Cải tiến giải thuật tìm kiếm Cuckoo có đáp ứng cho hệ thống phát điện sử dụng các điều kiện của lưới điện truyền tải

Bài viết Cải tiến giải thuật tìm kiếm Cuckoo có đáp ứng cho hệ thống phát điện sử dụng các điều kiện của lưới điện truyền tải cho thấy tiềm năng của giải thuật tìm kiếm Metaheuristic để phân bố công suất tác dụng cho hệ thống phát điện kết hợp sử dụng nhà máy thủy điện và nhà máy nhiệt điện.

JOURNAL OF TECHNICAL EDUCATION SCIENCE Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn ISSN: 1859-1272 Application of the Adaptive Selective Cuckoo Search Algorithm for a Power Generation System Using Constraints of Power Transmission System Nguyen Trung Thang1, Nguyen Ngoc Thiem2, Le Chi Kien3* 1Ton Duc Thang University, Vietnam University of Ho Chi Minh City, Vietnam 3Ho Chi Minh City University of Technology and Education, Vietnam 2Industrial * Corresponding author Email: kienlc@hcmute.edu.vn ARTICLE INFO Received: 9/6/2022 Revised: 23/6/2022 Accepted: 5/7/2022 Published: 30/8/2022 KEYWORDS Adaptive selective; Metaheuristic algorithm; Optimal power flow; Hydro-thermal power plant; Power system constraints ABSTRACT In this paper, the Metaheuristic algorithms has been employed to find the optimal solution for optimal power flow problem of hydro-thermal power plant Some algorithms for search and optimization including the latest trends in evolutionary algorithms were examined to prove the effectiveness As results, the analysis of these algorithms shows that they are useful to solve the scheduling problem of the thermal and hydroelectric power plants because they can achieve a good solution and results with a minimum running time in optimal conditions With these algorithms, Adaptive Selective Cuckoo Search algorithm is most effective since it can obtain the lowest objective function with the lowest maximum number of iterations The results also show that Differential Evolutionary algorithm, Bat algorithm, and Particle Swarm Optimization algorithm are less effective but they still achieve feasible solution Cải Tiến Giải Thuật Tìm Kiếm Cuckoo Có Đáp Ứng Cho Hệ Thống Phát Điện Sử Dụng Các Điều Kiện Của Lưới Điện Truyền Tải Nguyễn Trung Thắng1, Nguyễn Ngọc Thiêm2, Lê Chí Kiên3* 1Trường Đại học Tôn Đức Thắng, Việt Nam Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam 3Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam * Tác giả liên hệ Email: kienlc@hcmute.edu.vn 2Trường THÔNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 9/6/2022 Ngày hoàn thiện: 23/6/2022 Ngày chấp nhận đăng: 5/7/2022 Ngày đăng: 30/8/2022 TỪ KHĨA Chọn lọc thích nghi; Giải thuật tìm kiếm; Phân bố công suất; Thủy nhiệt điện; Ràng buộc truyền tải TÓM TẮT Bài báo cho thấy tiềm giải thuật tìm kiếm Metaheuristic để phân bớ cơng suất tác dụng cho hệ thống phát điện kết hợp sử dụng nhà máy thủy điện nhà máy nhiệt điện Các thuật tốn tìm kiếm tới ưu phở biến cải tiến với hiệu cao Tính hiệu giải thuật xem xét nhiều nhà máy hệ thống Kết nghiên cứu so sánh với công bố trước để cho thấy tính ưu việt, tìm cách vận hành tốt linh hoạt lựa chọn chế độ vận hành cho trường hợp thực tế Kết nghiên cứu cho thấy giải thuật Cuckoo đáp ứng cho kết khả quan Trong giải thuật xem xét, giải thuật đàn dơi, tiến hóa vi phân, tối ưu bầy đàn cho kết không tối ưu, nhiên có thể ứng dụng hệ thống nhỏ với cấu trúc đơn giản Doi: https://doi.org/10.54644/jte.71B.2022.1225 This is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium for non-commercial purpose, provided the original work is properly cited Copyright © JTE JTE, Issue 71B, August 2022 49 JOURNAL OF TECHNICAL EDUCATION SCIENCE Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn ISSN: 1859-1272 Giới thiệu Phân bớ dịng cơng suất tới ưu (Optimal Power Flow – OPF) vấn đề khó khăn xem xét nhiều điều kiện lưới điện truyền tải điệu kiện điện áp nút, điện áp phát nguồn phát, ràng buộc công suất biểu kiến, công suất tụ bù ngang điện áp thứ cấp máy biến áp [1] Bên cạnh tốn OPF, tốn phới hợp hệ thống nhà máy thủy điện nhà máy nhiệt điện (Hydrothermal Scheduling – HTS) phức tạp bởi ràng buộc từ hồ thủy điện thời gian điều độ thời gian dài chia thành nhiều khoảng xem xét Giá trị ở khoảng ảnh hưởng qua lại đến lời giải cuối Về điều này, OPF thường chỉ xem xét khoảng thời gian hoặc nhiều khoảng giá trị khoảng cũng khơng ảnh hưởng với Từ tốn phân bớ dịng cơng suất tớt cho hệ thớng nhà máy thủy điện nhà máy nhiệt điện (Hydrothermal Optimal Power Flow – HTOPF) sẽ xét đến tất điều kiện toán OPF toán HTS Hiển nhiên, tính phức tạp ràng buộc lưới truyền tải tính phức tạp hồ nước thủy điện với nhiều khoảng thời gian sẽ trở thành thách thức lớn cho toán HTOPF Xét thời điểm này, có phương pháp giải vấn đề HTOPF Các cơng trình trước áp dụng giải thuật truyền thống với mục tiêu đặt có thể giải điều kiện tính tốn chi phí tới ưu [2-5] Vì lý trên, nghiên cứu báo sẽ áp dụng sớ thuật tốn tìm kiếm Metaheuristic tiêu biểu giải thuật tiến hóa vi phân (Differential Evolution – DE), giải thuật Cuckoo (Cuckoo Search Algorithm – CSA), giải thuật tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization – PSO), giải thuật đàn dơi (Bat Algorithm – BA) phiên cải tiến thuật toán [6-7] Các kết sẽ kiểm chứng hai hệ thớng IEEE 30-bus 118-bus [8] Mơ hình tốn phân bố cơng śt tối ưu hệ thống nhà máy thủy điện nhiệt điện 2.1 Hàm mục tiêu Chi phí phát điện nhỏ N Min CT = ∑M m=1 ∑i=1 t m Fim (1) Fim = asi + bsi Psi,m + csi Psi,m + |dsi sin[esi (Psimin − Psi,m )]| (2) Trong đó: CT: tởng chi phí sản xuất điện khoảng phạm vi xem xét tm: thời gian khoảng thứ m Fim: chi phí sản xuất điện mỗi nhà máy thứ i khoảng m Trong hệ thớng có, việc điều chỉnh cơng suất q trình vận hành dùng việc điều tiết lượng nước làm thay đổi lớn đến chi phí nhiên liệu, dẫn đến việc tính tốn chi phí biểu diễn sau 2.2 Các ràng buộc hệ thớng nhà máy thủy điện nhiệt điện Hình Hàm chi phí q trình vận hành tăng cơng suất JTE, Issue 71B, August 2022 50 JOURNAL OF TECHNICAL EDUCATION SCIENCE Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn ISSN: 1859-1272 Ràng buộc thể tích nước ∑M m=1 t m q j,m = Wj ; j = N (3) Pgi,min ≤ Pgi ≤ Pgi,max ; i = Ng Q gi,min ≤ Q gi ≤ Q gi,max ; i = Ng (4) (5) Vgi,min ≤ Vgi ≤ Vgi,max ; i = Ng (6) Ràng buộc máy phát Ràng buộc điện áp máy phát 2.3 Các ràng buộc lưới trùn tải Phương trình cơng suất phản kháng công suất tác dụng Nm Ppi − Pfi = Vj ∑i=1 Vi [Gji cos(δj − δi ) + Bji sin(δj − δi )] ; j = Nm (7) Nm Q pi + Q di − Q ci = Vj ∑i=1 Vi [Gji sin(δj − δi ) + Bji cos(δj − δi )] ; i = Nm (8) Trong Pfi, Qci cơng suất tải i Ppi, Qpi công suất đầu nguồn phát thủy điện nhiệt điện Giới hạn tụ bù Q di,nn ≤ Q di ≤ Q di,ln ; i = Nd (9) Giới hạn đầu phân điện áp Ti,nn ≤ Ti ≤ Ti,ln ; i = Nc (10) Điều kiện điện áp tải Vhi,nn ≤ Vhi ≤ Vhi,ln ; i = Ng (11) Giới hạn công suất đường dây Sl ≤ Sl,max ; l = Nl (12) Trong Sl = max(|Sij |, |Sji |) Các thuật tốn Metaheuristic 3.1 Lựa chọn thơng sớ - Lựa chọn thơng sớ cho thuật tốn CSA: Pa có giá trị từ 0,7 đến 0,9 ngưỡng chọn bằng 10-3 - Lựa chọn thông số cho thuật toán PSO: c1 c2 chọn 2,05 ωmax có giá trị từ 0,7 đến ωmin có giá trị từ 0,1 đến 0,3 - Lựa chọn thông số cho phương pháp DE: chỉ số biến đổi MF chỉ số ghép CR chọn 0,2 đến 1,2 0,2 đến 0,8 - Lựa chọn thông số cho phương pháp BA: Độ ồn A chọn bằng tỉ lệ phát sung r chọn từ 0,1 đến 0,5 Tập hợp biến sớ vịng lặp lớn chọn cho thuật toán Bảng với thuật toán CSA sử dụng dân sớ nhỏ thuật tốn khác cho hai hệ thớng Bên cạnh đó, thuật tốn CSA sử dụng 300 vịng lặp tất thuật toán khác sử dụng 400 Các thuật tốn kiểm tra hai hệ thớng IEEE 30-bus 118-bus Bảng Lựa chọn thông số Thuật toán Hệ thống 30-bus Hệ thống 118-bus Np Gmax Np Gmax PSO 20 150 40 400 DE 20 150 40 400 BA 20 150 40 400 CSA 10 150 20 400 JTE, Issue 71B, August 2022 51 JOURNAL OF TECHNICAL EDUCATION SCIENCE ISSN: 1859-1272 3.2 Thuật tốn tìm kiếm Cuckoo Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn 3.3 Thuật tốn tới ưu bầy đàn Hình Lưu đồ giải thuật CSA Hình Lưu đồ giải thuật PSO JTE, Issue 71B, August 2022 52 JOURNAL OF TECHNICAL EDUCATION SCIENCE ISSN: 1859-1272 3.4 Thuật toán tiến hóa vi phân Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn 3.5 Thuật toán đàn dơi Hình Lưu đồ giải thuật BA Hình Lưu đồ giải thuật DE Kết 4.1 Kết quả hệ thống 30-bus Hệ thống bao gồm máy phát chạy bằng turbine máy phát thủy điện Thời gian phân bố công suất ngày đêm 24 sẽ bị chia thành hai phần thời gian 12 Tải ở khoảng thứ cố định thông số lưới 30 bus tải ở phần thứ hai bằng 75% phần thứ Kết báo cáo Bảng Giá trị chi phí xếp hạng sớ dấu ngoặc đơn Tỉ lệ thành công cũng xếp hạng tương tự Kết cho thấy CSA xếp hạng tỉ lệ cho kết tối JTE, Issue 71B, August 2022 53 JOURNAL OF TECHNICAL EDUCATION SCIENCE Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn ISSN: 1859-1272 ưu chi phí Thuật tốn BA cho kết chi phí thuật toán, xét tỉ lệ thành cơng thuật tốn PSO cho kết mặc dù thuật toán cho kết chi phí gần tương đương tht tốn CSA Như rõ ràng thuật toán CSA hiệu bớn thuật tốn đới với hệ thớng điện IEEE 30-bus Hình Tính hội tụ cho hệ thống IEEE 30-bus Hình Tính hội tụ cho hệ thống IEEE 118-bus Bảng Kết tính tốn cho hệ thống IEEE 30-bus Thuật tốn Chi phí thấp Chi phí bình quân [$] [$] Chi phí cao [$] Độ lệch chuẩn Tỉ lệ thành công [$] [%] PSO 13.723.968 [2] 13.773.031 14.198.212 72.992 63,92 [4] DE 13.799.042 [3] 14.073.579 14.951.523 251.901 70,42 [3] BA 13.802.683 [4] 14.426.703 15.421.417 299.556 80,65 [2] CSA 13.720.794 [1] 13.757.250 13.817.511 21.818 84,75 [1] 4.2 Kết quả hệ thống 118-bus Hệ thống gồm 45 máy phát, 54 bus 168 nhánh với máy biến 14 tụ bù đặt 14 bus khác 24 ngày chia làm hai khoảng 20 Khoảng thứ mang tải 100% khí khoảng thứ hai mang tải 70% Kết trình bày Bảng Kết cho thấy thuật toán CSA xếp hạng chi phí tỉ lệ thành cơng thuật tốn xếp hạng Tỉ lệ thành công PSO xếp hạng xếp hạng chi phí thuật tốn lại thuật tốn so sánh Thuật tốn DE có chi phí xếp hạng tỉ lệ thành cơng lại nhất, thuật tốn BA có chi phí xếp hạng tỉ lệ thành cơng lại xếp hạng Có thể coi thuật tốn DE BA cho kết gần tương đương nhau, thuật tốn DE cho kết chi phí nhỏ nên sẽ có lợi thuật tốn BA Bảng Kết tính tốn cho hệ thống IEEE 118-bus Thuật tốn Chi phí thấp Chi phí bình quân [$] [$] Chi phí cao [$] Độ lệch chuẩn Tỉ lệ thành công [$] [%] PSO 2.928.368 [4] 3.198.327 3.751.568 212.932 76,92 [1] DE 2.803.582 [2] 3.026.422 3.533.879 178.902,7 61,73 [4] BA 2.854.678 [3] 3.070.512 3.539.901 137.070,4 72,46 [2] CSA 2.787.516 [1] 3.025.943 3.630.107 192.463,9 63,29 [3] JTE, Issue 71B, August 2022 54 JOURNAL OF TECHNICAL EDUCATION SCIENCE ISSN: 1859-1272 Ho Chi Minh City University of Technology and Education Website: https://jte.hcmute.edu.vn/ Email: jte@hcmute.edu.vn Kết luận Bài báo cho thấy tiềm giải thuật tìm kiếm Metaheuristic để phân bố công suất tác dụng cho hệ thống phát điện kết hợp sử dụng nhà máy thủy điện nhà máy nhiệt điện Bớn thuật tốn phổ biến xem xét cho thấy kết khác Kết cho thấy thuật toán CSA phương pháp tốt trường hợp kiểm chứng, thuật tốn BA PSO hiệu đối với lưới IEEE 30-bus lưới 118-bus Đới với lưới 30-bus thuật tốn PSO cho tỉ lệ thành cơng thấp thuật tốn, nhiên xét tính kinh tế thơng qua chi phí thuật tốn tớt so với thuật tốn DE BA Đới với lưới 118-bus có thể coi giải thuật tiến hóa vi phân đàn dơi cho thấy hết không chênh lệnh nhau, kết giải thuật tiến hóa vi phân đưa chi phí nhỏ nên sẽ có lợi giải thuật đàn dơi Bớn thuật tốn khảo sát báo chứng tỏ tính hiệu tính tốn tới ưu kỹ thuật kinh tế hệ thống kết hợp thủy điện nhiệt điện, đóng góp làm nâng cao hiệu vận hành hệ thống phát điện kết hợp ở Việt Nam Lời cảm ơn Bài báo sản phẩm đề tài Cấp Bộ mã số B2020-SPK-02 tài trợ Bộ Giáo dục Đào tạo Việt Nam Xin cảm ơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phớ Hồ Chí Minh chủ trì hỗ trợ cho đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] M Basu, “Multi-area dynamic economic emission dispatch of hydro-wind-thermal power system”, Renewable Energy Focus, Vol 28, pp 11-35, March 2019 DOI: 10.1016/j.ref.2018.09.007 B Ming, P Liu, L Cheng, Y Zhou, and X Wang, “Optimal daily generation scheduling of large hydro–photovoltaic hybrid power plants”, Energy Conversion and Management, Vol 171, pp 528-540, September 2018 DOI: 10.1016/j.enconman.2018.06.001 D Dhua, S Huang, and Q Wu, “Optimal Power Flow Modelling and Analysis of Hybrid AC-DC Grids with Offshore Wind Power Plant”, Energy Procedia, Vol 141, pp 572-579, December 2017 DOI: 10.1016/j.egypro.2017.11.076 T Dey, “Economic load dispatch for multi-generator systems with units having nonlinear and discontinuous cost curves using gravity search algorithm”, International Journal of Applied Power Engineering, Vol 3, No 3, pp 166-174, December 2014 DOI: 10.11591/ijape.v3.i3.pp166-174 A H Fathima, and K Palanisamy, “Optimization in microgrids with hybrid energy systems – A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol 45, Pages 431-446, May 2015 DOI: 10.1016/j.rser.2015.01.059 K Dasgupta, P KumarRoy, and V Mukherjee, “Power flow based hydro-thermal-wind scheduling of hybrid power system using sine cosine algorithm”, Electric Power Systems Research, Vol 178, 106018, January 2020 DOI: 10.1016/j.epsr.2019.106018 S Lia, W Gong, C Hua, X Yan, L Wang, and Q Gu, “Adaptive constraint differential evolution for optimal power flow”, Energy, Vol 235, 121362, November 2021 DOI: 10.1016/j.energy.2021.121362 Tehzeeb-ul-Hassan, T Alquthami, S E Butt, M F Tahir, and K Mehmood, “Short-term optimal scheduling of hydro-thermal power plants using artificial bee colony algorithm”, Energy Reports, Vol 6, pp 984-992, November 2020 DOI: 10.1016/j.egyr.2020.04.003 Nguyen Trung Thang received his M.Eng and Ph.D degree in electrical engineering from Ho Chi Minh City University of Technology and Education (HCMUTE), Vietnam, in 2010 and 2018 respectively Currently, he is a research and head of power system optimization research group at Faculty Electrical and Electronics Engineering, Ton Duc Thang University He has published over seventy papers including higher than forty ISI papers His research fields are power system optimization, optimization algorithms, and renewable energies Nguyen Ngoc Thiem received the B.Eng degree in electrical engineering from the Ho Chi Minh City University of Technology, Ho Chi Minh City, Vietnam, in 2000 and the M.Eng degree in electrical engineering from the Ho Chi Minh City University of Engineering and Technology, Ho Chi Minh City, Vietnam, in 2015 He is currently working as a Lecturer in Faculty of Electrical Engineering Technology, Industrial University of Ho Chi Minh City, Vietnam His research interest includes the thermal power plants, renewable energy, electricity transmission, and power system stability Le Chi Kien received the B.Eng degree in electrical engineering from Ho Chi Minh City University of Technology and Education, Ho Chi Minh City, Vietnam, in 1997, the M.Eng degree in electrical engineering and the Ph.D degree in energy-environment science from Nagaoka University of Technology, Nagaoka City, Japan, in 2002 and 2005 respectively From 2005 he has worked at Ho Chi Minh City University of Technology and Education, Vietnam and published over 30 journal papers He is presently an associate professor in the Faculty of Electrical and Electronics Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology and Education, Vietnam His research interest includes magnetohydrodynamics, power generation system, power system optimization, optimization algorithms, and renewable energies JTE, Issue 71B, August 2022 55 ... lớn chọn cho thuật toán Bảng với thuật toán CSA sử dụng dân sớ nhỏ thuật tốn khác cho hai hệ thớng Bên cạnh đó, thuật tốn CSA sử dụng 300 vịng lặp tất thuật toán khác sử dụng 400 Các thuật tốn... giải thuật truyền thống với mục tiêu đặt có thể giải điều kiện tính tốn chi phí tới ưu [2-5] Vì lý trên, nghiên cứu báo sẽ áp dụng sớ thuật tốn tìm kiếm Metaheuristic tiêu biểu giải thuật. .. lại xếp hạng Có thể coi thuật tốn DE BA cho kết gần tương đương nhau, thuật tốn DE cho kết chi phí nhỏ nên sẽ có lợi thuật tốn BA Bảng Kết tính tốn cho hệ thống IEEE 118-bus Thuật tốn Chi