Áp dụng mô hình Meta Heuristic với thuật toán Firefly cho bài toán tối ưu điều phối Rơle quá dòng

Bài viết Áp dụng mô hình Meta Heuristic với thuật toán Firefly cho bài toán tối ưu điều phối Rơle quá dòng trình bày xác định cài đặt tối ưu cho các rơle trong các kiểu mạng khác nhau bằng cách sử dụng Thuật toán Firefly (FA) và Lập trình tuyến tính (LP) cho việc tìm kiếm tối ưu tham số cài đặt thời gian phối hợp bảo vệ.

Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Số 10/2021 Áp dụng mô hình Meta Heuristic với thuật toán Firefly cho bài toán tối ưu điều phối Rơle quá dòng Applying MetaHeuristic model with Firefly algorithm for overcurrent relay coordination optimization problems Dương Ngọc Hùng1,*, Nguyễn Phước Tín1 Trường Đại học Tiền Giang, 119 Ấp Bắc, Phường 5, Mỹ Tho, Tiền Giang, Việt Nam Thơng tin chung Tóm tắt Ngày nhận bài: 26/05/2021 Ngày nhận kết phản biện: 06/07/2021 Ngày chấp nhận đăng: 15/09/2021 Trong hệ thống điện, tính quan trọng thiết bị bảo vệ hoạt động tình trạng khơng bình thường để đảm bảo cách ly hồn tồn phần khơng có sự cố điện phần bị sự cố điện Chức nhằm đảm bảo độ tin cậy hệ thống điện Để nâng cao độ tin cậy hiệu suất hệ thống điện, điều phối rơle thực với việc cài đặt thời gian hoạt động tới ưu Rơle q dịng sử dụng lưới điện có nhiều nguồn kết nối, rơle dòng có hướng sử dụng hoạt động dịng điện sự cớ chạy theo hướng xác định rơle Mục tiêu báo xác định cài đặt tối ưu cho rơle kiểu mạng khác bằng cách sử dụng Thuật tốn Firefly (FA) Lập trình tuyến tính (LP) cho việc tìm kiếm tới ưu tham sớ cài đặt thời gian phối hợp bảo vệ Kết tối ưu tìm cho hệ thớng thử nghiệm mơi trường matlab Từ khóa: Thuật toán Firefly, Lập trình tuyến tính, Rơle bảo vệ quá dòng, phối hợp bảo vệ, relay bảo vệ Keywords: Firefly Algorithm, Linear Programming, Overcurrent Relays, Coordination, Protection Relays Abstract In an electrical system, the most important feature of protective equipment is to operate under abnormal conditions to ensure the complete isolation between the parts without electrical faults and those with electrical faults This function aims to guarantee the reliability of the electrical system To improve the reliability and performance of the electrical system, relay coordination is conducted with optimal uptime settings Overcurrent relays are used in case the electrical grids have more than one source connected, directional overcurrent relays only operate when fault currents flow in a specified direction of the relays The main objective of this paper is to determine the optimal settings for relays in different network types by using Firefly Algorithm (FA) and Linear Programming (LP) for optimally finding parameters of time settings in coordination with protection Optimal results are found for the systems tested in Matlab environment GIỚI THIỆU Điều phối rơle vấn đề lớn được quan tâm nghiên cứu * lĩnh vực bảo vệ hệ thống điện Để cải thiện tính ổn định tính sẵn sàng hệ thống, hệ thống chuyển tiếp phải tác giả liên hệ, email: duongngochung@tgu.edu.vn, 0903 959 203 -23- No 10/2021 hoạt động theo đặc tính độ tin cậy, độ chọn lọc, độ nhạy, khả phân biệt, tốc độ, v.v để tối ưu hóa thời gian hoạt động Hệ thống rơle phải hoạt động nhanh bất thường xảy lưới điện để đảm bảo thiệt hại cho hệ thống điện cho người tiêu dùng Bảo vệ hệ thống phân phối điện chủ yếu kết hợp với rơle dòng Chức bảo vệ dòng rơle được sử dụng biện pháp bảo vệ dự phòng hệ thống truyền dẫn điện Các rơle được thiết kế để hoạt động nhanh chóng, khơng bị trục trặc, nhờ ngắt mạch cách ly phần bị cố khỏi lưới điện Điều cho thấy tầm quan trọng vấn đề phối hợp rơle Các rơle được điều phối theo cách mà toàn hệ thống sử dụng khả bảo vệ dự phòng để cải thiện hiệu suất độ tin cậy hệ thống Hoạt động tối ưu rơle được xác định cách sử dụng cài đặt thời gian hoạt động tối ưu cho rơle Điều phối rơle được thực theo ba phương pháp khác (I) Điều phối theo thời gian (II) Phối hợp theo cường độ dòng điện (III) Điều phối theo cường độ dòng điện thời gian Trong số phương pháp này, phương pháp cuối được sử dụng để điều phối hiệu rơle nhằm tránh cố ảnh hưởng tới rơle theo thời gian hoạt động cố định được xác định trước Hệ thống rơle Hình 1, rơle bảo vệ (RL1) phải hoạt động nhanh cố F1 vùng bảo vệ Nếu rơle không hoạt động cố vùng, sau thời gian rơle phần lân cận từ phía nguồn Journal of Science, Tien Giang University hoạt động (RL2) Đây được gọi bảo vệ dự phòng [1] Bảo vệ dự phòng hoạt động sau thời gian, được gọi Thời gian phối hợp tối thiểu (MCT Minimum Coordination Time) Thời gian thời gian hoạt động cầu dao, thời gian phát rơ le số số ngẫu nhiên để đảm bảo phân biệt bảo vệ dự phịng Hình Sơ đờ đường dây hình tia Gần [2] xuất báo cho vấn đề với Thuật toán đom đóm - Firefly Kỹ thuật Lập trình tuyến tính được [3-5] thực cấu hình khác tảng mô khác Kỹ thuật lập trình tuyến tính kỹ thuật tối ưu hóa được sử dụng thường xuyên dễ thực Gần [6] xuất báo sử dụng thuật toán Seeker cho vấn đề Thuật toán di truyền được thực tốn để tìm thời gian hoạt động tối ưu cho cấu hình khác [7, 8] Thuật toán đàn ong nhân tạo được thực bởi [9] cho nghiên cứu phối hợp bảo vệ Các Kỹ thuật Tiến hóa khác cụ thể GA lai GANLP lai được áp dụng cho vấn đề tương tự [10, 11] Kỹ thuật NM-PSO được sử dụng để tìm thời gian hoạt động tối thiểu [12] Ý tưởng thuật tốn Meta heuristic lấy cảm hứng từ mục tiêu nói được tham khảo từ [13] để tìm giải pháp tối ưu cho tốn tối ưu hóa -24- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Phân tích bài toán phối hợp bảo vệ rơle Thuật toán được điều chỉnh bởi giả định định cần thiết để thực thuật toán cho nghiên cứu điều phối cách hiệu Những điều làm sở cho số công thức nghiên cứu Các giả định sau: - Tất đom đóm khơng giới tính nên chúng thu hút đom đóm khác khơng xét tới giới tính chúng - Độ hấp dẫn tỷ lệ thuận với độ sáng tỷ lệ nghịch với khoảng cách - Độ sáng được xác định bởi hàm mục tiêu Điều tương đồng với: - Tất rơle được phối hợp có đặc tính - Thời gian hoạt động tỷ lệ nghịch với độ lớn cố tỷ lệ thuận với thời gian hoạt động được cài đặt - Thời gian hoạt động được xác định bởi thông số cài đặt rơle Các công thức được xem xét [13] để hiểu chuyển động đom đóm cho khơng gian tìm kiếm cục tồn cầu 2.2 Phân tích cơng thức 2.2.1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu tìm thời gian tác động tối thiểu để rơle tác động nhanh có cố nhằm tránh hư hỏng mức nhằm nâng cao hiệu suất độ tin cậy hệ thống Để tìm thời gian hoạt động tối thiểu, tốn phối hợp được Số 10/2021 xây dựng dạng tốn tối ưu hóa ràng buộc tuyến tính toán phi tuyến Để giảm độ phức tạp giải pháp tốn này, xây dựng dạng tốn tối ưu hóa tuyến tính hệ số nhân được giữ không đổi thời gian hoạt động hàm tuyến tính theo hệ số cài đặt thời gian Vì vậy, tổng thời gian hoạt động rơle được kết nối lưới điện tối thiểu theo phương trình mục tiêu: n T   ti (1) i 1 2.2.2 Đặc tính Rơle Để bảo vệ đường truyền tải điện, rơle khoảng cách rơle dòng được sử dụng Để bảo vệ rơle điện kháng đường truyền ngắn được sử dụng, rơ le trở kháng dùng cho đường truyền trung bình rơ le mho cho đường dây truyền tải dài Tất rơle có đặc tính thời gian nghịch đảo được cho bởi công thức: Top  a  PSM  b 1 * TDS  C (2) Trong đó: a, b, C số Top Thời gian hoạt động TDS Thời gian chu kỳ cài đặt (Time Dial Setting) PSM Hệ số nhân được xác định theo công thức: PSM  ( I fault / I relay ) Các số dùng phối hợp theo đặc tính rơle tham khảo theo bảng [14]: -25- No 10/2021 Journal of Science, Tien Giang University Bảng Hệ số Rơle Hệ số Relay Relay characteristics a b c Normal inverse 0,092 0,02 0,149 Very inverse 18,92 2,0 0,492 Extremely inverse 28,08 2,0 0,13 IDMT 0,14 0,02 0,0 2.2.3 Đường đặc tính Rơle Để bảo vệ đường truyền Hình Đặc tính Rơle Đối với nghiên cứu báo này, chúng tơi xem xét đặc tính rơle IDMT (Inverse Definite Minimum Time) cho rơle dòng 2.2.4 Hằng số thời gian phối hợp Các tiêu chí cho phối hợp tối ưu rơle được điều chỉnh bởi ràng buộc được đưa đây: Tbackup  Tprimary  MCT (3) Trong đó, (3) thể thời gian sai lệch bảo vệ dự phòng bảo vệ phải tối thiểu Thời gian phối hợp tối thiểu (MCT - Minimum Coordination Time) MCT thường được lấy từ 0,2 đến 0,5 Trong nghiên cứu này, coi giá trị MCT 0,2s 2.3 Giải thuật lập trình tuyến tính Phương pháp lập trình tuyến tính phương pháp được sử dụng nhiều để tối ưu hóa bất kỳ vấn đề Trong phương pháp này, ràng buộc được xử lý hàm tuyến tính cơng thức tốn tối ưu hóa được coi tốn số -26- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang nguyên hỗn hợp tuyến tính (linear mixed integer) Trong nghiên cứu này, coi cài đặt hệ số nhân rơle cố định (các hệ số a, b, PSM số), thời gian hoạt động được coi hàm tuyến tính Thời gian cài đặt (Time Dial Setting - TDS) rơle a (4) K b  PSM   Khi đó, thời gian phối hợp bảo vệ được mô tả ngắn gọn là: Top  K *TDS  C (5) Bài toán phối hợp rơle được coi tốn tối ưu hóa ràng buộc có giới hạn Số 10/2021 Top (min)  Top  Top (max) (6) Phương pháp phương pháp thông thường mạnh mẽ Việc thực phương pháp đơn giản dễ hiểu Chúng xây dựng công cụ dựa MATLAB 2.4 Thuật toán đom đóm (Firefly) Thuật tốn Firefly được lấy cảm hứng từ thiên nhiên Thuật toán heuristic Meta được phát triển bởi Xin She Yang vào cuối năm 2007-2008 Thuật tốn giống tối ưu hóa bầy hạt dựa hành vi nhấp nháy đom đóm Lưu đồ thuật toán sau: Start nh a i Xác đ đ m c tiêu f(x) o cườ ệ số n độ ấp sá v sá xác While t< Max Generation For i=1:n v i n ộ đ đ m For j=1:I v i n ộ đ đ m ộ For Ii > Ij ết ết Xếp ă ì ữ kế kế ả ấp dẫ â v ay đổi ik ả iá iải p áp ậ Cườ độ úc for j úc for i c đ úc ố rì hóa đ ấ v ì v ả End Hình Lưu đờ thuật toán Đom đóm (Firefly) -27- e cấp số r iv sá cập No 10/2021 Journal of Science, Tien Giang University Thuật tốn đom đóm – Firefly, khởi Một đom đóm được xác định tạo bầy đom đóm với số lượng đom bởi vectơ không gian n chiều: đóm xác định ở vị trí ngẫu nhiên X i   X i1 , X i2 , , X in  (7) khơng gian tìm kiếm n chiều Khơng gian tìm kiếm được điều chỉnh bởi Trong n biểu thị kích thước số lượng rơle được kết nối khơng gian tìm kiếm Khơng gian tìm lưới điện Vị trí đom đóm cho kiếm được giới hạn bởi ràng buộc: thấy giải pháp tiềm cho vấn đề tối (8) X k (min)  X k  X k  max  ưu hóa khơng gian tìm kiếm cục Dân số ban đầu đom đóm được toàn cục Độ sáng số điều chỉnh bởi phương trình phân bố giá trị thể chất đom đóm Mỗi đom đóm bị thu hút phía đều: k k k k tương đối sáng Và đó, X m  X     X  max   X    * random hấp dẫn đom đóm được định (9) nghĩa hàm độ sáng Vì độ Trong random số ngẫu sáng hàm phụ thuộc vào nhiên từ đến 1, được lấy từ phân phối khoảng cách hai đom đóm Do đồng đó, độ hấp dẫn hàm độ sáng Độ hấp dẫn Đom đóm thứ i j, khoảng cách Vận tốc di βij, được xác định bởi: chuyển đom đóm phía sáng phụ thuộc vào độ hấp dẫn Vì ij    max,i , j   min,i , j  exp  r i , j    min,i , j phương pháp lặp lại nên (10) giá trị độ sáng độ hấp dẫn được Trong ri,j khoảng cách tính tốn cập nhật sau lần lặp Descartes đom đóm thứ i thứ j Tùy thuộc vào giá trị cập nhật này, vị Nếu cường độ ánh sáng đom trí đom đóm đóm thứ j nhiều cường độ đom không gian ngẫu nhiên được cập nhật Vòng lặp theo số lần lặp lại được xác đóm thứ i, thì đom đóm thứ i di chuyển định trước đạt đủ số lượng phía đom đóm thứ j sáng vị trí đom đóm hội tụ đến vị trí tốt có lần lặp thứ k được đảm bảo phương trình sau: thể khơng gian tìm kiếm n chiều xi  k   xi  k  1  i  xi  k  1  x j  k  1     random  0.5 (11) Trong α hệ số chuyển động ngẫu nhiên Một α lớn cung cấp không gian tìm kiếm toàn cục, giá trị nhỏ hiển thị khơng gian tìm kiếm cục β được giới hạn khoảng từ đến Nếu β được giữ ở mức 1, thuật toán tạo giải pháp khơng gian tìm kiếm cục nơi đom đóm sáng xác định phân loại vị trí đom đóm khác Nếu được giữ ở mức 0, kết hợp tìm kiếm cục ngẫu nhiên theo cách hợp tác Tham số ϒ xác định thay đổi mức độ hấp dẫn với khoảng cách khơng gian tìm kiếm Nếu thuật tốn tương tự PSO; ∞ thì độ hấp dẫn 0, hiển thị tìm kiếm ngẫu nhiên hoàn toàn Cuối cùng, thuật -28- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang tốn hiển thị kết tốt so với phương pháp khác KẾT QUẢ VÀ MÔ PHỎNG Một lưới điện đơn tuyến (như Hình 4) hệ thống đơn giản, dòng điện chạy theo hướng Chiều dòng điện từ nguồn đến tải mạng điện Vì dòng điện chạy theo hướng, nên rơle được đặt khơng có bất kỳ đặc tính có hướng có nghĩa rơle loại rơle q dòng khơng hướng có đặc tính Thời gian tối thiểu xác định ngược (Inverse Definite Minimum Time - IDMT) Mỗi rơle có ngắt mạch riêng để cách ly phần bị cố với phần còn lại để tránh hư hỏng mức trường hợp xảy cố, ví dụ: Rơle 03 Nếu rơ le khơng hoạt động thì rơ le cấp (Rowle 02) bảo vệ dự phòng Phân đoạn Phân đoạn Nguồn lưới Số 10/2021 Phân đoạn Rơle 02 Rơle 01 Rơle 03 tR_Op = 0,25 giây tR_Op = 0,5 giây Vị trí cố tR_Op = giây Hình LĐPP được bảo vệ 03 thiết bị Rơle, vị trí cố xảy phân đoạn Trong trường hợp thử nghiệm này, lấy tương ứng 500: 400: Thời được coi trường hợp dòng cố gian hoạt động tối thiểu cho rơle bên bus A bus B lần lượt được coi 0,2s tối đa 1,2s MCT 5000 A 4000 A Để đơn giản, cài đặt 0,25s Tính tốn cho số K được phích cắm rơ le được coi thực cách sử dụng (4) lập Tỷ lệ CT ở xe buýt A xe buýt B được bảng: Bảng Hệ số K của các Rơle STT Vị trí sự cố Rơle 01- hệ số K Rơle 02 – hệ số K Rơle 02 – hệ số K Giữa Rơle 01 Rơle 02 2,97 Giữa Rơle 02 Rơle 03 3,296 2,97 Sau Rơle 03 3,296 2,97 3,54 Bảng Kết quả tính toán TDS Rơle TDS Tình theo Tuyến tính - LP Thuật toán Đom đóm - FIREFLY R01 X1 0,136 0,0980 R02 X2 0,067 0,0653 -29- No 10/2021 Journal of Science, Tien Giang University R03 X3 0,034 0,021 Hình Kết quả phối hợp bảo vệ Rơle sử dụng thuật toán Đom đóm- Firefly KẾT LUẬN Bài toán phối hợp rơle tối ưu được giải Thuật toán Firefly Hình Có số kỹ thuật tối ưu hóa đại khác được chứng minh hữu ích được đề cập tài liệu tham khảo Thuật tốn tương tự được sử dụng cho cấu hình khác cho mạng phân phối khác Trước ứng dụng, người ta phải hiểu nhu cầu ứng dụng khơng bị ảnh hưởng Bản thân thuộc tính Meta-heuristic gợi ý bạn phải thử tìm thuật toán phù hợp với ứng dụng cung cấp giải pháp gần tối ưu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y G Paithankar, S R.Bhide, Fundamentals of Power System Protection, Prentice Hall of India Pvt Ltd, New Delhi 2013 [2] S.S.Gokhle, Dr.V.S.Kale, “Application of the Firefly Algorithm to Optimal Overcurrent Relay Coordination”, IEEE Conference on Optimization of Electrical and Electronic equipment, Bran, 2014 [3] Supaswatchara Niyomphant, Ed.,”Application of Linear Programming for Optimal Coordination of Directional Over-currentRelays.”,IEEE Transactions on Power Delivery, 2012 [4] Zeineldin, E F El-Sadany, M A Salama, ”Optimal Coordination of -30- Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Tiền Giang Directional Overcurrent Relay Coordination”, Power Engineering Society general meeting, IEEE, pp 1101-1106, vol 2, June 2005 [5] Bbas Saber Noghabi, Habib RajabiMashhadi, JavadSadeh, “Optimal Coordination of Directional Overcurrent Relays Considering Different Network Topologies using Interval Linear Programming”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 25, No 3, July 2010 [6] A Turaj, “Coordination of Directional Overcurrent Relays Using Seeker Algorithm”, IEEE Transactions on Power Delivery, pp 14151422, 2012 [7] C Castillo, A Conade, “Coordination of Overcurrent Relays Using Genetic Algorithms and Unconventional Curves”, IEEE Latin America Transactions, Vol 12, No 8, December 2014 [8] Dharmendra Kumar Singh, Dr S Gupta, “Optimal Coordination of Directional Overcurrent Relays: A Genetic Algorithm Approach”, IEEE students conference on Electrical, Electronics and Computer Science, 2012 [9] D Uthitsunthorn, P Pao-La-Or, T Kulworawanichpong, “Optimal Overcurrent Relay Coordination Using Artificial Bees Colony Algorithm”, The Số 10/2021 Eighth Electrical Engineering, Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology Conference (ECTI2011), pp 901-904 [10] Abbas SaberiNoghabi, JavadSadeh, Habib RajabiMashhadi, “Considering Different Network Topologies in Optimal Overcurrent Relay Coordination Using a Hybrid GA”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol 24, No 4, October 2009 [11] P P Bedkar, S R Bhide, “Optimal Coordination of Directional [12] Overcurrent Relay Using the Hybrid GA-NLP Approach”, IEEE Transactions on Power Delivery, vol 20, No.1, January 2011 [13] Liu, An Yang, Ming-Ta, “Optimal Coordination of Directional Overcurrent Relays Using NM-PSO Technique”, IEEE Transactions on International Symposium on Computer and Control, 2012, pp 678681 [14] X S Yang, Nature Inspired Meta-heuristic Algorithms, LuniverPress,Backington, 2010 Divya S Nair, Reshma S, “Optimal Coordination of Protective Relays”, International Conference on Power, Energy and Control (ICPEC), 2013, pp 239-244 -31- ... cậy hệ thống Hoạt động tối ưu rơle được xác định cách sử dụng cài đặt thời gian hoạt động tối ưu cho rơle Điều phối rơle được thực theo ba phương pháp khác (I) Điều phối theo thời gian (II)... K Rơle 02 – hệ số K Giữa Rơle 01 Rơle 02 2,97 Giữa Rơle 02 Rơle 03 3,296 2,97 Sau Rơle 03 3,296 2,97 3,54 Bảng Kết quả tính toán TDS Rơle TDS Tình theo Tuyến tính - LP Thuật toán. .. 2.1 Phân tích bài toán phối hợp bảo vệ rơle Thuật toán được điều chỉnh bởi giả định định cần thiết để thực thuật toán cho nghiên cứu điều phối cách hiệu Những điều làm sở cho số công