Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Tái cấu trúc lưới điện phân phối

- Xây dựng hàm mục tiêu áp dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn PSO và logic mờ để tìm ra cấu trúc tối ưu cho hệ thống lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất và cân bằng tải.. Do

GIỚI THIỆU LUẬN VĂN

Lý do chọn đề tài

Lưới điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho các hộ tiêu thụ Vì những ưu điểm về mặt kỹ thuật, lưới điện phân phối thường được vận hành hình tia, mặc dù lại được thiết kế mạch vòng để nâng cao độ tin cậy trong quá trình cung cấp điện Bên cạnh đó, tổn thất năng lượng trên lưới điện phân phối hiện nay đo được là từ 7% - 8%, so với 2% - 3% trên lưới điện truyền tài

Do dó, việc nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối là một nhu cầu mang tính bức xúc cao và hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích về kinh tế

Theo nhiều tài liệu đã được nghiên cứu, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất trong quá trình phân phối điện năng như: bù công suất phản kháng, nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối, hoặc tăng tiết diện dây dẫn Tuy các biện pháp này đều mang tinh khả thi về kỹ thuật nhưng lại tốn nhiều chi phí đầu tư và lắp đặt thiết bị ban đầu Trong khi đó, biện pháp tái cấu hình lưới điện thông qua cách đóng/mở các cặp khóa điện có sẵn trên lưới điện cùng có thể giảm đáng kể tổn thất điện năng mà không cần nhiều chi phí để cải tạo lưới điện

Trong quá trinh vận hành, thực tế việc tái cấu hình lưới điện nhằm giảm tổn thất năng lượng thường nằm trong các điều kiện phải thỏa mãn những ràng buộc kỹ thuật, cộng với việc có hàng trăm khóa điện dọc trên hệ thống điện phân phối là điều vô cùng khó khăn đối với các điều độ viên Do đó, luôn cần một phương pháp phân tích phù hợp với lưới điện phân phối thực tế và một giải thuật đủ mạnh áp dụng cho việc tái cấu trúc lưới điện để thỏa mãn các mục tiêu điều khiển của các điều độ viên

Các giải thuật tái cấu trúc lưới điện luôn được xem xét ở cả hai góc độ thiết kế và vận hành Ở góc độ thiết kế, cần phải chỉ ra vị trí đặt khóa điện và sử dụng loại khóa gì (máy cắt, máy cắt có tải, dao cách ly ) để có thể cực tiểu hóa tổn thất năng lượng và giảm chi phí đóng/cắt khi chuyển tải, giúp điều độ viên có một “không gian điều khiển” đủ lớn đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng trong tương lai Ở góc độ vận hành, dựa vào các vị trí khóa điện có sẵn, điều độ viên phải chỉ ra kế hoạch vận hành

Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 16 sao cho chi phí vận hành thỏa mãn các mục tiêu đề ra Không chỉ dừng lại ở mục tiêu giảm tổn thất điện năng, tái cấu trúc lưới điện phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện (cân bằng tải), giảm sụt áp cuối lưới và giảm thiểu số lượng hộ tiêu thụ bị mất điện khi có sự cố hay khi cần sửa chữa đường dây

Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất năng lượng trong điều kiện phải thỏa mãn các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khoá điện trên hệ thống điện phân phối là điều vô cùng khó khăn đối với các điều độ viên Do đó luôn cần một phương pháp phân tích phù hợp với lưới điện phân phối thực tế và một giải thuật đủ mạnh để tái cấu trúc lưới trong điều kiện thoả mãn các mục tiêu điều khiển của các điều độ viên Trong luận văn này sẽ nghiên cứu các vấn đề này và đưa ra một phương pháp giải có thể áp dụng để tính toán, vận hành lưới điện phân phối hiện tại ở tỉnh Ninh Thuận.

Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu là tìm ra giải thuật tái cấu trúc lưới điện phân phối theo hình tia nhằm giảm tổn thất công suất và chống quá tải, nhằm giúp tăng lợi ích kinh tế cho doanh nghiệp bao gồm doanh nghiệp bán điện (EVN), các doanh nghiệp sản xuất, dịch vụ, thương mại và nhân dân trên các tuyến đường dây đang cung cấp

Từ mục tiêu nghiên cứu như trên, nên nhiệm vụ của luận văn bao gồm các vấn đề sau:

- Tìm hiểu các bài báo viết về tái cấu trúc lưới điện, cũng như các bài toán tái cấu trúc lưới phân phối và các giải thuật đã được áp dụng

- Đề nghị một phương pháp để tái cấu trúc lưới điện để giảm tổn thất công suất và cân bằng tải

- Xây dựng hàm mục tiêu áp dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn PSO và logic mờ để tìm ra cấu trúc tối ưu cho hệ thống lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất và cân bằng tải

- Kiểm chứng trên lưới điện mẫu nhằm đánh giá tính đúng đắn của ý tưởng đề xuất

Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 17

Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, đề xuất giải thuật, mô phỏng

Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu xoay quanh bài toán tái cấu trúc lưới trên lưới điện phân phối có cấu trúc mạch vòng nhưng vận hành hở (lưới điện hình tia) Bài toán được nghiên cứu trong luận văn bao gồm các vấn đề sau:

1 Kết hợp nhiều mục tiêu với nhau vào trong một bài toán tái cấu trúc: mục tiêu giảm tổn thất công suất và mục tiêu cân bằng tải

2 Ứng dụng giải thuật PSO và logic mờ để giải bài toán tái cấu trúc theo hàm đa mục tiêu.

Điểm mới của luận văn

Đề xuất một giải thuật để tái cấu trúc lưới điện nhằm giảm tổn thất công suất và cân bằng tải dựa trên giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO) và logic mờ (Fuzzy Logic), thực hiện khảo sát bài toán đa mục tiêu theo 02 cách

Xây dựng được giải thuật kiểm tra điều kiện hình tia và giải thuật xác định các khóa trong từng vòng độc lập cho lưới điện phân phối có một nguồn hoặc nhiều nguồn, áp dụng hiệu quả và tin cậy trong quá trình tái cấu trúc Ưu điểm của giải thuật là đơn giản, tìm được lời giải một cách nhanh chóng, thỏa các điều kiện ràng buộc

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Đặc điểm của lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối (LĐPP) là lưới điện chuyển tải điện năng trực tiếp từ các trạm biến thế trung gian (thường là các trạm: 110/22 kV, 110/35/22 kV, 35/22 kV) đến khách hàng Đường dây truyền tải thường được vận hành mạch vòng hay mạch tia, còn các đường dây phân phối luôn được vận hành hở trong mọi trường hợp Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng loại relay quá dòng Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đường dây kế cận được cấp điện từ một trạm biến áp trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đường dây bị sự cố Việc khôi phục lưới được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các cặp khoá điện nằm trên các mạch vòng, do đó trên lưới phân phối có rất nhiều khoá điện

Một đường dây phân phối luôn có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh hoạt, thương mại dịch vụ, công nghiệp ) và các phụ tải này được phân bố không đồng đều giữa các đường dây Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa Vì vậy, trên các đường dây, đồ thị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ Điều này gây ra quá tải đường dây và làm tăng tổn thất trên lưới điện phân phối Để chống quá tải đường dây và giảm tổn thất, các điều độ viên sẽ thay đổi cấu trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khoá điện hiện có trên lưới Vì vậy, trong quá trình thiết kế, các loại khoá điện (Recloser, LBS, DS ) sẽ được lắp đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng/cắt các khoá này vừa có thể giảm chi phí vận hành và vừa giảm tổn thất năng lượng Hay nói cách khác, hàm mục tiêu trong quá trình vận hành lưới điện phân phối là cực tiểu chi phí vận hành bao gồm cả chi phí chuyển tải và tổn thất năng lượng

Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, vì vậy xuất hiện nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụ thể Tuy nhiên, các điều kiện vận hành lưới phân phối luôn phải thoả mãn các điều kiện:

- Cấu trúc vận hành hở

- Tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép

- Các hệ thống bảo vệ relay phải thay đổi phù hợp

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải

1.1 Ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của hệ thống điện

- Do là cầu nối trực tiếp giữa nguồn và khách hàng, do đó nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ

- Tổn thất điện năng chiếm tỉ lệ lớn trong tổng tổn thất của hệ thống bao gồm: tổn thất lưới truyền tải, phân phối, hạ áp

- Vốn đầu tư cho mạng phân phối cũng chiếm tỷ trọng lớn: nếu chia theo tỷ lệ vốn đầu tư theo thống kê cho thấy nếu đầu tư cho mạng cao áp là 1, thì mạng trung áp từ 1,5 đến 2 lần, hạ áp từ 2 đến 2,5 lần

- Xác suất ngừng cung cấp điện do sự cố, sửa chữa, bảo dưỡng theo kế hoạch cải tạo, lắp đặt trạm mới trên lưới điện trung áp cũng nhiều hơn so với lưới truyền tải

- Là khu vực khó xác định phương án vận hành hơn so với lưới truyền tải, và là nơi chịu tác động nhiều nhất từ các điều kiện môi trường, thiết bị, nguồn dự phòng,.v.v

- Cấu trúc LĐPP đa dạng, phức tạp Số lượng nút, nhánh rất nhiều do đó việc tính toán các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật gặp rất nhiều khó khăn, mặc dù trên thực tế đã có khá nhiều phần mềm áp dụng để quản lý kể cả trong khâu kỹ thuật cũng như khâu kinh doanh Lưới điện phát triển nhanh, trải rộng; các hộ phụ tải đa dạng, đan xen

- Chế độ vận hành bình thường lưới điện phân phối là vận hành hở Các sơ đồ lưới điện thường gặp là: hình tia, hình tia có nguồn dự phòng (lưới điện kín vận hành hở) Các sơ đồ trên có những ưu điểm như: vận hành đơn giản; trình tự phục hồi lại kết cấu sau sự cố dễ dàng hơn; ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt điện cục bộ

Các bài toán tái cấu trúc lưới điện (TCTLĐ) ở góc độ vận hành

Các bài toán vận hành LĐPP chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề sau: giảm tổn thất công suất của lưới điện, cải thiện thời gian tái lập, cải thiện các hệ số tin cậy của hệ thống, cải thiện khả năng tải của lưới điện, cải thiện tình trạng không cân bằng tải, tối thiểu công suất tổn thất, giảm thiểu tổn thất của hệ thống lưới điện không cân bằng,.v.v Từ những mục tiêu cơ bản trên, chúng ta có thể tạm phân chia bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối thành các bài toán nhỏ như sau:

- Bài toán 1: Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 thời đoạn để chi phí vận hành bé nhất

- Bài toán 2: Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát để tổn thất năng lượng bé nhất

- Bài toán 3: Xác định cấu trúc lưới điện tại một thời điểm để tổn thất công suất bé nhất

- Bài toán 4: Tái cấu trúc lưới điện cân bằng tải (giữa các đường dây, máy biến thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của lưới điện

- Bài toán 5: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa

- Bài toán 6: Xác định cấu trúc lưới theo nhiều mục tiêu như: tổn thất công suất bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối lưới bé nhất cùng đồng thời xảy ra ( hàm đa mục tiêu)

Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của một lưới điện phân phối cực tiểu tổn thất năng lượng hay cực tiểu chi phí vận hành thoả mãn các điều kiện kỹ thuật vận hành luôn là bài toán quan trọng và kinh điển trong vận hành hệ thống điện

Bảng 2 Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc lưới

Tên bài toán 1 2 3 4 5 6 Đặc điểm lưới điện

Khoá điện được điều khiển từ xa ✓ ✓ ✓ ✓

Chi phí chuyển tải thấp, không mất điện khi chuyển tải

Chi phí chuyển tải cao, mất điện khi chuyển tải

Lưới điện thường xuyên bị quá tải

Lưới điện ít bị quá tải ✓ ✓ ✓ ✓

Lưới điện hầu như không quá tải ✓ ✓ ✓ ✓

Tổng quan về các phương pháp để tái cấu trúc để giảm tổn thất cho lưới điện phân phối

3.1 Giải thuật của Merlin và Back - kỹ thuật vòng kín

Giải thuật của Merlin và Back [1] khá đơn giản: “Đóng tất cả các khoá điện lại tạo thành một lưới kín, sau đó giải bài toán phân bố công suất và tiến hành mở lần lượt các khoá có dòng chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện dạng hình tia” Ở đây Merlin và Back cho rằng với mạch vòng, lưới điện phân phối luôn có mức tổn thất công suất bé nhất Vì vậy để có lưới điện phân phối vận hành hình tia, Merlin và Back lần lượt loại bỏ những nhánh có tổn thất công suất nhỏ nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi lưới điện đạt được trạng thái vận hành hở Các giải thuật tìm kiếm nhánh và biên ứng dụng luật heuristic này mất rất nhiều thời gian do có khả năng xảy ra đến 2 n cấu trúc nếu có n đường dây được trang bị khoá điện

Hình 2.1: Giải thuật của Merlin và Back

Hình 2.1 mô tả giải thuật của Merlin và Back, đã được Shirmohammadi và Hong [2] bổ sung Giải thuật này chỉ khác so với giải thuật nguyên thủy của Merlin và Back ở chỗ có xét đến điện thế ở các trạm trung gian và yếu tố liên quan đến dòng điện

Shirmohammadi [2] là tác giả đầu tiên sử dụng kỹ thuật bơm vào và rút ra một lượng công suất không đổi để mô phỏng thao tác chuyển tải của lưới điện phân phối hoạt Đọc dữ liệu lưới điện và khóa điện Đóng tất cả các khóa điện

Giải bài toán phân bố công suất và thay thế tải bằng các nguồn dòng

Giải bài toán phân bố công suất tối ưu

Mở khóa điện có dòng bé nhất

Vi phạm các điều kiện vận hành Đóng khóa điện vừa mở

Mở khóa điện có dòng bé nhất tiếp theo

Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 23 động hở về mặt vật lý nhưng về mặt toán học là một mạch vòng Dòng công suất bơm vào và rút ra là một đại lượng liên tục Sau khi chỉnh sửa, kỹ thuật này vẫn còn bộc lộ nhiều nhược điểm, có thể liệt kê như sau:

- Mặc dù đã áp dụng các luật heuristics, giải thuật này vẫn cần quá nhiều thời gian để tìm ra được cấu trúc giảm tổn thất công suất

- Tính chất không cân bằng và nhiều pha chưa được mô phỏng đầy đủ

- Tổn thất của thiết bị trên đường dây chưa được xét đến trong giải thuật

3.2 Giải thuật của Civanlar và các cộng sự - kỹ thuật đổi nhánh

Giải thuật của Civanlar [3] dựa trên heuristics để tái cấu trúc lưới điện phân phối, lưu đồ mô tả giải thuật được trình bày tại hình 2.5 Giải thuật của Civanlar được đánh giá cao nhờ:

- Xác định được hai qui luật để giảm số lượng khóa điện cần xem xét

+ Nguyên tắc chọn khóa đóng : việc giảm tổn thất chỉ có thể đạt được nếu như có sự chênh lệch đáng kể về điện áp tại khoá đang mở

+ Nguyên tắc chọn khóa mở : việc giảm tổn thất chỉ đạt được khi thực hiện chuyển tải ở phía có độ sụt áp lớn sang phía có sụt áp bé hơn

- Xây dựng được hàm số mô tả mức giảm tổn thất công suất tác dụng khi có sự thay đổi trạng thái của một cặp khóa điện trong quá trình tái cấu trúc

D : Tập các nút tải được dự kiến chuyển tải Ii : Dòng điện tiêu thụ của nút thứ i

EM : Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút M EN : Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút N Rloop : Tổng các điện trở trên vòng kín khi đóng khoá điện đang mở

Biểu thức (2.1) được rút ra từ phân tích mô hình tải phân bố tập trung Biểu thức này tỏ ra chính xác khi ứng dụng cho các lưới mẫu nhỏ nhưng chưa được kiểm chứng ở lưới điện lớn.

Hình 2.2: Lưu đồ giải thuật của Civanlar và các cộng sự Giảm số lần thao tác khóa điện bằng cách xem xét các luật heuristic

Tính toán tổn thất công suất cho các thao tác đóng cắt được đề nghị

Thực hiện thao tác đóng/cắt có mức độ giảm công suất nhất

Phân bố công suất cho lưới điện mới

Các thao tác đóng cắt làm giảm công suất

Hệ thống được xem là tối ưu

Chọn thao tác đóng cắt kế tiếp

Không Kiểm tra quá tải và độ sụt áp cho phép

Kỹ thuật đổi nhánh thể hiện ở quá trình thay thế 01 khóa mở bằng và 01 khoá đóng trong cùng một vòng để giảm tổn thất công suất Vòng được chọn để đổi nhánh là vòng có cặp khoá đóng/mở có mức giảm tổn thất công suất lớn nhất Quá trình được lặp lại cho đến khi không thể giảm được tổn thất nữa Ưu điểm của Giải thuật Civanlar:

- Nhanh chóng xác định phương án tái cấu trúc có mức tổn thất nhỏ hơn bằng cách giảm số liên kết đóng cắt nhờ qui tắc heuristics và sử dụng công thức thực nghiệm để xác định mức độ giảm tổn thất tương đối

- Việc xác định dòng tải tương đối chính xác

Tuy nhiên, giải thuật cũng còn nhiều nhược điểm cần khắc phục:

- Mỗi bước tính toán chỉ xem xét 01 cặp khóa điện trong 01 vòng

- Chỉ đáp ứng được nhu cầu giảm tổn thất, chứ chưa giải quyết được bài toán cực tiểu hóa hàm mục tiêu

- Việc tái cấu trúc hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc xuất phát ban đầu

3.3 Giải thuật di truyền (Genetic algorithm - GA)

Giải thuật di truyền - GA [4] do D.E Goldberg đề xuất năm 1968, sau này được phát triển bởi L.Davis và Z.Michalevicz Đây là thuật toán hình thành từ việc nhận xét thế giới tự nhiên: Quá trình tiến hoá tự nhiên là quá trình tối ưu nhất, hoàn hảo nhất Đây được xem như một tiên đề đúng, không chứng minh được, nhưng phù sinh hợp với thực tế khách quan Tư tưởng chính của giải thuật di truyền là ban đầu phát ra 1 lúc nhiều lời giải khác nhau song song Sau đó những lời giải được tạo ra, chọn những lời giải tốt nhất để làm cơ sở phát sinh ra những lời giải sau với nguyên tắc

‘càng về sau’ càng tốt hơn Quá trình đó cứ tiếp diễn cho đến khi tìm được lời giải tối ưu trong thời gian cho phép Mục tiêu chính của giải thuật di truyền không nhằm đưa ra lời giải chính xác mà đưa ra lời giải tương đối chính xác trong thời gian cho phép

Giải thuật di truyền tuy dựa trên tính ngẫu nhiên nhưng ngẫu nhiên có sự điều khiển.Tính tối ưu của quá trình tiến hoá thể hiện ở chỗ thế hệ sau bao giờ cũng tốt hơn (phát triển hơn, hoàn thiện hơn và phù hợp với môi trường hơn) thế hệ trước

Giải thuật này thích hợp cho việc tìm kiếm các bài toán có không gian nghiệm lớn như: bài toán tìm kiếm mật mã khóa có 30 chữ số Bên cạnh đó, bài toán tái cấu trúc mạng phân phối điện với số lượng khóa vô cùng lớn nên không gian nghiệm của bài toán này rất lớn, bài toán này đòi hỏi phải tìm ra được cấu trúc tối ưu trong thời gian nhanh nhất Như vậy thuật toán di truyền đều mô phỏng bốn quá trình tiến hoá cơ bản: lai ghép, đột biến, sinh sản, chọn lọc tự nhiên Từ ý tưởng và đặc điểm của giải thuật di truyền, ta nhận xét giải thuật này rất thích hợp để giải bài toán tái cấu trúc

Các bước quan trọng trong việc áp dụng giải thuật di truyền vào bài toán tái cấu trúc:

- Bước 1: chọn ra 1 số cấu trúc ngẫu nhiên có thể tìm được trong mạng phân phối điện

- Bước 2: kí hiệu các khóa đóng (sectionalize switches) trong mạng phân phối là 0; các khóa thường mở (tie switches) là 1

- Bước 3: tìm hệ số thích nghi và hàm mục tiêu cho từng cấu trúc đã được tạo ra ban đầu

Kết luận, lựa chọn phương pháp áp dụng

Khi tiếp cận các bài toán tái cấu hình lưới, các nhà khoa học đều cho rằng phương pháp giải tích toán học không hiệu quả bằng các giải thuật tìm kiếm Các giải thuật tìm kiếm được sử dụng trong bài toán tái cấu hình LĐPP có thể chia thành ba hướng chính như sau: giải thuật tìm kiếm heuristic kết hợp với giải thuật tối ưu; giải thuật chỉ dùng quy tắc heuristic trong hệ chuyên gia; sử dụng trí tuệ nhân tạo bao gồm có hệ chuyên gia, giải thuật gen, mạng nơron, giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO)

Phần lớn các bài toán tái cấu hình theo các mục tiêu khác nhau, nhưng đều sử dụng bài toán 3 - xác định cấu trúc lưới điện tại một thời điểm để tổn thất công suất bé nhất làm mô đun chính trong suốt quá trình giải lặp Khi giải bài toán 3, các giải thuật đều dựa trên phương án tìm kiếm theo kỹ thuật đổ nhánh của Civanlar hay kỹ thuật vòng kín của Merlin và Back nên hay bị rơi vào cực tiểu địa phương, do đó các giải thuật trí tuệ nhân tạo, tiến hóa được sử dụng

Thuật toán PSO (Particle Swarm Optimization) là một trong những thuật toán tiến hóa, dựa trên khái niệm trí tuệ bầy đàn để giải các bài toán tối ưu hóa Thuật toán có nhiều ứng dụng quan trọng trong tất cả các lĩnh vực mà ở đó đòi hỏi phải giải quyết các bài toán tối ưu hóa đặc biệt là các bài toán liên quan đến hệ thống điện Do thuật toán có nhiều ưu điểm như tốc độ hội tụ nhanh, lập trình đơn giản, tác giả chọn giải thuật PSO để áp dụng giải bài toán tái cấu trúc trong luận văn này, đồng thời sử dụng logic mờ để xác định hàm mục tiêu chung cho bài toán đa mục tiêu

PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN

Bài toán tái cấu trúc mạng để giảm tổn thất công suất

Lưới điện phân phối đặc trưng là mạng vòng nhưng vận hành hở Vấn đề tiếp theo là phải đóng mở các khóa trong mỗi vòng sao cho tổn thất trên lưới điện phân phối đặc trưng là nhỏ nhất Để làm được điều này ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm kiếm cấu trúc sao cho tổn thất là nhỏ nhất:

Trong đó , là tổng tổn thất của toàn lưới điện

Giả sử sơ đồ đơn tuyến của một phát tuyến có dạng như sau:

Hình 3.1: Sơ đồ đơn tuyến của một phát tuyến

Công suất thực và công suất phản kháng chạy trên nhánh (i +1) lần lượt được tính theo công thức gần đúng sau:

Từ phương trình (3.1) suy ra tổn thất công suất tác dụng của một phần đường dây giữa nút i và nút i+1 được tính như sau:

Pi, Qi : Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại nhánh thứ i

Vi : Điện áp tại nút thứ i

Ri,i+1 : Điện trở dây giữa nút i và nút i+1

Xi,i+1 : Điện kháng dây giữa nút i và nút i +1

Hàm mục tiêu của bài toán tái cấu trúc mạng để giảm tổn thất công suất có thể được viết lại như sau:

Trong đó n là tổng số nút có trong lưới điện phân phối

Bên cạnh hàm mục tiêu (3.4), bài toán còn có những điều kiện ràng buộc riêng

Nếu chúng bị vi phạm thì bài toán lập tức dừng và không thỏa Dưới đây là các ràng buộc của bài toán trong luận văn này:

- Biên độ điện áp tại mỗi nút phải được duy trì trong giới hạn cho phép

- Dòng điện trên mỗi nhánh không được vượt quá khả năng mang dòng của nó

- Cấu trúc mạng phải là hình tia

- Tất cả các điểm tải đều phải được cấp điện

Vmin, Vmax : Điện áp lớn nhất và điện áp nhỏ nhất

Ik : Dòng điện trên nhánh thứ k

Ik,max : Khả năng mang dòng lớn nhất của nhánh thứ k

Bài toán tái cấu trúc mạng để cân bằng tải

Trên lưới điện phân phối thường có nhiều dạng tải như: tải sinh hoạt, tải thương mại và tải công nghiệp, các loại tải này thay đổi theo thời gian Mỗi loại tải thì có các đặc tính và yêu cầu khác nhau Điều này dẫn tới một thực tế rằng một số phần của lưới điện phân phối trở nên quá tải vào các thời điểm nhất định và non tải vào các thời điểm khác trong ngày Vì vậy, tại các giờ cao điểm trong ngày, chúng ta cần phải điều chỉnh lại cấu trúc mạng để tránh quá tải cho một số tuyến dây và giảm thiểu tổn thất

Chỉ số cân bằng tải trên đường dây được định nghĩa như là một thước đo, nhánh đó có thể mang được bao nhiêu tải mà không vượt quá giới hạn mang tải cho phép

Mục tiêu là tối ưu hóa các chỉ số cân bằng tải trên mỗi đường dây dẫn tới chỉ số cân bằng tải của toàn hệ thống được cực tiểu Hàm mục tiêu cho việc giảm thiểu chỉ số cân bằng tải (Load Balancing Index – LBI) [12] được thể hiện như sau:

B : Tập hợp các nhánh tạo thành các vòng trong mạng

Lk : Chiều dài của nhánh thứ k

Ik : Dòng điện trên nhánh thứ k

I : Khả năng mang dòng của nhánh thứ k

Bên cạnh hàm mục tiêu (3.7), bài toán cũng phải thỏa mãn các điều kiện ràng buộc đã được trình bày ở phần trên Theo một số tác giả [13], chiều dài đường dây L k có thể được bỏ qua

Bài toán đa mục tiêu

Bài toán đặt ra là những mục tiêu khác nhau phải được hoàn thành cùng lúc và đồng thời không vi phạm các điều kiện ràng buộc để tạo ra sự tối ưu trong hoạt động và sự phát triển của hệ thống điện Trong nhiều trường hợp, các mục tiêu này có thể mâu thuẫn với nhau và không thể tính toán thủ công bằng những kỹ thuật tối ưu đơn lẻ thông thường Công thức đa mục tiêu sử dụng logic mờ xác định tổn thất công suất và chỉ số cân bằng tải nhỏ nhất được đề xuất Phương pháp này cho phép người làm quyết định sự thỏa hiệp tốt nhất giữa các mục tiêu, khả năng chọn lựa quyết định cuối cùng trên nền tảng quan điểm xem xét của họ về việc cân bằng tốt nhất những giải pháp thỏa đáng trong một diện rộng mà không vi phạm các ràng buộc của bài toán

3.2 Các hàm mục tiêu của bài toán

 Hàm mục tiêu cho tổn thất công suất:

Mục tiêu của hàm tổn thất công suất chính là việc đi tìm lượng công suất tổn thất trên lưới sau khi tái cấu trúc sẽ giảm đi lớn nhất so với trường hợp ban đầu, trước khi tái cấu trúc

: Tổn thất công suất với cấu trúc mạng ban đầu

: Tổn thất công suất với cấu trúc mạng thứ i

 Hàm mục tiêu cho việc cân bằng tải:

Mục tiêu của hàm cân bằng tải chính là việc đi tìm chỉ số cân bằng tải sau khi tái cấu trúc có lượng giảm đi lớn nhất so với chỉ số cân bằng tải ban đầu

: Chỉ số cân bằng tải với cấu trúc mạng ban đầu

: Chỉ số cân bằng tải với cấu trúc mạng thứ i

3.3 Logic mờ và giải pháp tìm hàm mục tiêu chung cho bài toán

Như đã trình bày lý thuyết phương pháp logic mờ ở Chương II – Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối, từ hàm mục tiêu đã đề xuất, chúng ta sẽ suy ra được các hàm thuộc của chúng, tức là các hàm mục tiêu trên được làm mờ đi Dưới đây là các đề xuất về các hàm thuộc [14] cho các hàm mục tiêu:

 Hàm thuộc cho tổn thất công suất

Hình 3.2: Hàm thuộc cho tổn thất công suất

 Hàm thuộc cho chỉ số cân bằng tải

Hình 3.3: Hàm thuộc cho chỉ số cân bằng tải

 Giải pháp của bài toán đa mục tiêu

Như vậy các hàm mục tiêu đã được làm mờ thành các giá trị nhỏ hơn 1, vấn đề bây giờ là dùng giải pháp nào để đạt được sự thỏa thuận giữa các hàm mục tiêu này, tìm ra giải pháp tối ưu cho bài toán mà không vi phạm các điều kiện ràng buộc Ý tưởng cơ bản ở đây chính là kết hợp tất cả các hàm mục tiêu đơn lẻ ở trên thành một hàm mục tiêu duy nhất Luận văn khảo sát bài toán đa mục tiêu có logic mờ theo 02 cách:

Cách 1: Theo đề xuất của Bellman – Zadeh [11], [15] khi các hàm mục tiêu có cùng vai trò tác động như nhau trong bài toán, không có mục tiêu nào quan trọng hơn mục tiêu nào, thì giải pháp đưa ra là:

Trong đó: μ : Hàm thuộc cho mục tiêu thứ k

Cách 2: Trong bài toán của chúng ta, các mục tiêu có mức độ quan trọng khác nhau, cho nên một giải pháp được biết đến đó là tính tổng các hàm các hàm mục tiêu trên Nhưng có thêm vào mỗi trọng số cho từng hàm mục tiêu Trong đó w k chính là các trọng số của từng hàm mục tiêu, tổng của chúng phải bằng 1 Các trọng số này tùy vào từng thời điểm và ý đồ của nhân viên điều độ, chọn mục tiêu nào quan trọng hơn thì sẽ quyết định trọng số nào cao hơn × ( )

Như vậy là ta đã xây dựng xong một hàm đa mục tiêu theo hướng mở

Xây dựng giải thuật kiểm tra điều kiện hình tia

Bài toán tái trúc lưới điện phân phối là phải đi tìm một cấu trúc vận hành hình tia, mà giảm thiểu được tổn thất cho hệ thống đồng thời cũng phải thỏa mãn các điều kiện ràng buộc Do đó ta cần đảm bảo rằng cấu trúc vận hành của mạng sau khi tái cấu trúc phải là hình tia Mục tiêu của phần này là đi xây dựng một thuật toán kiểm tra điều kiện hình tia cho các cấu hình mới phát sinh trong quá trình tìm kiếm Sau đây sẽ là cách thức thực hiện việc kiểm tra

Từ lý thuyết đồ thị, một lưới điện phân phối có thể được biểu diễn dưới dạng một giản đồ bao gồm tập hợp các nút N và các nhánh B Trong lý thuyết này thì bất kỳ giản đồ nào không chứa các vòng thì được xem như một giản đồ cây ký hiệu là G Cây G này có E=V-1, với E là tổng số lượng các nhánh và V là tổng số lượng các nút Đầu tiên, ta sẽ xây dựng một ma trận gọi là ma trận liên thuộc nút và nhánh, ký hiệu là M Các phần tử của ma trận này được tạo ra từ 0 và 1 Số hàng của ma trận này bằng với số lượng nút của hệ thống, tương tự ta có số cột bằng với số nhánh của hệ thống Trong ma trận này, nếu bất kỳ các nút và nhánh nào được liên kết với nhau, thì phần tử tại vị trí đó bằng 1, ngược lại phần tử đó bằng 0

Bước tiếp theo, ta sẽ đi xác định các nút chỉ được kết nối với một nhánh duy nhất (hay còn gọi là nút bậc một) Nếu tổng của các phần tử trong một hàng của ma trận M bằng 1, những nút tương ứng với hàng đó sẽ là nút bậc một Sau khi đã xác định được các nút bậc một, những nhánh mà kết nối với các nút này sẽ được cắt ra, tức là các phần tử bằng 1 của cột tương ứng với nhánh cắt ra sẽ được thay bằng 0

Quá trình này được lặp đi lặp lại cho tới khi không còn nút bậc một (nút chỉ có một nhánh kết nối tới) nào trong hệ thống nữa

Cuối cùng, sau khi cắt hết các nhánh kết nối với nút bậc một ra, ta sẽ được ma trận liên thuộc mới M Nếu trong ma trận M không còn nhánh nào nữa (tức là tổng các phần tử của ma trận M bằng 0) thì cấu hình mạng đó là hình tia, còn ngược lại vẫn còn nhánh trong ma trận M (tức là tổng của ma trận M khác 0) thì cấu hình mạng đó không phải là hình tia và cấu hình đó bị loại ra khỏi bài toán tái cấu trúc

Ngoài ra, từ ma trận liên thuộc nút và nhánh M, ta cũng có thể xác định được tất cả các nút có đều được cấp nguồn hay không Nếu như tổng các phần tử trong một hàng của ma trận liên thuộc M bằng 0, điều này chỉ ra rằng trong hệ thống có một nút không được cấp điện, cấu hình này cũng không được chấp nhận

Giả sử ta có hệ thống điện phân phối 16 nút - 3 nguồn như sau:

Hình 3.4: Cấu hình ban đầu mạng 16 nút - 3 nguồn

Từ sơ đồ đơn tuyến suy ra ma trận liên thuộc M của hệ thống 16 nút - 3 nguồn:

Tổng tất cả các phần tử trong mỗi hàng của ma trận liên thuộc M là:

Từ ma trận Sum(RowM) ta nhận thấy rằng tại các vị trí các hàng 1, 2, 3, 5, 7, 10, 11, 12, 14, 16 có tổng bằng 1, như vậy vị trí các hàng này sẽ tương ứng với vị trí nút trong hệ thống chỉ kết nối với một nhánh

Tuy nhiên, tại vị trí 1, 2, 3 là các nút nguồn, do đó để tránh trường hợp xác định sai điều kiện hình tia của hệ thống phân phối có nhiều nguồn khi thay đổi trạng thái các khóa trong quá trình mô phỏng bởi các thuật toán liên quan (ví dụ: Trường hợp khóa mở giữa 2 nguồn được đóng lại, lúc này đã tạo thành vòng kín do đó cấu hình mạng không phải hình tia hoặc trường hợp một nút nguồn bị cô lập, nhưng vẫn đảm bảo cấu hình tia), trong ma trận liên thuộc M ta sẽ gắn thêm một nút giả, nút giả này sẽ kết nối đến các nút nguồn trong hệ thống Khi đó ta có ma trận liên thuộc như sau:

(Hàng 17: Nút giả thêm vào; Cột 17, 18, 19: Các nhánh nối từ nút giả tới nút nguồn 1, 2, 3)

Tổng tất cả các phần tử trong mỗi hàng của ma trận liên thuộc M là:

Sau khi thêm nút giả, từ ma trận Sum(RowM) ta nhận thấy rằng tại các vị trí hàng 1, 2, 3 khác 1, tại các vị trí các hàng 5, 7, 10, 11, 12, 14, 16 có tổng bằng 1,

Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 45 như vậy vị trí các hàng này sẽ tương ứng với vị trí nút trong hệ thống chỉ kết nối với một nhánh Thực hiện tháo các nhánh bậc 1 này theo giải thuật sau để xác định lưới có phải hình tia hay không

Sau đây là lưu đồ kiểm tra điều kiện hình tia:

Hình 3.5: Lưu đồ kiểm tra điều kiện hình tia hệ thống phân phối

Xây dựng ma trận liên thuộc M

Xác định nhánh bậc 1 và loại bỏ nhánh kết nối với nút này

Sai Đúng Cấu hình mạng là hình tia

Cấu hình mạng không phải hình tia Sai

Gắn thêm nút giả vào ma trận M, nút giả này kết nối tới các nút nguồn Đúng

Sai Nhập dữ liệu hệ thống vào

Xây dựng giải thuật đề nghị tìm trạng thái khóa điện tối ưu dựa trên giải thuật

5.1 Giải thuật tối ưu hóa bầy đàn PSO

Trong thời gian gần đây, giải thuật PSO [10], [16] được ứng dụng rộng rãi trong các bài toán hệ thống điện vì có nhiều ưu điểm như tốc độ hội tụ nhanh, lập trình đơn giản Thuật toán PSO (Particle Swarm Optimization) là một trong những thuật toán tiến hóa, dựa trên khái niệm trí tuệ bầy đàn để giải các bài toán tối ưu hóa

Thuật toán có nhiều ứng dụng quan trọng trong tất cả các lĩnh vực mà ở đó đòi hỏi phải giải quyết các bài toán tối ưu hóa đặc biệt là các bài toán liên quan đến hệ thống điện Ý tưởng chính của PSO dựa trên nền tảng tâm lý bầy đàn và tập tính xã hội của bầy chim hoặc đàn cá Chúng di chuyển để tìm kiếm thức ăn với một vận tốc và vị trí tương ứng Sự di chuyển của chúng phụ thuộc vào kinh nghiệm của chính nó và của các thành viên khác trong bầy đàn (Pbest và Gbest)

Vận tốc V k+1 và vị trí của chim hoặc cá được tính toán bằng biểu thức (3.15) và (3.16)

Trong đó, : Vận tốc của cá thể i tại vòng lặp thứ k

: Vận tốc của cá thể i tại vòng lặp thứ k + 1 : Vị trí của cá thể i tại vòng lặp thứ k

: Vị trí của cá thể i tại vòng lặp thứ k + 1 : Trọng số quán tính

Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 47 c1 : Hệ số kinh nghiệm của cá thể c2 : Hệ số quan hệ xã hội của cá thể rand1 và rand2 : Số ngẫu nhiên trong khoảng [0, 1]

: Vị trí tốt nhất của cá thể i cho đến vòng lặp k : Vị trí tốt nhất của quần thể cho đến vòng lặp k Trong công thức (3.15), được mô phỏng theo phương trình sau:

: Hệ số quán tính lớn nhất : Hệ số quán tính nhỏ nhất

: Số lần lặp lớn nhất : Số lần lặp hiện tại

5.2 Xây dựng giải thuật đề nghị tìm trạng thái khóa điện tối ưu

Ta nhận thấy rằng, trong một hệ thống điện phân phối thường sử dụng hai loại khóa điện: các khóa thường đóng (khóa phân đoạn) và các khóa thường mở (khóa chuyển mạch) Khi đóng một khóa liên kết lại thì sẽ hình thành nên một vòng độc lập, tức là trong hệ thống có bao nhiêu khóa liên kết thì sẽ có bấy nhiều vòng độc lập – vòng chỉ đi qua một khóa điện mở duy nhất từ đầu nguồn điện này đến đầu nguồn điện khác, hay về lại chính nguồn điện ban đầu, hay tự khép kín thành một vòng Điều kiện ràng buộc của bài toán đặt ra là hệ thống phải được vận hành theo hình tia sau khi được tái cấu trúc, số lượng khóa tối đa được mở ra bằng với số lượng vòng cơ sở Nên khi có một khóa chuyển mạch đóng lại thì một khóa phân

Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 48 đoạn phải được mở ra, và ngược lại khi có một khóa phân đoạn mở ra thì khóa chuyển mạch phải được đóng lại

Xuất phát từ ý tưởng này, mỗi cá thể trong thuật toán PSO là mỗi cấu hình lưới vận hành, có một tổ hợp trạng thái các khóa điện mở được xem là vị trí của cá thể này trong không gian tìm kiếm n chiều (n là số lượng khóa mở) Không gian tìm kiếm tại mỗi chiều là một tập hợp gồm các khóa trong mỗi vòng độc lập tương ứng có trong hệ thống phân phối Đầu tiên, ta phải xác định được số nhánh có trong từng vòng độc lập dựa vào lý thuyết kiểm tra điều kiện hình tia Sau khi xây dựng xong ma trận liên thuộc M từ cấu trúc mạng ban đầu, ta đóng lần lượt từng khóa điện liên kết lại để hình thành nên một vòng độc lập mới Tiếp theo ta sẽ phân tích các nút bậc một, xóa nhánh kết nối tới nút đó cho đến khi không còn nút bậc một nữa và được một ma trận liên thuộc M’ mới Do trong hệ thống bây giờ đã hình thành nên một vòng (không còn là hình tia) nên tổng của ma trận M’ sẽ khác 0 Các nhánh còn lại không bị loại bỏ sẽ là các nhánh hình thành nên vòng độc lập tương ứng với khóa liên kết được đóng trước đó

Sau đây là lưu đồ giải thuật xác định các vòng độc lập của hệ thống

Hình 3.6: Lưu đồ xác định các vòng độc lập của hệ thống

Bắt đầu với dữ liệu hệ thống đã được nhập vào, trong đó các khóa liên kêt được mở ra

Xây dựng ma trận liên thuộc M

Xác định nhánh bậc 1 và loại bỏ nhánh kết nối với nút này

Nút bậc 1 vẫn còn ? Đúng

Gắn thêm nút giả vào ma trận M, nút giả này kết nối tới các nút nguồn Đóng một khóa liên kết lại để hình thành một vòng

Xác định số nhánh còn lại tương ứng với một vòng từ đó xác định các khóa tương ứng của vòng đó

Lưu trữ các khóa thuộc vòng tương ứng vào ma trận LOOP

Mở khóa liên kết vừa đóng

Dừng Đếm số lượng khóa trên từng hàng của ma trận LOOP và lưu trữ số lượng khóa này trên hàng tương ứng của ma trận LOOP1

Tất cả các vòng đã được phân tích hết? Đúng

Ví dụ: Xác định các vòng độc lập của hệ thống 16 nút - 3 nguồn Ở đây, ta đóng khóa liên kết nhánh số 16 (màu đỏ) lại tương ứng với cột 16 trong ma trận M

Sau khi đã phân tích xong tất cả các nút bậc một, ta được một ma trận liên thuộc M’ mới và các nhánh còn lại (các cột được tô đen và có tổng các phần tử trong cột bằng 2, loại trừ các cột 17, 18, 19 được thêm vào khi gắn nút giả) trong hệ thống như sau:

Như vậy vòng độc lập khi đóng khóa liên kết 16 bao gồm các nhánh (nhánh có

Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 51 khóa phân đoạn) [1, 3, 4, 10, 12, 13, 16] Tương tự, vòng thứ hai và thứ ba cũng sẽ được xác định khi đóng lần lượt các khóa liên kết nhánh số 14 và 15 là: [1, 2, 5, 6, 8, 14] và [5, 7, 10, 11, 15] Đến đây ta có ma trận LOOP lưu các nhánh tương ứng các khóa phân đoạn trong mỗi vòng độc lập - ứng với một hàng và ma trận LOOP1 lưu số lượng các khóa phân đoạn của mỗi vòng độc lập như sau:

Tiếp theo ta xây dựng cá thể X – đại diện cho một cấu hình lưới, dựa trên ý tưởng đề nghị ở trên:

- Cá thể X là tổ hợp các khóa, với mỗi khóa được lấy từ từng vòng độc lập tương ứng mỗi hàng trong ma trận LOOP (các giá trị khác 0) Trong trường hợp này có 3 vòng độc lập do đó X có 3 khóa là X1, X2, X3

- Khóa X1 được lấy từ hàng 1 của LOOP, bao gồm các khóa [1, 2, 5, 6, 8, 14]

- Khóa X2 được lấy từ hàng 2 của LOOP, bao gồm các khóa [5, 7, 10, 11, 15]

- Khóa X3 được lấy từ hàng 3 của LOOP, bao gồm các khóa [1, 3, 4, 10, 12, 13, 16]

- Trong thuật toán PSO thì cá thể X này bay trong không gian tìm kiếm có 3 chiều (tương ứng với 3 vòng độc lập), mỗi chiều được giới hạn là các khóa có trong mỗi vòng độc lập

Hình 3.7 : Cá thể thuật toán PSO cho cấu hình mạng 16 nút - 3 nguồn

X X1 được chọn từ hàng 1 của LOOP

X2 được chọn từ hàng 2 của LOOP

X3 được chọn từ Hàng 3 của LOOP

Cá thể X bây giờ đại diện cho các khóa được mở ra trong quá trình tái cấu trúc (mỗi khóa tương ứng với một vòng độc lập đã được xác định) Như vậy, ta nhận thấy số phương án của cá thể X cho cấu hình mạng 16 nút – 3 nguồn là 6*5*7!0 phương án, so với khi không xác định vòng độc lập thì số phương án là 16 3 @96 phương án, giảm 95% số phương án phải xác định và chọn lọc

Lưu đồ mô tả giải thuật tái cấu trúc đề nghị và các bước thực hiện

Hình 3.8: Lưu đồ giải thuật đề nghị theo hàm đa mục tiêu

Cấu hình mạng thứ n này là hình tia ? Đúng Sai

Nhập dữ liệu hệ thống vào

A Chạy phân bố công suất cho cấu hình ban đầu:

Tính tổng tổn thất công suất (LP0) và chỉ số cân bằng tải (LBI0)

Xác định các vòng độc lập của hệ thống

Nhập các thông số của PSO

Chọn ngẫu nhiên trong mỗi vòng độc lập một khóa, tổ hợp các khóa mở này chính là một cấu hình mạng thứ n

Chạy phân bố công suất cho cấu hình này:

Tính tổng tổn thất công suất (LPn) và chỉ số cân bằng tải (LBIn)

Tính và lưu các hàm thuộc cho tổn thất công suất và chỉ số cân bằng tải

Tính và lưu hàm thích nghi theo bài toán 1 là: f

= 1 - min(à LP , à LBI ), hoặc bài toán 2 là: f = 1 - (w 1 *à LP + w 2 *à LBI ) Đã khởi tạo xong quần thể ?

Khởi tạo vận tốc ngẫu nhiên ban đầu của các cá thể trong không gian tìm kiếm Xác định Pbest của các cá thể, Gbest của quần thể

Bắt đầu vòng lặp của thuật toán PSO

Tính toán các giá trị Pbest, giá trị Gbest từ các cá thể

Vòng lặp ≤Vòng lặp max

Xuất kết quả Gbest A Đúng Sai

Sai Cập nhật vận tốc và vị trí của cá thể theo biểu thức vận tốc và vị trí của các cá thể (thay đổi trạng thái các khóa điện bởi thuật toán PSO)

Tăng vòng lặp lên 1 (iteration = iteration +1)

Cấu hình mạng thứ m thỏa điều kiện?

Chạy phân bố công suất cho cấu hình này:

Tính tổng tổn thất công suất (LPm), chỉ số cân bằng tải (LBIn), các hàm thuộc và hàm thích nghi của các cá thể Đánh giá hàm thích nghi (hàm mục tiêu) của các cá thể. Đúng

Sai Cấu hình mạng ban đầu là hình tia ? Đúng

 Bước 1: Nhập dữ liệu lưới điện phân phối vào chương trình

- Nhập cấu trúc kết nối của lưới điện phân phối

- Nhập công suất định mức các nút tải (PLi, QLi)

- Nhập điện trở và điện kháng của các nhánh dây

- Nhập khả năng tải định mức của các nhánh dây (Ik,max)

 Bước 2: Kiểm tra điều kiện lưới hình tia của cấu hình ban đầu

MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG GIẢI THUẬT ĐỀ NGHỊ

Hệ thống phân phối 33 nút [17] được biểu diễn trong Hình 4.1 Bảng 4.1 cho biết công suất tải và khả năng liên kết giữa các nút Hệ thống bao gồm một nguồn phát, 32 thanh cái và 5 máy cắt chuyển mạch Tổng công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống lần lượt là 3.72 MW và 2.30 MVAR Trong Hình 4.1, chữ ‘s’ trước các số ký hiệu cho máy cắt đường dây, đường nét đứt s33, s34, s35, s36 và s37 có nghĩa là các máy cắt chuyển mạch ban đầu thường mở

Hình 4.1: Sơ đồ đơn tuyến hệ thống phân phối 33 nút

Bảng 4.1: Dữ liệu tải và nhánh của hệ thống phân phối thử nghiệm 33 nút (hình 4.1)

Nút cuối Điên trở R ( Ω ) Điện kháng X ( Ω )

Công suất tải tại nút cuối

Dòng định mức I k, max (A) Công suất tác dụng P L (kW)

(*): Các đường dây chuyển mạch, V S = 12.66 kV

1.2 Thực hiện tính toán theo giải thuật đề nghị Đầu tiên, ta nhập các thông số của hệ thống vào chương trình, chương trình sẽ tìm ra 5 vòng độc lập ứng với 5 khóa liên kết, từ đó xây dựng cá thể của thuật toán PSO là tổ hợp của 5 khóa, mỗi khóa sẽ lấy từ vòng độc lập tương ứng, cụ thể các vòng độc lập sau:

Bảng 4.2: Các vòng độc lập của hệ thống phân phối thử nghiệm 33 nút (hình 4.1)

Khóa liên kết tương ứng

Các khóa trong vòng độc lập

Số lượng khóa trong vòng

Nếu tính toán cá thể PSO mà không sử dụng vòng độc lập thì số phương án để lựa chọn đối với mạng 33 nút là 37 5 = 69.343.957 phương án Khi áp dụng các vòng độc lập thì số phương án của mạng 33 nút là 10*7*15*21*11 = 242.550 phương án

Chương trình sẽ tự động tính toán, tìm cấu trúc mạng tối ưu theo hàm mục tiêu của bài toán Trong quá trình tính toán, đối với mỗi một cấu hình mới, chương trình sẽ luôn kiểm tra các điều kiện ràng buộc

Kết quả thực hiện tái cấu trúc lưới điện bằng giải thuật tối ưu bầy đàn với số cá thể N = 10, số vòng lặp iteraction = 20, sau 13 vòng lặp giải thuật đã tìm được cấu trúc vận hành tối ưu của của hệ thống phân phối 33 nút với các khóa mở cuối cùng là: s7, s9, s14, s17, s28

Bảng 4.3: Bảng tổng hợp kết quả trước và sau khi tái cấu trúc hệ thống phân phối 33 nút, bài toán 1

Cấu hình ban đầu Cấu hình sau tái cấu trúc

Phần trăm tăng/giảm (+/-) sau tái cấu trúc (%) Khóa mở s33, s34, s35, s36, s37 s7, s4, s14, s17, s28

Tổn thất công suất (kW) 319,33 220,61 (-) 29,48

Chỉ số cân bằng tải 1,92 1,30 (-) 32,65

Nhận xét: Sau khi tái cấu trúc, điện áp nút Vmin tăng 3,5% (xem hình 4.2), tổn thất công suất giảm 29,48%, chỉ số cân bằng tải giảm 32,65% Giá trị tổn thất công suất và chỉ số cân bằng tải qua từng vòng lặp PSO trong bài toán 1 (theo đề xuất của Bellman – Zadeh) được thể hiện trong hình 4.4, hình 4.5

Hình 4.2: Giá trị điện áp tại các nút trước và sau khi tái cấu trúc hệ thống phân phối

Hình 4.3: Độ hội tụ giải thuật PSO trong bài toán 1

Hình 4.4: Giá trị tổn thất công suất qua từng vòng lập PSO trong bài toán 1

Hình 4.5: Chỉ số cân bằng tải qua từng vòng lập PSO trong bài toán 1

1.2.2 Kết quả bài toán 2 a Với trọng số tổn thất công suất và cân bằng tải lần lượt là W P =0.5, W B =0.5

Bảng 4.4: Bảng tổng hợp kết quả trước và sau khi tái cấu trúc hệ thống phân phối 33 nút, bài toán 2 với WP=0.5, WB=0.5

- Sau khi tái cấu trúc, điện áp nút Vmin tăng 3,5% (xem hình 4.6), tổn thất công suất giảm 29,48%, chỉ số cân bằng tải giảm 32,65% Giá trị tổn thất công suất và chỉ số cân bằng tải qua từng vòng lặp PSO trong bài toán 2 (tính tổng các hàm các hàm mục tiêu, có thêm trọng số cho từng hàm mục tiêu ) được thể hiện trong hình 4.8, hình 4.9

- Khi thực hiện tái cấu trúc theo bài toán 2 với trọng số tổn thất công suất và cân bằng tải lần lượt là WP=0.5, WB=0.5 kết quả tương đương như bài toán 1 Ở đây kết quả tìm được giống nhau

33 nút (bài toán 2 với WP=0.5, WB=0.5)

Hình 4.7: Độ hội tụ giải thuật PSO trong bài toán 2 với WP=0.5, WB=0.5

Hình 4.8: Giá trị tổn thất công suất qua từng vòng lập PSO trong bài toán 2 với

Hình 4.9: Chỉ số cân bằng tải qua từng vòng lập PSO trong bài toán 2 với WP=0.5,

Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 66 b Với trọng số tổn thất công suất và cân bằng tải lần lượt là W P =1, W B =0

Bảng 4.5: Bảng tổng hợp kết quả trước và sau khi tái cấu trúc hệ thống phân phối 33 nút, bài toán 2 với WP=1, WB=0

- Sau khi tái cấu trúc, điện áp nút Vmin tăng 4,4% (xem hình 4.10), tổn thất công suất giảm 33,10%, chỉ số cân bằng tải giảm 32,26% Giá trị tổn thất công suất và giá trị cân bằng tải qua từng vòng lặp PSO được thể hiện trong hình 4.12, hình 4.13

- Trong quá trình tái cấu trúc theo bài toán 2 (tính tổng các hàm các hàm mục tiêu, có thêm trọng số cho từng hàm mục tiêu), với trọng số tổn thất WP=1, hàm mục tiêu sẽ theo hướng giảm tổn thất sau mỗi vòng lặp, bất kể trị số cân bằng tải tăng hay giảm

33 nút (bài toán 2 với WP=1, WB=0)

Hình 4.11: Độ hội tụ giải thuật PSO trong bài toán 2 với WP=1, WB=0

Hình 4.13: Chỉ số cân bằng tải qua từng vòng lập PSO trong bài toán 2 với WP=1,

Học viên: Trần Anh Quốc Thông Trang 69 c Với trọng số tổn thất công suất và cân bằng tải lần lượt là W P =0, W B =1

Bảng 4.6: Bảng tổng hợp kết quả trước và sau khi tái cấu trúc hệ thống phân phối 33 nút, bài toán 2 với WP=0, WB=1

- Sau khi tái cấu trúc, điện áp nút Vmin tăng 1,97% (xem hình 4.14), tổn thất công suất giảm 30,76%, chỉ số cân bằng tải giảm 37,32% Giá trị tổn thất công suất và giá trị cân bằng tải qua từng vòng lặp PSO được thể hiện trong hình 4.16, hình 4.17

- Trong quá trình tái cấu trúc theo bài toán 2 (tính tổng các hàm các hàm mục tiêu, có thêm trọng số cho từng hàm mục tiêu), với trọng số cân bằng tải WB=1, hàm mục tiêu sẽ theo hướng giảm chỉ số cân bằng tải sau mỗi vòng lặp, bất kể giá trị tổn thất công suất tăng hay giảm

33 nút (bài toán 2 với WP=0, WB=1)

Hình 4.15: Độ hội tụ giải thuật PSO trong bài toán 2 với WP=0, WB=1

Hình 4.17: Chỉ số cân bằng tải qua từng vòng lập PSO trong bài toán 2 với WP=0,

1.2.3 Kết quả so sánh của hệ thống phân phối 33 nút để giảm tổn thất công suất:

Cấu hình mạng ban đầu

GA [21] ACS [21] Giải thuật đề nghị

Tổng tổn thất công suất (kW) 319,33 214,11 214,11 213,63

Tổn thất công suất giảm (%) 32,95% 32,95% 33,10

Tiêu đề	Tái cấu trúc lưới điện phân phối
Tác giả	Trần Anh Quốc Thông
Người hướng dẫn	PGS. TS. Phan Thị Thanh Bình
Trường học	Đại học Quốc gia TP.HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Điện
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2017
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	130
Dung lượng	6,04 MB