A STUDY ON EFFECT OF DISTRIBUTED GENERATION ON THE RECONFIGURATION OF ELECTRICITY DISTRIBUTION NETWORKS

A STUDY ON EFFECT OF DISTRIBUTED GENERATION ON THE RECONFIGURATION OF ELECTRICITY DISTRIBUTION NETWORKS 56 Nguyễn Tùng Linh, Trương Việt Anh, Nguyễn Thanh Thuận CẢI TIẾN THUẬT TOÁN DI TRUYỀN ÁP DỤNG C[.]

Nguyễn Tùng Linh, Trương Việt Anh, Nguyễn Thanh Thuận 56 CẢI TIẾN THUẬT TOÁN DI TRUYỀN ÁP DỤNG CHO BÀI TỐN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN CĨ XÉT ĐẾN VỊ TRÍ VÀ CƠNG SUẤT CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN KẾT NỐI VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI IMPROVEMENT OF GENETIC ALGRITHM FOR DISTRIBUTION NETWORK RECONFIGURATION PROBLEM WITH THE POSITION AND POWER CAPACITY OF DISTRIBUTER CONNECTOR GIRD Nguyễn Tùng Linh1, Trương Việt Anh2, Nguyễn Thanh Thuận3 Trường Đại học Điện lực; linhnt@epu.edu.vn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh; tvanhspkt@gmail.com Trường Cao đẳng nghề Cơng nghệ cao Đồng An Tóm tắt - Trong tương lai nguồn lượng từ nguồn điện phân tán (Distributed generation - DG) đóng vai trị quan trọng lưới điện phân phối Việc kết nối DG vào lưới điện phân phối giúp nâng cao độ tin cậy khả cung cấp điện, giảm tổn thất trình tuyền tải điện Tuy nhiên, địi hỏi cấu hình lưới hợp lý để nâng cao hiệu cung cấp điện sử dụng hiệu nguồn điện phân tán Do báo này, nhóm tác giả đề xuất phương pháp xác định vị trí cơng suất nguồn điện phân tán có xét đến tốn tái cấu trúc lưới điện với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất tác dụng Phương pháp đề xuất kiểm tra lưới điện mẫu IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) so sánh với kết nghiên cứu khác Abstract - In the future, clean energy resources from distributed generation (DG) will play an important role in electrical distribution networks Location and size of the distributed generators (DGs) and the number of DGs in distribution network system affect distribution network configuration in normal operating conditions and restoration conditions from faults So, in this article, the authors propose using genetic algorithms to determine the location and capacity of scattered power considering the reconstruction problem of distribution network with the objective of reducing power losses The proposed is tested on IEEE electric grid and compared with the results of other studies Từ khóa - lưới điện phân phối; tái cấu trúc; thuật toán gen; nguồn điện phân tán; giảm tổn thất điện Key words - electrical distribution network; reconfiguration; genetic algorithms; distributed generation; power loss reduction Giới thiệu Cấu trúc hệ thống điện truyền thống có dạng dọc, mạng phân phối nhận điện từ lưới truyền tải truyền tải phụ sau cung cấp đến hộ tiêu thụ điện Mạng lưới phân phối có cấu trúc hình tia dạng mạch vịng vận hành trạng thái hở Dịng cơng suất trường hợp đổ từ hệ thống thông qua mạng phân phối cung cấp cho phụ tải Vì vậy, việc truyền tải điện từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ sinh tổn hao lưới truyền tải mạng phân phối (khoảng 10 - 15% tổng công suất hệ thống) Với cấu trúc lưới phân phối nay, có tham gia DG, dịng cơng suất khơng đổ từ hệ thống truyền tải mà lưu thông phần mạng phân phối với nhau, chí đổ ngược lưới truyền tải Cấu trúc gọi cấu trúc ngang Với cấu trúc ngang có tham gia DG, lưới điện phân phối (LĐPP) thực tốt nhiệm vụ cung cấp lượng điện đến hộ tiêu thụ đảm bảo chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện số yêu cầu an toàn giới hạn cho phép Đồng thời mang lại nhiều lợi ích khác như: giảm tải lưới điện, cải thiện điện áp, giảm tổn thất công suất điện năng, hỗ trợ lưới điện Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu tốn tái cấu hình LĐPP với hàm mục tiêu giảm tổn thất lưới điện có kết nối với nhiều DG khơng có kết nối DG, nhiên vị trí dung lượng DG cho trước Các phương pháp chủ yếu dựa đề xuất Merlin Back [3] - giải tốn thơng qua kỹ thuật heuristic rời rạc nhánh - biên, Civanlar cộng [4] - phương pháp trao đổi nhánh hay phương pháp heuristic meta-heuristic GA, PSO, CSA sử dụng để giải toán Trong đó, tốn có xét đến vị trí dung lượng DG xét LĐPP hình tia khơng có biến đổi cấu hình LĐPP đề cập nghiên cứu [8-14] Điều không giải trọn vẹn tốn đặt DG có thay đổi cấu hình lưới, vị trí DG không phù hợp để phát huy khả ổn định điện áp giảm tổn thất hay việc bơm công suất lớn DG gây tổn hao lớn LĐPP, gây xung đột lợi ích điện lực lợi ích khách hàng Việc kết hợp hai tốn vị trí dung lượng DG với toán tái cấu trúc LĐPP [15-17] giải hai mục tiêu tính kinh tế tận dụng tối đa cơng suất DG, đồng thời đảm bảo hàm mục tiêu giảm tổn thất cơng suất lưới tốn tái cấu trúc nhỏ nhất, việc nghiên cứu cần thiết Bài báo tiếp cận tốn xác định vị trí cơng suất DG LĐPP có xét đến tốn tái cấu hình vận hành lưới điện với mục tiêu giảm tổn thất công suất tác dụng thỏa mãn công suất bơm vào lưới khách hàng Giải pháp xác định vị trí cơng suất DG tối ưu xác định cấu hình vận hành thực hai giai đoạn với thuật toán di truyền (GA - Genetic Algorithm) Trong đó, giai đoạn thứ sử dụng GA xác định vị trí công suất tối ưu máy phát phân tán LĐPP kín (đóng tất khóa điện); Giai đoạn thứ hai, giải thuật di truyền sử dụng để xác định cấu trúc ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 vận hành hở tối ưu hệ thống Kết toán so sánh với nghiên cứu [12-15], cho thấy tính hiệu giải pháp đề xuất Mơ hình tốn tái cấu trúc có xét đến kết nối nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối 2.1 Mơ hình tốn học tốn Xét LĐPP đơn giản Hình Với vị trí có lắp DG cho phép khơng làm tính tổng qt mơ tả tất trường hợp vị trí khóa mở vị trí DG Hàm tổn thất công suất tác dụng P LĐPP Hình viết biểu thức (1), dịng điện nhánh LĐPP Hình biểu diễn thành thành phần Hình 2: Inhanh  IP  IQ Để mô tả hàm số P, phụ thuộc vào lượng cơng suất chuyển tải hay dịng cơng suất chuyển tải, sử dụng kỹ thuật bơm vào rút khoá điện mở nhánh MN dịng điện có giá trị IMN Hình 57 Tổn hao cơng suất LĐPP sau tái cấu trúc: n   IMN  R   I  IDG  IDG P  i PC i   Pi PA i  OA 2 n  n   DG  IMN  R    I  Ibu  Ibu  IMN  R    IPi  IPC  P QA QC Q Qi i i    i 1  i 1 i  OA i  ABC 2 n n      I  IDG  IMN  R    I  IMN  R QC Q  i i   Pi P   Qi i 1 Psau  i  ABC n  n     I  IMN  R   Q Qi i i 1  i 1  i  CN  DG  IPi  IPL   IMN  R P  i i  CN i  OL 2 n  n     I  IDG  IMN  R    I  IMN  R P QL Q Qi i Pi i     i 1 i 1 i  OL i  LM 2 n        I  IMN  R   IMN  R   IMN  R P MN MN Q Q Qi i      i 1  (2) i  LM Khi đó, tốn xác định khóa mở trở thành tốn xác định giá trị bơm vào rút P j, Qj để tổn thất công suất tác dụng bé Hay biểu diễn tốn trở thành tìm I MN I QMN P để giá trị P lưới điện Hình đạt cực tiểu thì: Psau Psau  0 MN I P IQMN Hình LĐPP hở có nguồn DG Iq n Psau DG MN    IPi  IDG Ri PA  I PC  I P MN IP i 1   iOA Inhánh  Iqnhánh MN  IPi  IPMN R i R i  i   IPi  IDG PC  I P i 1 n n iABC n  Ip Ipnhánh Hình Hai thành phần dòng điện nhánh  IPi  IQG PL i 1 iOL sau  IPMN R i  iCN n   IPi  IPMN R i  IPMN R MN  i 1 iLM n P bu bu MN    IQi  IQA  IQC  IQ Ri MN IQ i 1   iOA  bu MN  IQ R i  i  IQi  IQMN R i   IQi  IQC i 1 n n iABC n  i 1 iOL  bu IQi  IQL MN  IQ R i  iCN n   IQi  IQMN R i  IQMN R MN  i 1 iLM Giải 𝐼𝑃𝑀𝑁 = 𝑅𝐿𝑜𝑜𝑝 Hình Dịng IPMN IQMN rút bơm vào khố MN Tổn hao cơng suất LĐPP trước tái cấu hình lưới: 2 n n   P truoc    I  IDG  IDG  R    I  IDG  IDG  R PA PC QA QC Pi i Qi    i i 1 i 1  i  OA i  OA 2 n  n n n       I  IDG  R    I  IDG  R   I2 R   I2 R PC QC Pi i i  Qi i  i i 1  Qi  i i 1 i   Pi i  ABC i  ABC i  CN i  CN 2 n  n n n      I  ID  R    I  IDG  R   I2 R   I2 R i   Pi PL  i i   Qi QL  i i  Pi i i  Qi i i  OL i  OL i  LM i  LM (1) [∑𝑛𝑖=1 𝐼𝑃𝑖 𝑅𝑖 − ∑𝑛𝑖=1 𝐼𝑃𝑖 𝑅𝑖 ] + 𝑖∈𝑂𝑀 [𝐼𝐷𝐺 𝑅𝐿𝑜𝑜𝑝 𝑃𝐴 𝐼𝑄𝑀𝑁 = 𝑅𝐿𝑜𝑜𝑝 ∑𝑛𝑖=1 𝑅𝑖 𝑖∈𝑂𝐴 𝑖∈𝑂𝑁 + 𝐷𝐺 𝐼𝑃𝐶 𝐷𝐺 ∑𝑛 ∑𝑛𝑖=1 𝑅𝑖 − 𝐼𝑃𝐿 𝑖=1 𝑅𝑖 ] 𝑖∈𝑂𝐶 (3) 𝑖∈𝑂𝐿 [∑𝑛𝑖=1 𝐼𝑄𝑖 𝑅𝑖 − ∑𝑛𝑖=1 𝐼𝑄𝑖 𝑅𝑖 ] + 𝑖∈𝑂𝑀 [𝐼𝐷𝐺 𝑅𝐿𝑜𝑜𝑝 𝑄𝐴 𝑖∈𝑂𝑁 𝐷𝐺 ∑𝑛 𝐷𝐺 𝑛 ∑𝑛𝑖=1 𝑅𝑖 + 𝐼𝑄𝐶 𝑖=1 𝑅𝑖 − 𝐼𝑄𝐿 ∑ 𝑖=1 𝑅𝑖 ] (4) 𝑖∈𝑂𝐴 𝑖∈𝑂𝐶 𝑖∈𝑂𝐿 Biểu thức (3) (4) cho thấy việc đặt DG vào LĐPP làm vị trí khóa mở thay đổi giá trị I PMN IQMN thay đổi có DG Điều cho thấy việc đặt DG tối ưu LĐPP hình tia xét đến tốn tái cấu hình LĐPP khơng phù hợp Từ nhận xét trên, tác giả đề xuất trình tự giải tốn xác định vị trí dung lượng DG bước sau: Nguyễn Tùng Linh, Trương Việt Anh, Nguyễn Thanh Thuận 58 • Đóng tất khóa điện tạo thành LĐPP kín Điều chỉnh điện áp tất nguồn (trạm biến áp cấp cho LĐPP) có giá trị • Tối ưu vị trí cơng suất nguồn phân tán lưới điện kín sử dụng thuật tốn tối ưu cho tổn thất cơng suất bé • Tối ưu cấu trúc vận hành lưới điện phân phối sử dụng thuật toán tối ưu cho tổn thất công suất hệ thống bé 2.2 Hàm mục tiêu điều kiện ràng buộc Tổn thất công suất hệ thống tổng tổn thất nhánh Nbr Nnr Ploss = ∑ k i ∆Pi = ∑ k i R i |Ii i=1 i=1 Nbr |2 = ∑ kiRi i=1 Pi2 + Q2i Vi2 Trong đó: ΔPi: tổn thất cơng suất tác dụng nhánh thứ i; Nbr: tổng số nhánh; Pi, Qi: công suất tác dụng, công suất phản kháng nhánh thứ I; Vi, Ii: điện áp nút kết nối nhánh dòng điện nhánh thứ I; Ploss: tổn thất công suất tác dụng hệ thống; ki: trạng thái của khóa điện, ki = khóa điện thứ i mở ngược lại Điều kiện ràng buộc Phương pháp đề xuất chia làm giai đoạn, điều kiện ràng buộc chia sau: Giai đoạn 1: Xác định vị trí công suất nguồn phân tán Giai đoạn 2: Xác định cấu trúc vận hành tối ưu lưới điện Đối với giai đoạn 1, cần thỏa mãn ràng buộc sau: Giới hạn công suất phát máy phát phân tán: PDGi,min ≤ PDG,i ≤ PDGi,max , với i = 1, 2, … , NDG Giới hạn dòng điện nhánh điện áp nút |Ii | ≤ Ii,max , với i = 1, 2, … , Nbus Vi,min ≤ |Vi | ≤ Vi,max , với i = 1, 2, … , Nbus Đối với giai đoạn 2, bên cạnh việc phải thỏa mãn ràng buộc liên quan đến điện áp nút dòng điện nhánh phải nằm giới hạn cho phép, ràng buộc cấu trúc lưới hình tia ràng buộc quan trọng tốn nhằm tìm cấu trúc vận hành hình tia LĐPP Đề xuất phương pháp sử dụng giải thuật di truyền cho toán tái cấu trúc có xét đến nguồn phân tán 3.1 Giải thuật di truyền Trong giai đoạn 2, thuật toán di truyền sử dụng để tối ưu biến điều khiển Các bước thuật toán giải thuật di truyền thực sau: (1) Khởi tạo quần thể: Với biến điều khiển cho trước X, chọn ngẫu nhiên quần thể nhiễm sắc thể 𝑝 (NST) {𝑋01 , 𝑋02 , … , 𝑋0 } NST 𝑋0𝑖 thể chuỗi mã nhị phân hay số liên tục Khi đó, NST tương ứng với giá trị hàm mục tiêu 𝑓(𝑋0𝑖 ), quần thể tương ứng với tập giá trị hàm mục tiêu 𝑝 {𝑓(𝑋01 ), 𝑓(𝑋02 ), … , 𝑓(𝑋0 )} Đặt hệ k = 0, di chuyển đến bước (2) Lựa chọn: Chọn cặp NST từ quần thể cha mẹ Thơng thường, NST với độ thích nghi lớn có xác suất lựa chọn lớn (3) Ghép chéo: hoạt động quan trọng thuật tốn Giải thuật di truyền Mục đích ghép chéo, để trao đổi thông tin đầy đủ nhiễm sắc thể (NST) Có nhiều phương pháp ghép chéo, ghép chéo điểm ghép chéo đa điểm (4) Đột biến: hoạt động quan trọng khác thuật toán di truyền Các đột biến tốt giữ lại, đột biến xấu loại bỏ Thơng thường, NST với độ thích nghi có xác suất lựa chọn lớn Tương tự ghép chéo, có đột biến điểm đa điểm Thực xong bước 2-4, quần thể sinh thay cho hệ cha mẹ với số NST loại bỏ số NST xấu Quần thể đánh giá hàm thích nghi Nếu điều kiện hội tụ thỏa mãn, thuật toán dừng lại ngược lại thuật toán quay lại bước tiếp tục thực bước 3.2 Mã hóa biến giai đoạn Giai đoạn 1: Các biến cần tối ưu vị trí cơng suất máy phát điện phân tán, véctơ biến điều khiển có dạng sau: 𝑖 𝑋𝑖 = [𝑉𝑇1𝑖 , … , 𝑉𝑇𝑚𝑖 , 𝐷𝐺1𝑖 , … , 𝐷𝐺𝑚 ] (5) 𝑉𝑇𝑚𝑖 Trong đó, vị trí nút lắp đặt DG nằm giới hạn tất nút hệ thống trừ nút nguồn, 𝑖 m số lượng DG cần lắp đặt, 𝐷𝐺𝑚 công suất DG cần lắp đặt Giai đoạn 2: Các biến cần tối ưu khóa điện mở hệ thống, véctơ biến điều khiển có dạng sau: 𝑖 𝑋𝑖 = [𝑆1𝑖 , 𝑆2𝑖 … , 𝑆𝑁𝑂 ] 𝑖 𝑆𝑁𝑂 (6) Trong đó, khóa điện mở, NO số lượng khóa mở để trì cấu trúc lưới hình tia Lưu đồ giải thuật chi tiết trình bày Hình Phương pháp xác định vị trí cơng suất nguồn phát quy hoạch LĐPP thực sau: Bước 1: Đóng tất khóa điện tạo thành LĐPP kín Bước 2: Sử dụng giải thuật di truyền xác định vị trí cơng suất máy phát điện phân tán LĐPP giảm tổn thất công suất Bước 3: Cập nhật lại thơng số LĐPP có xuất nguồn phân tán vừa xác định Bước 4: Sử dụng giải thuật di truyền xác định cấu trúc vận hành hình tia LĐPP giảm tổn thất cơng suất ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 Đóng khóa điện Chọn thơng số: quần thể N, số biến (vị trí, dung lượng DG), tỉ lệ đột biến Xm, tỉ lệ chọn lọc Xkeep, Số vòng lặp lớn Itermax,1 - Khởi tạo ngẫu nhiên quần thể nhiễm sắc thể N [vị trí DG, , cơng suất DG, ] Giải tốn phân bố cơng suất tính tốn tổn thất công suất cho nhiễm sắc thể - Giữ lại nhiễm sắc thể tốt dựa tỉ lệ chọn lọc Xkeep - Chọn cặp nhiễm sắc thể để ghép chéo Thực ghép chéo sử dụng phương pháp đơn điểm - Thay thể ngẫu nhiên số gen chọn dựa Xm - Kiểm tra giới hạn ràng buộc nhiễm sắc thể Iter1