Tái cấu trúc lưới điện phân phối để giảm tổn thất công suất tác dụng sử dụng giải thuật cá voi woa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN CHÁNH TRỰC TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ĐỂ GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG SỬ DỤNG GIẢI THUẬT CÁ VOI WOA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN SKC007494 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN CHÁNH TRỰC TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ĐỂ GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG SỬ DỤNG GIẢI THUẬT CÁ VOI WOA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS TS TRƯƠNG VIỆT ANH Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: NGUYỄN CHÁNH TRỰC Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17-04-1993 Nơi sinh: TP.HCM Quê quán: TP.HCM Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 5/24 Hà Huy Giáp, Thạnh Xuân, Q.12, TPHCM Điện thoại quan: 0985308193 Điện thoại nhà riêng: Fax: E-mail: chanhtruc174@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ: 9/ 2011 đến 9/ 2015 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Bãi giữ xe thông minh sử dụng PLC Siemens S7-300 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 28/07/2015 & Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 10 năm 2017 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Chánh Trực ii LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn đến tất quý Thầy, Cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM trang bị cho kiến thức bổ ích tồn khố học tạo điều kiện, hỗ trợ cho tơi q trình học tập thực luận văn Đặc biệt, xin trân trọng bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến Thầy, PGS.TS Trương Việt Anh – người trực tiếp hướng dẫn anh Ths Nguyễn Thanh Thuận – người hỗ trợ tơi suốt q trình thực Luận văn tốt nghiệp Ngồi ra, tơi xin chân thành cám ơn đến bạn bè gia đình tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Nguyễn Chánh Trực iii TĨM TẮT Hệ thống lưới điện phân phối đóng vai trị quan trọng việc cung cấp điện đến hộ tiêu thụ Vì lý kỹ thuật, ln vận hành theo kiểu hình tia, thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy trình cung cấp điện Theo thống kê Điện lực Việt Nam tổng tổn thất điện khoảng từ 10-15% sản lượng điện sản xuất, lưới điện phân phối chiếm 5-7% Do đó, cơng ty điện lực ln mong muốn nghiên cứu, tìm biện pháp giảm tổn thất công suất lưới điện phân phối Đó vấn đề cấp bách, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích kinh tế Mục tiêu nghiên cứu tìm cấu trúc lưới điện phân phối theo hình tia tối ưu cho mục đích giảm tổn thất công suất tác dụng – sử dụng giải thuật tối ưu cá voi (WOA), nhằm giúp tăng lợi ích kinh tế cho doanh nghiệp bao gồm doanh nghiệp bán điện (EVN), doanh nghiệp sản xuất, dịch vụ, thương mại nhân dân iv ABTRACT Power distribution systems play an important role in providing electricity to consumers For technical reasons, it is always operated under radial configuration, although it is designed in a loop pattern to increase the reliability of the power supply According to the statistics of the EVN, the total power loss is about 1015% of electricity production, of which distribution networks account for 5-7% Therefore, power companies always want to research, find measures to reduce power losses on the distribution grid It is a matter of urgency, promising to bring many economic benefits The objective of the study was to find the optimal distribution grid structure for the purpose of minimizing power loss effects - using the whale optimization algorithm (WOA), to increase the economic benefits for the enterprises These include EVN, manufacturing, service, trade and people MỤC LỤC Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách chữ viết tắt vi Danh sách hình vii Danh sách bảng viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN…………… ……………………………… .1 1.1 Tính cấp thiết luận văn… 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ luận văn 1.3 Phạm vi nghiên cứu………………… 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Điểm luận văn……… 1.6 Giá trị thực tiễn……………………………………… …………3 1.7 Bố cục luận văn……… CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT…………… 2.1 Đặc điểm lưới điện phân phối 2.1.1 Ảnh hưởng đến tiêu kinh tế-kỹ thuật hệ thống điện 2.1.2 Cấu trúc lưới điện .………… 2.2 Thực trạng lưới phân phối Việt Nam 2.3 Các toán tái cấu trúc lưới điện 10 2.4 Tổng quan phương pháp để tái cấu trúc để giảm tổn thất cho lưới điện phân phối………………… 11 2.4.1 Giải thuật Merlin Back – kỹ thuật vịng kín 11 2.4.2 Giải thuật Civanlar cộng – kỹ thuật đổi nhánh 12 v 2.4.3 Giải thuật di truyền (Genetic algorithm - GA) 13 2.4.4 Giải thuật đàn kiến (Ant colony algorithm - ACS) 15 2.4.5 Phương pháp hệ thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network-ANN) 18 2.4.6 Hệ chuyên gia……………… 18 2.4.7 Phương pháp tìm kiếm TABU (Tabu Search Method - TS) 19 2.4.8 Phương pháp bầy đàn ( Particle Swarm Method - PSO) 21 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐỀ NGHỊ …………… 24 3.1 Xây dựng hàm mục tiêu 24 3.1.1 Hàm mục tiêu …………………………… 24 3.1.2 Các điều kiện ràng buộc……………… ……………………………… 26 3.1.3 Các giả thiết ban đầu ………………… …………………………… 27 3.2 Giới thiệu giải thuật…… 27 3.2.1 Cơ chế bao vây mồi… 28 3.2.2 Phương pháp công bubble-net (exploitation phase)… 29 3.2.3 Tìm kiếm mồi (exploration phase…… 31 3.3 Đánh giá giải thuật WOA…… 37 3.3.1 Đánh giá khả khai thác……………………………… 37 3.3.2 Đánh giá khả tìm kiếm……………………………… 37 3.3.3 Khả khỏi cực trị địa phương…………………… 39 3.3.4 Phân tích độ hội tụ………………………………………… 41 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG……………………………… …43 4.1 Lưới điện nguồn 16 nút 43 4.2 Lưới điện nguồn 33 nút……… 47 4.3 Lưới điện nguồn 69 nút… 50 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN……………………………………………… 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Nhóm chữ viết tắt Định nghĩa TCTLĐ Tái cấu trúc lưới điện LĐPP Lưới điện phân phối DS (Distance Switch) Dao cách ly LBS (Load Breaker Swich) Máy cắt phụ tải GA (Genetic Algorithm) Giải thuật di truyền ACS (Ant Colony Algorithm) Giải thuật đàn kiến ANN (Artificial Neural Network) Phương pháp hệ thần kinh nhân tạo Phương pháp tìm kiếm TS (Tabu Search Method) TABU PSO ( Particle Swarm Method) Phương pháp bầy đàn WOA (Whale Optimization Algorithm) Giải thuật cá voi DFA (Dragonfly Algorithm) Giải thuật chuồn chuồn vi 4.2 LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI NGUỒN 33 NÚT Hệ thống phân phối 33 nút, bao gồm 37 nhánh, 32 phân đoạn chuyển mạch khóa điện Baran Thơng số lưới điện trình bày Bảng 4.4 Sơ đồ đơn tuyến trình bày hình 4.3 Tổng cơng suất thực của tải công suất phản kháng hệ thống tương ứng 3,72 MW 2.3 MVAR Ở điều kiện vận hành bình thường khóa mở S33, S34, S35, S36 S37 20 21 35 10 11 10 13 37 14 13 34 14 29 26 25 26 27 27 30 30 31 15 15 16 29 29 28 9 25 24 12 24 23 33 11 23 22 20 22 12 18 19 21 19 18 17 17 16 32 33 36 31 32 Hình 4.3 Lưới điện nguồn 33 nút Bảng 4.4 Dữ liệu hệ thống thông số cho LĐPP nguồn 33 nút Nhánh Nút Nút đầu cuối R (Ω) X (Ω) Dòng điện Nút định mức P Q (MW) (MVAr) (A) 1 0.0922 0.0477 255 0 2 0.4930 0.2511 255 0.1 0.06 3 0.3660 0.1840 255 0.09 0.04 4 0.3811 0.1941 255 0.12 0.08 5 0.8190 0.0700 255 0.06 0.03 47 Nhánh Nút Nút đầu cuối R (Ω) X (Ω) Dòng điện Nút định mức P Q (MW) (MVAr) (A) 6 0.1872 0.6188 255 0.06 0.02 7 1.7114 1.2351 255 0.2 0.1 8 1.0300 0.7400 255 0.2 0.1 9 10 1.0400 0.7400 255 0.06 0.02 10 10 11 0.1966 0.0650 255 10 0.06 0.02 11 11 12 0.3744 0.1238 255 11 0.045 0.03 12 12 13 1.4680 1.1550 255 12 0.06 0.035 13 13 14 0.5416 0.7129 255 13 0.06 0.035 14 14 15 0.5910 0.5260 255 14 0.12 0.08 15 15 16 0.7463 0.5450 255 15 0.06 0.01 16 16 17 1.2890 1.7210 255 16 0.06 0.02 17 17 18 0.7320 0.5740 255 17 0.06 0.02 18 19 0.1640 0.1565 255 18 0.09 0.04 19 19 20 1.5042 1.3554 255 19 0.09 0.04 20 20 21 0.4095 0.4784 255 20 0.09 0.04 21 21 22 0.7089 0.9373 255 21 0.09 0.04 22 23 0.4512 0.3083 255 22 0.09 0.04 23 23 24 0.8980 0.7091 255 23 0.09 0.05 24 24 25 0.8960 0.7011 255 24 0.42 0.2 25 26 0.2030 0.1034 255 25 0.42 0.2 26 26 27 0.2842 0.1447 255 26 0.06 0.025 27 27 28 1.0590 0.9337 255 27 0.06 0.025 28 28 29 0.8042 0.7006 255 28 0.06 0.2 29 29 30 0.5075 0.2585 255 29 0.12 0.07 30 30 31 0.9744 0.9630 255 30 0.2 0.6 48 Nhánh Nút Nút đầu cuối R (Ω) X (Ω) Dòng điện Nút định mức P Q (MW) (MVAr) (A) 31 31 32 0.3105 0.3619 255 31 0.15 0.07 32 32 33 0.3410 0.5302 255 32 0.21 0.1 33 21 2.0000 2.0000 255 33 0.06 0.04 34 15 2.0000 2.0000 255 35 12 22 2.0000 2.0000 255 36 18 33 0.5000 0.5000 255 37 25 29 0.5000 0.5000 255 Bảng 4.5 Kết tính tốn LĐPP nguồn 33 nút 20 lần chạy Mục Ban đầu Tái cấu hình Khóa điện mở 33 34 35 36 37 14 32 37 Tổn thất công suất (kW) 202.6863 139.5543 Điện áp thấp (pu) 0.9131 0.9378 Thời gian tính tốn (giây) - 37.071 Giá trị nhỏ hàm mục tiêu - 139.5543 Giá trị trung bình hàm mục tiêu - 143.6216 Vịng lặp hội tụ trung bình - 22.45 Số lần hội tụ tồn cục - 3/20 49 Hình 4.4 Đường đặc tính hội tụ WOA LĐPP nguồn 33 nút Bảng 4.6 So sánh kết LĐPP nguồn 33 nút WOA, PSO[11], GA[7] Khóa mở Tổn thất cơng Ban đầu WOA PSO GA 33 34 35 14 32 14 28 14 32 36 37 37 32 37 202.6863 139.5543 138.9 139,532 - 31,15% 31,8% 31,16% suất (kW) Phần trăm sau tái cấu trúc 4.3 LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI NGUỒN 69 NÚT Mạng 69 nút bao gồm 69 nút, 73 nhánh, khóa thường mở tổng công suất phụ tải 3.802 + j 3.696 MW Sơ đồ đơn tuyến trình bày Hình 4.5 thơng số hệ thống cho Bảng 4.7 Trong điều kiện vận hành bình thường khóa điện {69, 70, 71, 72 73} mở 50 28 29 30 31 32 33 34 35 47 48 49 50 53 54 55 56 57 58 60 61 62 63 64 65 59 66 67 10 11 68 36 14 15 16 17 18 19 20 12 13 22 23 24 25 26 21 69 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 Hình 4.5 Sơ đồ mạng nguồn 69 nút Bảng 4.7 Thông số nhánh nút mạng nguồn 69 nút 51 27 52 53 54 Mục Ban đầu Tái cấu hình Khóa điện mở 69 70 71 72 73 69 70 14 58 61 Tổn thất công suất (kW) 224.8871 98.5875 Điện áp thấp (pu) 0.9092 0.9495 Thời gian tính toán (giây) - 87.9797 Giá trị nhỏ hàm mục - 98.5875 - 111.9845 Vịng lặp hội tụ trung bình - 27.55 Số lần hội tụ toàn cục - 1/20 tiêu Giá trị trung bình hàm mục tiêu Bảng 4.8 Kết tính tốn LĐPP nguồn 69 nút 20 lần chạy Hình 4.6 Đường đặc tính hội tụ WOA LĐPP nguồn 69 nút 55 Bảng 4.9 So sánh kết LĐPP nguồn 69 nút WOA, B-PSO [10], GA[9], PGSA [9] Khóa mở Tổn thất Ban đầu WOA B-PSO GA PGSA 69 70 71 69 70 14 14 58 61 18 14 69 70 14 72 73 58 61 69 70 58 63 56 61 224,8871 98,5875 98,5952 108,40 99,63 56,17% 51,15% 55,52% công suất (kW) Phần trăm - 56,16% sau tái cấu trúc Kết luận: Qua lưới điện mẫu 16 nút, 33 nút 69 nút WOA mô cho kết tốt so sánh với giải thuật tiếng khác PSO, GA, B-PSO… Tuy nhiên, xét tổng thể tiêu chí thời gian tính tốn, tỉ lệ số lần hội tụ tồn cục WOA cho thấy điểm yếu Ở lưới điện phức tạp, WOA có thời gian tính tốn nhiều tỉ lệ hội tụ tồn cục thấp Có lẽ WOA giải thuật tiềm năng, để đánh giá xem WOA có phù hợp với toán tái cấu trúc lưới khác hay không, ta cần thử nghiệm nhiều 56 CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 KẾT LUẬN Luận văn tiếp cận toán tái cấu trúc lưới điện phân phối với mục tiêu giảm tổn thất công suất tác dụng Giải pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối giải giải thuật tối ưu cá voi WOA Giải thuật cá voi giải thuật mới, cho thấy khả ứng dụng vào toán tái cấu trúc lưới điện phân phối với thơng số phù hợp với tốn kết tốt thơng qua số tốn chấm điểm Kết mô lưới điện mẫu nguồn 16 nút, nguồn 33 nút 69 nút tốt cho kết tương đương, chí tốt so với giải thuật tiếng khác PSO, GAs Tuy nhiên WOA lại cho thấy hạn chế mô lưới điện phức tạp 33 nút 69 nút - số lần hội tụ tồn cục thấp thời gian tính tốn lâu Nếu xem xét tồn diện giải thuật WOA chưa thật mạnh cần nhiều thời gian để nghiên cứu, thử nghiệm để chứng minh khả tốn tái cấu trúc lưới 5.2 NHỮNG HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.2.1 Những hạn chế Mặc dù cố gắng, thời gian kiến thức cịn hạn hẹp dẫn đến đề tài có hạn chế sau: ➢ Chưa xem xét đến độ tin cậy phần tử bảo vệ cho hệ thống điện cầu chì, dao cách ly, máy cắt….và phần tử khác góp ➢ Nguồn điện (trạm biến áp trung gian) coi có độ tin cậy tuyệt đối, điều không với thực tế ➢ Đường dây xem vận hành bình thường, khơng bị tải 57 5.2.2 Đề xuất hướng phát triển đề tài Ứng dụng giải thuật WOA vào toán tái cấu trúc lưới điện phân phối với hàm mục tiêu khác Xem xét tốn góc độ đa dạng hơn, chẳng hạn xem xét kỹ ảnh hưởng tuổi thọ thiết bị, vị trí máy phát phân tán lưới, ảnh hưởng thực tế phụ tải đến độ tin cậy Sau cùng, cố gắng, song thời gian nghiên cứu trình độ cịn hạn chế, luận văn chắn có nhiều thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp hội đồng, q thầy bạn học viên để luận văn tăng thêm giá trị khoa học thực tiễn Xin chân thành cảm ơn 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.Merlin and H Back, “Search for a minimal-loss operating spanning tree configuration in an urban power distribution system”, Proc 5th Power System Computation Conference (PSCC), Cambridge, UK, 1975, pp.1-18 [2] D.Shirmohammadi and H W Hong, “Reconfiguration of electric distribution for resistive line loss reduction”, IEEE Trans Power Del., vol 4, no 2, pp 1492–1498, Apr 1989 [3] S.Civanlar, J J Grainger,H.Yin, and S S H Lee, “Distribution feeder reconfiguration for loss reduction,” IEEE Trans Power Del., vol 3, no.3, pp 1217–1223, Jul 1988 [4] Seyedali Mirjalili, Andrew Lewis, “The Whale Optimization Algorithm” , School of Information and Communication Technology, Griffith University, Nathan Campus, Brisbane, QLD4111, Australia b Griffith College, Mt Gravatt, Brisbane, QLD 4122, Australia; ©2016 Elsevier Ltd All rights reserved [5] Haider J.Touma, “Study of The Economic Dispatch Problem on IEEE 30Bus System using Whale Optimization Algorithm”, University of Technology, Iraq, INTERNATIONAL JOURNAL OF ENGINEERING TECHNOLOGY AND SCIENCES (IJETS) Vol.5 [6] Hồ Đắc Lộc, “Ứng Dụng Giải Thuật Di Truyền Tái Cấu Trúc Lưới Điện”, Trường đại học Kỹ thuật Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh, Tạp chí phát triển KH&CN, tập 15, số K2-2012 [7] Jizhong Zhu, “Optimization of Power System Operation”, Copyright © 2009 Institute of Electrical and Electronics Engineers, Chapter 12, pp.503-543 [8] Kennedy J, Eberhart R Particle swarm optimization In: Proceedings of the 1995 IEEE international conference on neural networks; 1995 p 1942–8 59 [9] P V V Rama Rao and S Sivanagaraju, “Radial Distribution Network Reconfiguration for Loss Reduction and Load Balancing using Plant Growth Simulation Algorithm”, International Journal on Electrical Engineering and Informatics - Volume 2, Number 4, 2010 [10] Abdullahi B Kunya, Gaddafi S Shehu, Adamu Y Ilyasu, Sunusi G Mohammed, “Distribution Network Reconfiguration for Loss Reduction and Voltage Profile Improvement Using B-PSO” [11] Anh Viet Truong, Thuan Thanh Nguyen, Linh Tung Nguyen, Cat Thuong Pham, “Comparison between Continuous Genetic Algorithms and Particle Swarm Optimization for distribution network reconfiguration” [12] Dong-Li Duan , Xiao-Dong Ling , Xiao-Yue Wu , Bin Zhong, “Reconfiguration of distribution network for loss reduction and reliability improvement based on an enhanced genetic algorithm” 60 S K L 0 ... tổn thất công suất tác dụng 1.5 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN Đề xuất giải thuật việc tái cấu trúc lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng dựa giải thuật tối ưu cá voi (WOA) Sử dụng giải. .. PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN CHÁNH TRỰC TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ĐỂ GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG SỬ DỤNG GIẢI THUẬT CÁ VOI WOA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN -... cấu trúc tối ưu dừng Phương pháp thích hợp để giải tốn tái cấu trúc để tìm cấu trúc mạng phân phối có cấu trúc có cơng suất tổn thất nhỏ Các bước để tạo giải thuật kiến áp dụng cho toán tái cấu