được dòng ngắn mạch sau các máy biến áp,

2
sdđ

2 P0

(2.1)

Trong đó:

S

P0

: Tổn thất công suất trong lõi thép của máy biến áp

Pn

: Tổn thất công suất ngắn mạch
: Phụ tải của trạm

Khi cắt một máy biến áp, tổn thất công suất tác dụng trong trạm có gía trị
như sau:

P

1

P

S


2 P0
Pn

(2.4)

Bất đẳng thức trên chính là điều kiện để cắt hợp lý một máy biến áp trong
trạm có hai máy biến áp.
Tương tự có thể chứng minh rằng khi trong trạm có m máy biến áp làm việc
song song, cắt một trong các máy biến áp sẽ hợp lý về kinh tế nếu như thỏa mãn
điều kiện sau:
S

S dđ

P0 .m.(m 1)
Pn

(2.5)


Ngoài ra bằng phương pháp xây dựng các đường cong tổn thất công suất
trong trạm có nhiều máy biến áp chúng ta sẽ có thể xác định được chế độ làm việc
kinh tế của các máy biến áp trong trạm. Chúng ta xét trạm có m máy biến áp công
suất như nhau Sdđ. Tổn thất công suất tác dụng trong lõi thép của mỗi máy biến áp
P0 , tổn thất công suất trong các cuộn dây ở chế độ tải danh định

phụ tải S, các đường cong tổn thất

Pt

khi các biện pháp giảm sự tiêu thụ công suất phản kháng (nâng cao hệ số công suất
cos ) đã sử dụng mà chưa thỏa mãn.
2.3.1. Bù tự nhiên công suất phản kháng
Trong thực tế có những phương pháp mà không cần sử dụng thiết bị chuyên
bù để nâng cao hệ số công suất. Đó chính là các biện pháp bù tự nhiên công suất
phản kháng:
- Đặt các thiết bị bù công suất phản kháng ( Máy bù đồng bộ, các tụ bù tĩnh,
các thiết bị bù điều khiển tĩnh).
- Vận hành kinh tế các trạm biến áp.
- Tối ưu hóa sự phân phối công suất trong các mạng kín không đồng nhất.
- Nâng cao điện áp danh định của mạng điện.
- Điều chỉnh đồ thị phụ tải ngày và giảm các đỉnh phụ tải trong giờ cực đại…
- Điều chỉnh quá trình công nghệ cho việc nâng cao hệ số cos .
- Sử dụng những động cơ đồng bộ trong những trường hợp có thể.
- Sử dụng các thiết bị có hiệu suất cao.
- Nghiên cứu các phương thức vận hành tối ưu.
- Nghiên cứu và thực hiện các biện pháp điều hòa phụ tải, nâng cao hệ số
cao thấp điểm, hệ số điền kín phụ tải.
- Nghiên cứu sắp xếp, điều chỉnh quá trình sản xuất trong xí nghiệp để đảm
bảo cho các thiết bị tiêu thụ điện (động cơ, máy biến áp, máy hàn…) không bị
thường xuyên không tải hoặc non tải.
Hiện nay vấn đề vận hành tối ưu hệ thống điện rất được quan tâm, sử dụng
các thiết bị điện có hiệu suất cao và giảm mức tiêu thụ năng lượng, tăng cường quản
lý việc tiêu thụ và sử dụng.
2.3.2. Sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng
Trong Hệ thống điện, CSPK có thể nhận được từ nhiều nguồn khác nhau
như: các bộ tụ điện tĩnh, các máy bù đồng bộ, các kháng điện có điều chỉnh…
Mục đích sử dụng của các thiết bị bù:



thập kỷ, ở rất nhiều nơi trên toàn cầu, các kinh nghiệm có được trong vận hành
đường dây cao áp một chiều (HVDC) và hệ thống bủ tĩnh đã thúc đẩy việc nghiên


cứu sâu hơn về thiết bị điện tử công suất mới và ứng dụng của chúng nhằm đào tạo
điều kiện vận hành thuận tiện hệ thống truyền tải cao áp và mạng phân phối hạ áp.
Một số lượng lớn các công trình nghiên cứu đã góp vào sự phát triển nhanh chóng
của công nghệ FACTS.
Với việc ứng dụng các thành tựu đã đạt được của công nghệ bán dẫn và quá
trình truyền tải điện, các linh kiện điện tử công suất lớn, điện áp cao như Thyristor,
GTO (Gate Turn-Off Thyristor) có thể sử dụng vào các hệ thống truyền tải điện
xoay chiều linh hoạt. FACTS đã góp phần vào việc giải quyết những hạn chế trên
đường dây truyền tải, nâng cao tính ổn định và tận dụng triệt để các thiết bị hệ
thống hiện có.
2.3.3. Sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối
Đối với hệ thống điện lớn, lượng tiêu thụ công suất phản kháng có thể nên tới
60 70% công suất tác dụng. Khi đó vấn đề bù công suất phản kháng bằng thiết bị
chuyên bù được quan tâm hơn và sử dụng rộng rãi.
Việc tăng số lượng và công suất của thiết bị chuyên bù sẽ làm giảm sự truyền
công suất phản kháng trên đường dây và các phần tử có dòng điện đi qua dẫn đến
làm giảm tổn thất điện áp, tổn thất công suất, tổn thất điện năng, giảm tiết diện dây
dẫn củng cố chất lượng nguồn điện và những tiêu chí khác. Tuy nhiên sẽ có tổn thất
công suất trên thiết bị bù đồng thời cũng đòi hỏi vốn đầu tư cho thiết bị bù. Do đó
việc bù công suất phản kháng bằng thiết bị chuyên bù cần được cân nhắc kỹ về kinh
tế - kỹ thuật. Trong hệ thống điện, bù công suất phản kháng phân ra làm 2 loại:
- Bù kỹ thuật : Bù một lượng công suất phản kháng nhất định để đảm bảo cân
bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện.
- Bù kinh tế : Mục tiêu bù của bài toán này là nâng cao hiệu quả kinh tế của
mạng điện. Trong quá trình vận hành, có thể xảy ra trường hợp công suất phản
kháng thiếu cục bộ do vậy cần phải bù thêm vào phạm vi thiếu đó. Bù kinh tế cũng

Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp người ta lắp đặt bộ
điều chỉnh để đóng cắt tụ theo điện áp. Với các ưu điểm so với các thiết bị bù khác,
ngày nay phần lớn người ta dùng tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng trong
mạng phân phối.


- 26 -

Các yêu cầu kỹ thuật khi bù
Những yêu cầu sau đây luôn được đảm bảo đối với những bài toán bù công
suất phản kháng trong lưới phân phối ở chế độ không đối xứng với dòng điện xoay
chiều cơ bản. Trong những yêu cầu này không xét đến các chế độ không đối xứng,
không sin cũng như các chế độ phụ tải biến thiên nhiều.
- Lựa chọn công suất, vị trí lắp đặt và chế độ làm việc bù nhất thiết phải đảm
bảo tính kinh tế cao nhất với việc tuân thủ các giằng buộc kỹ thuật.
- Khi thiết kế, thiết bị bù được chọn đồng thời với tất cả các phần tử của
mạng, các phần tử này sẽ được chọn thu nhỏ hơn khi có tính đến việc bù công suất
phản kháng.
- Những yêu cầu kỹ thuật cần đảm bảo:
+ Chế độ cho phép của điện áp trong mạng phân phối.
+ Dòng điện phụ tải cho phép của tất cả các phần tử lưới điện.
+ Ở phương thức phụ tải cực tiểu cắt hoàn toàn tụ bù để giảm công suất phản
kháng. Chế độ làm việc của nguồn công suất phản kháng phải ở trong giới hạn cho
phép.
+ Đảm bảo đủ công suất phản kháng dự trữ cần thiết ở các nút mạng điện.
+ Đảm bảo ổn định tĩnh và ổn định động của mạng điện các hộ tiêu thụ
- Chỉ tiêu kinh tế là cực tiểu hàm chi phí.
- Những thiết bị bù đã được xác định thiết kế phải được lắp đặt theo trình
nhất định. Khi không có thiết bị bù hoặc không đủ dung lượng bù không cho phép
việc đóng vào các phụ tải điện.

nếu làm như thế sẽ đòi hỏi phải cần đầu tư rất nhiều mà hiệu quả giảm tổn thất điện
năng lại không đáng kể. Vì vậy, khi phụ tải tăng trong giới hạn cho phép của mạng
phân phối, ta có thể dùng phương pháp tái cấu trúc để làm giảm tổn thất trên đường
dây.
Mạng phân phối đặc trưng là mạng vòng nhưng vận hành hở có nghĩa là
mạng vận hành phải là mạng hình tia. Vấn đề tiếp theo là 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.
Hàm mục tiêu của bài toán tái cấu trúc cho nạng phân phối đặc trưng:
- Tổn thất:


- 28 n

= l 2i . R i . x

i 1

(2.7)

i

Trong đó:

l

dòng điện trên nhánh i

i

1

S ij D

j

+ Loss

(2.8)

Trong đó:

S
D

công suất chảy trên nhánh ij

ij

phụ tải tại nút j

j

- Công thức thể hiện đường dây không bị quá tải:
(2.9)
S ij S ij. max
- Yêu cầu điện áp rơi trên đường đây:

V


: công suất chảy vào nhánh

(2.11)


s
ft

ft. max

: công suất max chảy vào nhánh ft

: nhánh được cấp nguồn từ máy biến áp t

Việc giảm thiểu tổn thất trong lưới này có thể hình dung ngay bằng cách vận
hành tối ưu trạng thái các khóa chuyển mạch ( xi ) ta sẽ thu được lưới tối ưu về mặt
tổn thất ứng với số lượng gia tăng không ngừng của các khóa chuyển mạch thì vấn
đề cần giải quyết là công cụ tính toán phải đủ mạnh.
2.4.2. Phương pháp thực nghiệm
2.4.2.1. Giải thuật di truyền (Genetic Algorithms - GA)
Giải thuật di truyền có tư tưởng chính là ban đầu phát sinh ra 1 lúc nhiều lời
giải khác nhau song, Trong những lời giải được tạo ra chọn những lời giải tốt nhất
để làm cơ sở phát sinh ra những lời giải sau với nguyên tắc 'càng về sau' càng tốt
hơn. Quá trình đó cứ tiếp diễn cho đến khi tìm được lời giải tối ưu trong thời gian
cho phép.
Giải thuật này thích hợp cho việc tìm kiếm các bài toán có không gian
nghiệm lớn. Bên cạnh đó, bài toán tái cấu trúc mạng phân phối điện với số lượng
khóa vô cùng lớn không gian nghiệm của bài toán, đòi hỏi phải tìm ra được cấu trúc
tối ưu trong thời gian nhanh nhất. Từ ý tưởng và đặc điểm của giải thuật di truyền,
ta nhận xét giải thuật rất thích hợp để giải bài toán cấu trúc.