Tính toán lựa chọn phương pháp kết lưới hiệu quả lưới điện cáp ngầm 22KV khu du lịch bãi dài Cam Ranh

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 301 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT LƯỚI HIỆU QUẢ LƯỚI ĐIỆN CÁP NGẦM 22KV KHU DU LỊCH BÃI DÀI-CAM RANH CALCULATION AND CHOICE OF AN EFFECTIVE GRID CONNECTION PLAN FOR THE 22KV UNDERGROUND CABLE GRID IN BAIDAI-CAMRANH RESORT Đinh Thành Việt Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Nguyễn Hồng Công ty TNHH Tư vấn Điện ETNT TÓM TẮT Vấn đề tối ưu trong hệ thống điện nói chung và cấu trúc tối ưu của lưới điện nói riêng là một bài toán khó do tính phức tạp của hệ thống. Đặc biệt bài toán tối ưu hóa cấu trúc lưới điện phân phối cáp ngầm thường rất phức tạp do số lượng phương án kết lưới có thể có của lưới điện là rất lớn và vấn đề đi dây ngầm trong lòng đất. Bài báo trình bày một phương pháp tiếp cận để giải quyết bài toán tìm cấu trúc tối ưu của lưới điện phân phối cáp ngầm bằng phương pháp kết hợp giữa phân tích với kinh nghiệm thực tế của các chuyên gia về quy hoạch lưới điện trên thế giới đồng thời xây dựng chương trình tính toán tìm cấu trúc tối ưu trên máy tính và ứng dụng để tính chọn phương án kết lưới hiệu quả cho lưới điện 22kV cáp ngầm ở khu du lịch Bãi Dài, huyện Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa. ABSTRACT Optimization in the power system in general and optimal configuration of power network in particular is a hard problem due to system complications. Especially, the optimal configuration of the underground power distribution network is complicated due to great number of possible cases and underground installation. This paper presents an approach to the study on an optimal configuration of power distribution network by the combination of an analysis method and practical experiences from experts on the power system planning. A relevant computer program has been implemented in order to find the effective configuration for the 22kV underground power distribution network in the Resort of Baidai in Camranh District, Khanhhoa Province. 1. Đặt vấn đề Sau khi xác định được điện áp vận hành của hệ thống điện cho một khu vực, ta cần phải giải quyết bài toán tìm cấu trúc tối ưu của lưới điện. Cấu trúc lưới điện liên quan trực tiếp đến vấn đề vận hành và khả năng phát triển của lưới. Khi thay đổi cấu trúc của lưới dẫn đến thay đổi về chức năng và do đó sẽ tạo ra ảnh hưởng tốt hoặc xấu đối với các mục tiêu đã đề ra. Tối ưu hóa cấu trúc lưới điện là bài toán phức tạp do bị ràng buộc nhiều yếu tố, phải có đầy đủ dữ liệu đầu vào và có giải thuật phù hợp để tính toán vì khối lượng tính toán rất lớn. Riêng với bài toán tối ưu hóa cấu trúc lưới điện phân phối thì còn phải chịu nhiều ràng buộc như lịch sử, địa hình, quy mô lưới điện, chi phí đầu tư, số lượng phương án tính toán lớn, khó chương trình hóa từ các giải thuật thông thường Bằng cách tiếp cận theo phương pháp lôgic: kết hợp phân tích bản đồ phân bố TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 302 phụ tải thực tế với việc xây dựng giải thuật để tính toán, bài toán cấu trúc tối ưu lưới điện có thể được giải quyết với một số mục tiêu đề ra. Sử dụng phương pháp này cho phép giảm đáng kể khối lượng tính toán mà vẫn cho kết quả phù hợp với thực tế. 2. Giải quyết vấn đề 2.1. Chia cụm phụ tải theo nguyên tắc đường đi ngắn nhất Nguyên tắc đường đi ngắn nhất: Từ nguồn sẽ nối đến phụ tải gần nó nhất. Từ các yêu cầu ban đầu về cấp điện, yêu cầu khả năng kết nối lưới điện với các khu vực lân cận, cân nhắc kỹ điều kiện đặc thù thực tế của địa hình phân bố phụ tải, phân chia phụ tải thành các cụm phụ tải theo nguyên tắc đường đi ngắn nhất như hình 1. Từ đó xác định các cụm phụ tải cần cấp điện, xác định sơ bộ các xuất tuyến cấp điện cho các cụm phụ tải. Kết quả là đã xác định được cấu trúc lưới điện cơ bản giữa nguồn điện và các cụm phụ tải cần cấp điện. Các yêu cầu về cấp điện, kết nối với khu vực xung quanh đã thỏa mãn, đáp ứng tiêu chí đường đi ngắn nhất. Hình 1. Xác định tuyến cấp điện cho các cụm trạm biến áp phụ tải 2.2. Xây dựng hàm mục tiêu của lưới điện Biểu thức hàm chi phí tính toán hàng năm Z của phương án nối dây của lưới điện n nút phụ tải phụ thuộc vào các giá trị dòng điện Iij theo công thức sau [4]: 0 0 ( ) . . . 0 ij ij ij ij ij ij khi I Z I A L L I khi Iβ =⎧ ⎫⎪ ⎪= ⎨ ⎬+ 〉⎪ ⎪⎩ ⎭∑ ∑ (1) với .A a A= và . 3. . . .a B c J J β ρ τ= + a = (avh + atc); avh, atc: là các hệ số vận hành và hệ số tiêu chuẩn của vốn đầu tư; A: thành phần vốn đầu tư không phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn (tiền thăm dò tuyến, tiền cột móng, tiền bồi thường diện tích đất), đ/km; B: hệ số của thành phần vốn đầu tư phụ thuộc vào tiết diện dây dẫn, đ/km.mm2; TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 303 Lij : chiều dài đường dây ij, km; Iij : dòng điện trên đoạn đường dây ij, A; ρ: điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn, Ω.mm2/km; τ: thời gian tổn thất công suất lớn nhất; c: là giá tiền 1kWh tổn thất điện năng; J: mật độ dòng điện, A/mm2; có thể xác định theo quy phạm ngành điện. Khi đó bài toán xác định cấu trúc tối ưu của lưới điện trở thành bài toán xác định tập Iij sao cho hàm chi phí tính toán Z(Iij) đạt giá trị cực tiểu. Mô tả dưới dạng toán học: Xác định tập {Iij} sao cho: , 1 , 1 0 0 ( ) . . . min 0 ij n n ij ij ij ij ij i j i j khi I Z I A L L I khi Iβ = = =⎧ ⎫⎪ ⎪= ⎨ ⎬+ → 〉⎪ ⎪⎩ ⎭∑ ∑ (2) Z(Iij) = Z1 + Z2 ; trong đó: Z1 = ∑A .Lij và Z2 = ∑β.Lij.Iij ; Suy ra điều kiện của bài toán: Xác định tập {Iij} sao cho minZ(Iij) = min(Z1+Z2). Đặt min Z1 = W1; min Z2 = W2; min Z = min (Z1+Z2) = W. Suy ra ta luôn có điều kiện: min Z ≥ min Z1+min Z2 ; Giá trị của hàm chi phí tính toán chỉ bằng W khi phương án được chọn vừa là phương án có vốn đầu tư cực tiểu, vừa là phương án có tổn thất điện năng nhỏ nhất tức là truyền tải điện năng với chi phí nhỏ nhất. Để tìm phương án kết nối tối ưu giữa các trạm biến áp (TBA) phụ tải trong một cụm phụ tải ta sử dụng phương pháp cực tiểu hàm chi phí tính toán Z, xây dựng thuật toán và viết chương trình để tính toán cấu trúc tối ưu của lưới điện. Ở đây, trước hết đề cập đến phương án kết nối tối ưu giữa các TBA phụ tải trong mỗi khu vực theo tiêu chí cực tiểu hàm chi phí tính toán Z1. Đối với trường hợp các phụ tải nằm lân cận giữa 2 khu vực kề nhau mà có khả năng có phương án kết nối khác, sẽ tính toán tiếp hàm chi phí tính toán Z2 cho các trường hợp đấu nối vào mỗi khu vực để xác định hàm Z=Z1+Z2, từ đó chọn phương án đấu nối có Z min. Từ công thức (2), ta cần phải xác định Lij và Iij của các nhánh của lưới điện để tính toán các hàm Z1 và Z2. Từ hình 2, nếu gọi Xi và Yi là các tọa độ của TBA thứ i, ta có khoảng cách Lij giữa hai TBA thứ i và j tính theo công thức sau (theo lý thuyết độ đo Lebesgue [5]): ij ij ij j i j iL X Y X X Y Y= ∆ + ∆ = − + − (3) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 304 Để xác định Iij trên các nhánh, ta thành lập ma trận cấu trúc lưới điện để tính Sij. [Aij]nn là ma trận cấu trúc, có các tính chất: [3] - Số hàng của ma trận bằng số nhánh của mạng. - Số cột của ma trận bằng số nút của mạng. Hình 2. Xác định khoảng cách thực tế đường dây đi từ trạm phụ tải i đến j Các phần tử Aij được xác định: Các nút nối với nhánh tương ứng của nó thì Aij nhận giá trị 1, ngược lại thì Aij nhận giá trị 0. Công suất trên nhánh i là tích vô hướng của [Ahi] và [S]: [ ] [ ] 1 , n nhi hi hij j j S A S A S = = =∑ Với [Ahi] là ma trận hàng thứ i của ma trận cấu trúc. [S] = [S1, S2, , Si, Sn] là ma trận công suất phụ tải tính toán tại các nút. Bằng cách thành lập ma trận cấu trúc, ta tính được công suất trên các nhánh Sij và từ đó tính được dòng điện Iij đi trên các nhánh: 3. ij ij S I U = trong đó Sij là công suất trên nhánh ij (kVA) 3. Kết quả tính toán 3.1. Tìm cấu trúc lưới điện theo cực tiểu của Z1: Để giải bài toán tối ưu hóa cấu trúc lưới điện theo tiêu chí min Z1 ta áp dụng thuật toán Prim với sơ đồ thuật toán như ở hình 3 [4]. 3.2. Tìm đấu nối tối ưu cho các vị trí trạm lân cận giữa 2 khu vực Theo nguyên tắc phân chia cụm phụ tải đã đề cập ở phần 2.1, ta phân chia vực Bãi Dài ra làm 4 cụm phụ tải, 4 cụm phụ tải phân bố 2 bên của 2 trục đường chính chạy suốt chiều dài khu Bãi Dài. Khu vực I và II nằm kề nhau và cùng về 1 phía đối với TBA cấp nguồn 110/22kV. Theo khảo sát, TBA T3 nằm trong khu vực I nhưng rất gần với T4 của II. Tính toán so sánh trạm này đấu nối vào lưới điện khu vực I hay II là tốt nhất. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 305 Để giải quyết, ta xây dựng chương trình tính toán Z2 của lưới điện khu vực I và II là Z2-I và Z2-II của 2 khu vực này là: Z2 = Z2-I + Z2-II sau đó cho TBA T3 nối vào lưới điện khu vực I tại vị trí T4 và tính lại các hàm chi phí tính toán Z2’ = Z2-I’ + Z2-II’. So sánh Z2’ và Z2. Nếu Z2’ > Z2 thì chọn phương án đã tính ở trên, ngược lại thì chọn T3 đấu nối vào lưới điện khu vực I tại vị trí trạm T4. Giải thuật tính S để tìm Z2 của các khu vực thể hiện trên hình 4. A ={0}; C={0}; T×m c¹nh ng¾n nhÊt cña graph. Bæ sung 2 ®Ønh cña c¹nh ®ã vµo A ; Bæ sung c¹nh ®ã vµo tËp C; Sc:=1; k T×m mét c¹nh cã 1 ®Ønh thuéc A , 1 ®Ønh kh«ng thuéc A . Bæ sung ®Ønh kh«ng thuéc A vµo A . Bæ sung c¹nh míi vµo C. Sc:= sc + 1; Sc = n-1 - C chøa c¸c c¹nh cña c©y bao trïm nhá nhÊt cña graph - In kÕt qu¶. Ðun´g Sai k kk k k NhËp sè liÖu vÒ graph ®Çy ®ñ cña m¹ng ®iÖn Hình 3. Thuật toán tìm phương án có Z1 min Hình 4. Thuật toán tìm S các nhánh để tính Z2 Chương trình tính toán tìm cây bao trùm nhỏ nhất của các cụm phụ tải của một khu vực và tính toán các thông số S(kVA), L(m), I(A) và tích L.I(m.A) viết bằng phần mềm MATLAB, có giao diện như hình 5. Hình 5. Kết quả tìm Z1 min và Z2 của lưới điện khu vực I TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 306 Kết quả chương trình tính toán cho ra cây bao trùm nhỏ nhất của một khu vực, vẽ sơ đồ lưới điện theo kết quả tính và in các kết quả chi tiết tính toán các thông số L, S, I và tích L.I là ma trận mô tả lưới điện. Chương trình tính toán còn cho phép tính toán với các số liệu lưới điện bất kỳ bằng cách nhập số liệu từ file mẫu số liệu lưới điện là ma trận 5 cột: Thứ tự, tên trạm, công suất, tọa độ X và tọa độ Y của trạm biến áp phụ tải (tọa độ GPS). 4. Kết luận Để giải quyết trọn vẹn bài toán tối ưu một cách tổng quát là vấn đề phức tạp, do bị ràng buộc nhiều yếu tố, phải có đủ dữ liệu đầu vào và có giải thuật phù hợp để tính toán vì khối lượng tính toán rất lớn. Bằng cách kết hợp các lý thuyết với việc xây dựng thuật toán tối ưu, đã giải quyết được một phần các vấn đề kỹ thuật nói trên, đưa ra phương pháp tính toán kết lưới hiệu quả nói chung và cụ thể cho 2 cụm phụ tải khu Bãi Dài. Hàm mục tiêu mà đề tài đạt được là cực tiểu tổng vốn đầu tư Z1 của các tuyến và phí tổn vận hành Z2 cực tiểu đối với các trường hợp các phụ tải chưa thể khẳng định. Để tìm min Z1 và Z2 cho các tuyến, đề tài đã xây dựng thuật toán và viết chương trình bằng phần mềm MATLAB. Chương trình còn cung cấp thông số của lưới điện để làm cơ sở cho việc lựa chọn thiết bị chính. Các kết quả nghiên cứu có thể tham khảo để xây dựng mới hệ thống lưới điện ngầm cho các khu đô thị mới cũng như các đô thị cần cải tạo hạ ngầm lưới điện. Chương trình tính toán bằng phần mềm MATLAB tác giả viết có thể được nghiên cứu cải tiến và mở rộng hơn nữa cho việc giải bài toán tìm kết lưới tối ưu của hệ thống điện khi biết trước một số nguồn và phụ tải. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Lê Kỷ, Một số vấn đề về quy hoạch, thiết kế và vận hành các hệ thống cung cấp điện cho đô thị, Tài liệu giảng dạy cho học viên cao học. [2] Hoàng Chí Thành (2007), Đồ thị và các thuật toán, NXB Giáo dục. [3] Trần Vinh Tịnh (2001), Áp dụng các phương pháp tối ưu hóa nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế vận hành hệ thống cung cấp điện, Tài liệu giảng dạy cho học viên cao học. [4] Nguyễn Lân Tráng (2005), Quy hoạch phát triển hệ thống điện, NXB Khoa học kỹ thuật. [5] H. Lee Willis (2004), Power Distribution Planning Reference Book (Second Edition, Revised and Expanded), ABB, Inc. Raleigh, North Carolina, U.S.A, Marcel Dekker.