Chương trình tính toán tối ưu lưới điện phân phối trung áp

422 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN TỐI ƯU 
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP 
Trần Thanh Sơn, Trần Anh Tùng 
Đại học Điện lực, Hà Nội 
Tóm tắt: Hiện nay các công ty điện lực chủ yếu sử dụng chương trình PSS/Adept để 
tính toán lưới điện phân phối. Chương trình này còn tồn tại một số nhược điểm như 
chưa tính toán trực tiếp được tổn thất điện năng, chưa tính toán được dung lượng bù 
tối ưu công suất phản kháng và chưa tính toán tối ưu được số lượng và vị trí đặt của 
các thiết bị phân đoạn trên cơ sở nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Chính vì vậy, bài 
báo này giới thiệu chương trình tính toán tối ưu lưới điện phân phối trung áp được 
xây dựng bằng Matlab cho phép tính toán trực tiếp tổn thất điện năng của lưới điện. 
Bên cạnh đó, bù tối ưu công suất phản kháng và số lượng, vị trí đặt các thiết bị phân 
đoạn được tối ưu hóa bằng thuật toán di truyền. Cơ sở dữ liệu và giao diện của 
chương trình được xây dựng phù hợp với người sử dụng tại các công ty điện lực. 
Chương trình có tiềm năng ứng dụng cao nhằm phục vụ các tính toán thiết kế, quy 
hoạch và vận hành lưới điện phân phối trung áp. 
Từ khóa: Tổn thất điện năng; bù tối ưu; Thuật toán di truyền; Thiết bị phân đoạn; 
Độ tin cậy; Lưới điện phân phối. 
1. GIỚI THIỆU 
Tính toán tổn thất điện năng là một trong các nhiệm vụ quan trọng trong hoạt 
động quản lý, phân phối điện của các công ty điện lực. Hiện nay, các tính toán này 
thường được thực hiện dựa trên công cụ như PSS/ADEPT. Kết quả tính toán tổn thất 
điện năng hàng năm được phân tích để hiểu rõ các nguyên nhân gây tổn thất nhằm nâng 
cao hiệu quả vận hành lưới điện trong các giai đoạn tiếp theo. 
Bên cạnh đó, giảm tổn thất điện năng cũng là một trong các nhiệm vụ được ưu 
tiên của các công ty điện lực. Các biện pháp giảm tổn thất điện năng thường được áp 
dụng như tái cấu trúc lưới điện, tối ưu hóa vận hành, hay bù công suất phản kháng. 
Trong đó, bù công suất phản kháng là một phương pháp được áp dụng rộng rãi. Tuy 
nhiên, việc tính toán bù tối ưu công suất phản kháng bởi các công ty điện lực thường 
chưa chính xác. 
Ngoài ra, việc cải thiện các chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện như SAIDI, SAIFI 
cũng là một nhiệm vụ quan trọng trong vận hành lưới điện phân phối. Các giải pháp 
thường được áp dụng là phân đoạn lưới, trang bị các recloser. Tuy nhiên, việc tính toán 
số lượng và vị trí đặt cũng như chủng loại (liên quan đến giá thành) một cách tối ưu là 
một bài toán phức tạp. 
Chính vì vậy, bài báo này có mục đích giới thiệu một phần mềm giải tích lưới 
điện cho phép thực hiện ba nhiệm vụ: 
PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 423 
 Tính toán tổn thất điện năng 
 Tính toán bù tối ưu công suất phản kháng 
 Tính toán phương án sử dụng tối ưu các thiết bị phân đoạn 
Phần mềm được viết trên nền tảng Matlab, có giao diện được Việt hóa, cơ sở dữ 
liệu (Input) và kết quả đầu ra (Output) dưới định dạng Excel rất phù hợp với hệ dữ liệu 
của các công ty điện lực. 
2. CÁC GIẢI THUẬT CỦA PHẦN MỀM 
2.1. Thuật toán dòng điện nút tương đương 
Thuật toán dòng điện nút tương đương sử dụng các ma trận dòng điện nút – dòng 
điện nhánh (DNDN) và dòng điện nhánh điện áp nút (DNAN) để giải bài toán trào lưu 
công suất của lưới điện phân phối. Lưu đồ thuật toán của phương pháp này được giới 
thiệu trên Hình 1. 
Đối với lưới điện phân phối, phụ tải tại nút i được biểu diễn bởi phương trình (1) 
và dòng điện phụ tải tại nút i được biểu diễn bởi phương trình (2): 
 (1) 
 (2) 
Đối với mô hình lưới điện phân phối trên Hình 2, dòng điện trên các nhánh có thể 
được biểu diễn bởi dòng điện nút tương đương: 
 (3) 
 (4) 
 (5) 
Hệ phương trình trên được viết lại dưới dạng ma trận: 
(6) 
Đối với lưới điện phân phối có nhiều nhánh rẽ từ đường trục chính, các nút được 
đánh số lần lượt từ nút nguồn cho đến hết nhánh rẽ đầu tiên trên trục chính sau đó lần 
lượt đến các nhánh rẽ tiếp theo cho đến nhánh cuối cùng của lưới điện, chỉ số của các 
nhánh cũng được quy ước theo cách tương tự. 
ࡿ࢏ = ࡼ࢏ + ࢐ࡽ࢏ ࢏ = ૚, ૛,  , ࢔
ࡵ࢏ = (ࡿ࢏/ࢁ࢏)∗ 
࡮૚ = ࡵ૛ + ࡵ૜ + ࡵ૝
ܤ2 = ܫ3 + ܫ4 
ܤ3 = ܫ4
൥
ܤ1
ܤ2
ܤ3
൩ = ൥
1 1 1
0 1 1
0 0 1
൩ ൥
ܫ2
ܫ3
ܫ4
൩
424 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
Hình 1: Thuật toán dòng điện nút tương đương 
Hình 2: Mô hình lưới điện phân phối đơn giản 
Các phương trình dòng điện nhánh có thể được tổng quát hóa bởi phương trình (7): 
 (7) [ܤ] = [ܦܰܦܰ][ܫ]
PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 425 
Trong đó: B – véctơ dòng điện nhánh; 
 DNDN – ma trận dòng điện nút – dòng điện nhánh; 
 I – véctơ dòng điện nút. 
Trong khi đó, ma trận DNAN biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện nhánh và 
điện áp nút. Sự chênh lệch điện áp giữa hai nút kề nhau trên lưới điện được giới thiệu 
trên hình 1 được tính toán trực tiếp từ hệ phương trình: 
 (8) 
 (9) 
 (10) 
Thay các biểu thức điện áp U2 và U3 trong các phương trình (8) và (9) vào phương 
trình (10), ta có thể biểu diễn phương trình điện áp U4 như sau: 
 (11) 
(12) 
Cuối cùng ta có: 
 (13) 
Cách thức xây dựng các ma trận DNDN, DNAN được các tác giả trình bày chi tiết 
trong [1]. Phân bố các dòng công suất trên các nhánh của lưới điện và tổn thất công suất 
của toàn lưới được tính toán sau khi điện áp tại các nút được xác định theo lưu đồ thuật 
toán trên. Bằng phương pháp này, tổn thất công suất của lưới điện phân phối hình tia có 
thể được tính toán dễ dàng và nhanh chóng. Mặt khác, tốc độ hội tụ của phương pháp 
dòng điện nút tương đương nhanh hơn so với phương pháp Gauss Seidel [1], do đó 
phương pháp này thích hợp để áp dụng cho các bài toán tối ưu ở các chức năng khác 
của phần mềm khi trào lưu công suất của lưới điện phải giải nhiều lần. 
2.2. Thuật toán di truyền 
Thuật toán di truyền là một thuật toán tối ưu phổ biến có nhiều ưu điểm và được 
ứng dụng rộng rãi trong nhiều bài toán tối ưu của hệ thống điện. Trong phạm vi của 
phần mềm này, thuật toán di truyền được ứng dụng để tối ưu hóa bù công suất phản 
kháng và tối ưu phương án sử dụng các thiết bị phân đoạn. 
2ܷ = 1ܷ − ܤ1ܼ12
3ܷ = 2ܷ − ܤ2ܼ23
4ܷ = 3ܷ − ܤ3ܼ34
4ܷ = 1ܷ − ܤ1ܼ12 − ܤ2ܤ23 − ܤ1ܼ34
൥
1ܷ
1ܷ
1ܷ
൩ − ൥
2ܷ
3ܷ
4ܷ
൩ = ൥
ܼ12 0 0
ܼ12 ܼ23 0
ܼ12 ܼ23 ܼ34
൩ [ܤ]
[∆ܷ] = [ܦܰܣܰ][ܤ]
426 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
Lưu đồ thuật toán bù tối ưu công suất phản kháng được giới thiệu trên Hình 3. 
Các nút bù tiềm năng được lựa chọn dựa trên hệ số độ nhạy tổn thất khi trào lưu công 
suất của lưới điện được giải lần đầu tiên. Sau đó, thuật toán di truyền được áp dụng để 
xác định dung lượng bù tối ưu cho các nút đã lựa chọn dựa trên cực tiểu hóa hàm mục 
tiêu. Hàm mục tiêu bao gồm tổn thất điện năng của lưới điện và chi phí đầu tư, lắp đặt tụ 
bù. Giải thích chi tiết các bước thực hiện tính toán đã được các tác giả trình bày trong [2]. 
Hình 3: Lưu đồ thuật toán bù tối ưu công 
suất phản kháng bằng thuật toán di truyền 
Hình 4: Lưu đồ thuật toán di truyền 
để tối ưu sử dụng dao phân đoạn 
Đọc dữ liệu lưới điện
Tính toán trào lưu công suấ t bằngthuậ t toán
dòngđiện nút tương đương
Lựa chọn các nút bù tiềm năng
bằnghệ số độ nhạy tổn thấ t
Tạo ra quần thể đầu tiên (dung lượng bù
của các nút bù được lựa chọn)
Đánh giá hàm mục tiêu
Lựa chọn các cá thể tốt nhấ t
Trực giao
Hoán chuyển
Độ lệch của hàm
mục tiêu < Sai số
Đánh giá hàm mục tiêu
Kết thúc
Đúng
Sai
Lựa chọn
Độ lệch của hàm
mục tiêu < Sai số
ú
Đọc dữ liệu lưới điện 
Tính toán trào lưu công suất để kiểm tra dòng 
điện qua các dao 
Tạo ra quần thể đầu tiên 
Đánh giá hàm mục tiêu 
Lựa chọn các cá thể tốt nhất 
Trực giao 
Đột biến 
Đánh giá hàm mục tiêu 
Kết thúc 
PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 427 
Bên cạnh đó, thuật toán di truyền còn được ứng dụng trong chức năng tính toán 
tối ưu phương án sử dụng các thiết bị phân đoạn của lưới điện phân phối. Thực vậy, các 
chỉ số độ tin cậy cung cấp điện SAIFI (tần suất mất điện trung bình), SAIDI (thời gian 
mất điện trung bình) hay ENS (lượng điện năng không được cung cấp do mất điện) phụ 
thuộc rất nhiều vào số lượng, vị trí đặt và chủng loại thiết bị phân đoạn trên lưới. Chính 
vì vậy, thuật toán di truyền được đề xuất dựa trên việc tối thiểu hóa hàm mục tiêu gồm 
lượng điện năng thiếu hụt do mất điện và chi phí cho các loại dao phân đoạn để tìm ra 
lời giải tối ưu về số lượng, vị trí và chủng loại thiết bị. Lưu đồ thuật toán tối ưu sử dụng 
thiết bị phân đoạn bằng thuật toán di truyền được giới thiệu trên Hình 4. 
3. GIAO DIỆN VÀ CÁC CHỨC NĂNG CỦA PHẦN MỀM 
3.1. Giao diện 
Giao diện của phần mềm được giới thiệu trên Hình 5. Các nút chức năng được 
phân chia trong các khối, được việt hóa, chỉ dẫn rõ ràng từng nhiệm vụ tạo điều kiện 
thuận lợi cho người sử dụng. 
Cơ sở dữ liệu đầu vào được tổ chức dưới định dạng Excel rất phù hợp với dữ liệu 
sẵn có tại các công ty điện lực. Do đó, việc nhập liệu vào chương trình được thực hiện 
rất dễ dàng. Cấu trúc dữ liệu đầu vào của các máy biến áp được minh họa trên Hình 6. 
Hình 5: Giao diện của phần mềm tối ưu lưới điện 
428 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
Hình 6: Dữ liệu Máy biến áp của lưới điện 
3.2. Các chức năng 
a. Tổn thất điện năng 
Phần mềm có khối chức năng cho phép tính toán tổn thất điện năng, đồng thời cho 
phép chỉ ra các thông số lưới điện như: tổn thất công suất trên từng đường dây; tổn thất 
công suất trên từng máy biến áp; điện áp tại các điểm nút; dòng điện trên các nhánh. 
Chức năng này có vai trò quan trọng để nhà quản lý lưới điện đánh giá được mức độ tổn 
thất điện năng, vị trí gây tổn thất cao và chế độ điện áp của lưới điện để từ đó có thể 
giám sát và vận hành lưới điện tốt hơn. 
Hình 7: Minh họa phân bố điện áp và tổn thất công suất tác dụng của lưới điện 
PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 429 
b. Bù tối ưu công suất phản kháng 
Khối chức năng tính toán bù tối ưu công suất phản kháng sử dụng thụật toán di 
truyền để xác định vị trí đặt bù và dung lượng bù tối ưu. 
Hình 8: Minh họa tính toán bù tối ưu công suất phản kháng 
c. Tối ưu sử dụng thiết bị phân đoạn 
Chức năng tối ưu sử dụng thiết bị phân đoạn sẽ đề xuất một phương án tối ưu về 
số lượng, vị trí đặt và chủng loại thiết bị phân đoạn (trong thư viện dữ liệu được nạp) 
nhằm cải thiện các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện SAIFI, SAIDI và ENS. 
Hình 9: Minh họa sự cải thiện các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện 
sau khi tối ưu sử dụng các thiết bị phân đoạn 
d. Ví dụ tính toán tổn thất điện năng của xuất tuyến 482E4.6 của lưới điện 
trung áp thành phố Việt Trì – So sánh với phần mềm PSS/Adept 
Để kiểm chứng độ chính xác và tin cậy của chương trình tính toán lưới điện được 
các tác giả đề xuất, kết quả tính toán tổn thất điện năng trên xuất tuyến 482E4.6 của lưới 
điện trung áp thành phố Việt Trì bằng phần mềm này được so sánh với kết quả đạt được 
bằng phần mềm PSS/Adept. Bảng 1 giới thiệu kết quả tính toán bởi hai phần mềm. 
Bảng 1 đã chỉ ra rằng kết quả tính toán từ hai phần mềm là hoàn toàn tương đồng. 
Từ đó, các tác giả có thể khẳng định độ chính xác, tin cậy của phần mềm được đề xuất. 
430 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 
Bảng 1. Kết quả tính toán tổn thất điện năng của xuất tuyến 482E4.6 
 bằng phần mềm đề xuất và phần mềm PSS/Adept 
Đối tượng 
Phần mềm tính toán lưới điện của 
nhóm tác giả Phần mềm PSS/Adept 
Tổn thất 
ΔP(kW) 
Tổn thất điện 
năng (kWh) 
Tổn thất 
ΔP(kW) 
Tổn thất điện 
năng (kWh) 
Đường dây 24.33 501077 24.33 501077 
Máy biến áp 3.38 90815 3.38 90815 
Xuất tuyến 
482E4.6 27.70 591893 27.70 591893 
4. KẾT LUẬN 
Phần mềm tối ưu lưới điện phân phối đem đến một giải pháp hiệu quả, tin cậy 
trong đánh giá, chuẩn đoán chế độ vận hành của các lưới điện phân phối. Tính đa chức 
năng cho phép người sử dụng có thể tối ưu lời giải cho các bài toán phức, đa mục tiêu 
của hệ thống điện như bù công suất phản kháng và sử dụng các thiết bị phân đoạn. Phần 
mềm có giao diện thân thiện, đơn giản, hệ dữ liệu phù hợp với cơ sở dữ liệu sẵn có tại 
các công ty điện lực. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Trần Thanh Sơn, Trần Anh Tùng, “Tính toán tổn thất điện năng cho lưới điện phân phối 
bằng thuật toán dòng điện nút tương đương,” Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà 
Nẵng, số 11 (2015), tr. 57 61. 
[2] Trần Thanh Sơn, Trần Anh Tùng, “Bù tối ưu công suất phản kháng sử dụng thuật toán 
dòng điện nút tương đương và thuật toán di truyền,” Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và 
Công nghệ Quân sự, số đặc san 07(2017), tr. 27 34. 
[3] Abdellatif Hamouda, Khaled Zehar, “Improved algorithm for radial distribution networks 
load flow solution,” International Journal of Electrical Power & Energy Systems, Volume 
33, Issue 3, March 2011, pp. 508 514. 
[4] Bhujel, D., Adhikary, B., Mishra, A.K., “A Load Flow Algorithm for Radial Distribution 
System with Distributed Generation,” Sustainable Energy Technologies (ICSET), 2012 IEEE 
Third International Conference on, vol., no., pp.375,380, 24 27 Sept. 2012. 
[5] S. Ghosh and D. Das, “Method for load flow solution of radial distribution networks” IEE 
Proc. Gener. Transm. Distrib., Vol. 146, No. 6, November 1999. 
[6] Jen Hao Teng, “A Direct Approach for Distribution System Load Flow Solutions” IEEE 
Transactions On Power Delivery, vol. 18, No. 3, July 2003. 
[7] A.G. Bhutad, S.V. Kulkarni and S.A. Khaparde, “Three phase Load Flow Methods for Radial 
Distribution Networks”.