Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Áp dụng giải thuật COA để giải bài toán phân bố công suất tối ưu

Như chúng ta biết năng lượng điện gần như không thêdự trữ được do đó bài toán sử dụng năng lượng điện như thế nào tiết kiệm nhất vàhiệu quả nhất nhằm đảm bảo cung cấp điện tin cậy cho qu

GIỚI THIỆU

GIỚI THIEU CHUNG VE DE TÀI

Trong tinh hình thé giới hiện nay đang phải đối mặt với nhiều van dé khó khăn của xã hội như là van dé thiếu lương thực, y tế, khủng hoảng năng lượng(đặt biệt là năng lượng điện) do sự gia tăng dân số quá nhanh, từ đó hệ thống điện cũng liên tục được mở rộng Như chúng ta biết năng lượng điện gần như không thê dự trữ được do đó bài toán sử dụng năng lượng điện như thế nào tiết kiệm nhất và hiệu quả nhất nhằm đảm bảo cung cấp điện tin cậy cho quá trình sản xuất của xã hội đã trở thành van đề nóng bỏng mà các nhà khoa học đã, đang va sẽ tiếp tục nghiên cứu để tìm ra phương pháp tôi ưu nhất để giải quyết bài toán này.

Do tính chất tiêu thụ điện ở các khu vực trong từng thời điểm là khác nhau cho nên trào lưu công suất trên các đường dây truyén tải liên tục thay đổi theo thời gian chang hạn như tại một thời điểm nao đó trong hệ thống điện có những đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác non tải và ngược lại Vì thế việc sử dụng hiệu qua và tối ưu các nguồn cung cấp nhăm thay đổi trào lưu công suất, không làm quá tải mà vẫn đảm bảo được cung cấp điện tin cậy mà không can phải cải tạo nâng cấp hệ thống điện là một van dé mà các nhà khoa học rất quan tâm.

Vì thế bài toán phân bố công suất tối ưu(Optimal Power Flow-OPF)[1-5] đã được thiết lập nhằm nâng cao khả năng tận dụng hệ thong điện hiện có ma không cần phải nâng cấp cải tạo Bài toán OPF đã có lịch sử phát triển rất lâu, bài toán OPF được Tommel và Tinney[5] xây dựng trên cở sở bài toán điều phối kinh tế(Economic Dispatch-ED) được giới thiệu bởi Carpentier năm 1962[6].

Rất nhiều phương pháp, rất nhiều thuật toán được đưa ra để giải quyết bài toán này chang hạn như: phương pháp cổ điển(phương pháp điểm suy nội[7].

Newton-Raphson[8], Quy hoạch tuyến tính(Linear Progrmaming)[8], Quy hoạch ph tuyến(Nonlinear Progrmaming)[8], Tabu Search|3|, SA-SimulatedAnnealing[9] ), phương pháp quy hoạch tiến hóa(GA-Genetic

Algorithm[4,5,16,19], DE-Differential Evolution[2], ACO-Ant Colony

Optimization[1], PSO-Particle Swarm Optimization[10-11,20-23] ) va phương pháp lai cải tiến kết hợp giữa hai phương pháp trên.

Trong đó sự phát triển của phương pháp dựa trên trí thông minh nhân tạo và tiến hóa đang phát triển rất mạnh mẽ Trong luận văn này đề cập đến một phương pháp hoàn toàn mới, một giải thuật ra đời vào năm 2012 có tên gọi là Cuckoo optimization Algorithm (COA) Giải thuật COA là phương pháp dựa trên sự tối ưu bay đàn thông qua việc đi tìm vị trí đặt trứng tối ưu nhất và kèm theo việc di chuyển đến vị trí sống có môi trường tốt nhất Giải thuật COA được lay cảm hung từ cuộc sống đặc biệt của loài chim Cuckoo Chim Cukoo sau khi đẻ trứng sẽ không ấp trứng, cũng không nuôi dưỡng chim non mà sẽ gap trứng của nó đặt vào tổ của những loài chim chủ khác Nếu trò lừa bịp này diễn ra thành công, chim Cuckoo non sẽ được ấp và nuôi dưỡng bởi loài chim khác Quá trình diễn bién qua nhiều thế hệ cho thay loài chim Cuckoo có xu hướng hội tụ về một môi trường tốt nhất cho việc đặt trứng và sinh sống Mặt dù phương pháp COA có tuổi đời còn rất trẻ mới được đề xuất bởi Ramin Rajabioun, và nó đã được chứng minh tính ưu việt so với các giải thuật GA và PSO ở điểm cho lời giải tốt hơn và thời gian chạy ngắn hơn khi giải quyết các hàm toán học chuẩn.

MỤC TIỂU CUA DE TÀI

Bài toán phân bồ công suất tối ưu(OPF) đã có lịch sử phát triển từ rat lâu nó có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong quy hoạch và điều khiến hệ thống điện Tuy nhiên cho đến nay nhiều van đề liên quan đến bài toán OPF vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện chăng hạn như sự đảm bảo tính hội tụ đến lời giải tôi ưu đối với bài toán OPF không lỗi dạng tổng quát cũng như độ tin cậy của thuật toán mà các phương pháp cô điển và hiện tại chưa giải quyết được.

Hau hết các phương pháp đều gặp phải 3 van đề chính: Một là, các phương pháp này có thể không đưa ra được lời giải tối ưu hoặc thường bị kẹt ở lời giải tối ưu Hai là, tất cả các phương pháp nay đều dựa trên giả định hàm mục tiêu là hàm liên tục và khả vi mà không đúng đối với hệ thống thực tế Ba là, các phương pháp nay đều không thé áp dụng cho các biến rời rac.

Vì thé chỉ có thé thuật toán dựa trên trí thông minh nhân tạo và tiến hóa mà điển hình là giải thuật COA mới phù hợp với các loại bài toán này và loại trừ bỏ được các vẫn đề khó khăn trên.

Thuật toán này uyén chuyền hơn, thích ứng tốt hon và vững chắc hon so với các phương pháp khác Kết quả áp dụng thuật toán COA được so sánh với các bài báo khác để thấy được tính hiệu quả của phương pháp.

PHAM VI NGHIÊN CUU

Mục đích nghiên cứu nêu ra ở đây là ứng dụng giải thuật COA để giải bài toán OPF đơn mục tiêu Ở đây hàm mục tiêu là hàm cực tiểu tổng chi phí nhiên liệu máy phát với các ràng buộc về công suất máy phát, về điện áp tại các nút máy phát, điện áp tại các nút tải, về công suất trên đường dây truyén tải và chỉ số chỉnh định máy biến áp(MBA) áp dụng trong các hệ thông nút chuẩn là IEEE-30 nút, IEEE-57 nút và [IEEE-118 nút.

Kết quả đạt được tốt hơn và triển vọng hơn khi được so sánh với các kỹ thuật tôi ưu hóa khác.

NỘI DUNG LUẬN VĂN

Chương 1: Giới thiệu tong quan vé van dé trong luan van, vé muc tiéu va phạm vi nghiên cứu của đề tài.

Chương 2: Giới thiệu tong quan về bài toán OPF cũng như các phương pháp đã được áp dụng để giải quyết bài toán.

Chương 3: Mô hình toán của bài toán OPF.

Chương 4: Giới thiệu giải thuật COA và áp dụng giải thuật này vào bài toán

OPF trong hệ thống điện.

Chương 5: Kết quả mô phỏng ứng dụng thuật toán COA vào bài toán OPF trong hệ thông điện chuẩn IEEE 30 nút, IEEE 57 nút và IEEE 118 nút Kết qua được so sánh với các bài báo khác để thấy được tính ưu việt của thuật toán COA.

Chương 6: Đánh giá thuật toán thông qua kết quả mô phỏng của thuật toán, nêu ra những van đê tôn động và đưa ra hướng nghiên cứu tiêp theo.

TÔNG QUAN

TONG QUAN VE BÀI TOÁN OPF

Một trong những yêu cầu quan trọng nhất trong vận hành hệ thống điện(HTĐ) là đảm bảo tính kinh tế trong việc sản xuất, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng Đề thực hiện yêu cầu đó cần đảm bảo cho HTD làm việc với chi phí thấp nhất, muốn vậy cần phải giảm đến mức tối thiểu chi phí nhiên liệu và ton thất điện năng.

- Giảm chi phí nhiên liệu: Sử dụng hiệu quả các nguồn nước của thủy điện, phối hợp sử dụng nước của thủy điện với sử dụng các nhà máy nhiệt điện và phối hợp giữa các nhà máy nhiệt điện với nhau sao cho chi phí sản xuất điện năng là nhỏ nhất.

- Giảm tốn thất điện năng: Giảm ton thất điện năng có ý nghĩa rất lớn trong vận hành HTD Giảm tốn thất điện bao gom thiét lap chế độ sử dụng điện, lựa chọn cơ cau thiết bị vận hành hợp lý và phân bố công suất tối ưu giữa các phan tử trong

Trong đó bài toán phân bố công suất tối ưu (OPF) là bai toán có ý nghĩa quan trọng trong vận hành HTD Do tính chất đặc thù điện năng gần như không thé lưu trữ được và trào lưu công suất trên các đường dây truyền tải liên tục thay đối theo thời gian Chăng hạn như tại một thời điểm nào đó trong hệ thống điện có những đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác lại non tải và ngược lại Vì thế việc sử dụng hiệu quả và tối ưu các nguồn cung cấp nhằm thay đổi trào lưu công suất mà không làm quá tải trong khi vẫn đảm bảo được cung cấp điện tin cậy của hệ thống điện.

OPF được sử dụng rộng rãi trong vận hành và quy hoạch hệ thống điện.

Modul OPF là dòng tải thông minh sử dụng các kỹ thuật để tự động điều chỉnh sự thiết lập điều khiến hệ thống điện trong khi thỏa mãn được các điều kiện vận hành và dòng phân bô tải với các ràng buộc cụ thê.

Bài toán OPF được xem như là bài toán ghép đôi của điều phối sự phát công suất tác dụng( Economic Dispatch Problem-EDP)[3] và điều phối công suất phản kháng Mục tiêu chính của bai toán EDP là xác định kế hoạch phát công suất để cực tiêu hóa tong chi phí vận hành hệ thống mà không vi phạm bat cứ ràng buộc vận hành nào của hệ thống như quá tải đường dây hay độ sai lệch điện áp nút Trong khi đó mục tiêu của điều phối công suất phản kháng là dé nâng cao 6n định điện áp và giảm tốn thất công suất truyền tải trong hệ thống điện mà thỏa mãn tất cả các ràng buộc vận hành.

Mục tiêu cơ bản của bài toán OPF là cực tiểu tổng chi phí nhiên liệu máy phát trong khi vẫn đảm bảo độ an toàn hệ thống Từ quan điểm của bài toán OPF, sự duy trì độ an toàn hệ thông đòi hỏi mỗi thiết bị trong hệ thống điện phải được giữ hoạt động trong giới han cho phép dé đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và 6n định Nó bao gồm giới hạn công suất đầu ra máy phát trong khoảng lớn nhất và nhỏ nhất, dòng công suất lớn nhất trên đường dây truyền tải và MBA cũng như giữ điện áp mỗi nút trong khoảng giới hạn an toàn.

Mục tiêu thứ hai của bài toán OPF là dé xác định dữ liệu chi phí biên của hệ thống.

Lời giải bài toán OPF tuy khó hơn nhưng vẫn có nhiều thuận lợi hơn so với bài toán điều phối kinh tế cô điển trong hệ thống điện Bài toán OPF có khả năng thực hiện các chức năng điều khiến cần thiết trong khi bài toán điều phối kinh tế(ED) chỉ điều khiển công suất ngõ ra máy phát| 16] Bài toán OPF còn có khả năng giám sát sự an toàn của hệ thống bao gồm quá tải đường dây và vẫn đề điện áp thấp, điện áp cao.

Hau hết các phương pháp cổ điển và các phương pháp thông thường đều gặp phải 3 van dé chính: Một là, các phương pháp này có thé không đưa ra được lời giải tối ưu hoặc thường bị kẹt ở lời giải tối ưu Hai là, tất cả các phương pháp này đều dựa trên giả định hàm mục tiêu là hàm liên tục và khả vi mà không đúng đối với hệ thống thực tế Ba là, các phương pháp này đều không thể áp dụng cho các biến rời rạc.

Vì thế kỹ thuật tối ưu mới dựa trên trí thông minh nhân tạo và tiễn hóa được giới thiệu ở đây mà điển hình là phương pháp PSO mới phù hợp với loại bài toán OPF phức tap này và loại trừ bỏ được các van dé khó khăn trên.

*Cơ sở phát triển của bài toán OPF

Bài toán phân bố công suất tôi ưu trong HTD ban đầu chỉ với mong muốn tối thiểu chi phí vận hành nguồn phát và tải cho trước(bài toán điều độ kinh tế truyền théng- Economic Dispatch).

Hon 25 năm trước nhà khoa hoc Carpentier đã dé xuất mô hình qui hoạch phi tuyến tổng quát bài toán điều độ kinh tế bao hàm các ràng buộc về điện áp, về công suất và các điều kiện ràng buộc vận hành khác[1 1] Từ đó các phương pháp mới ra đời để giải quyết bài toán OPF như ngày nay.

Bài toán OPF chuẩn có thé được viết dưới dạng sau:

Min F(x, u) (2.1) Phụ thuộc vào: g(x, u) = 0 h(x,u) < 0 Trong đó:

F(x, u) là hàm mục tiêu x là vector các biến phụ thuộc bao gồm: công suất tác dụng nút chuẩn Pc¡ điện áp nút tải Ứ„, công suất phan kháng ngõ ra máy phát Ợc và công suất trên đường dây truyền tải Š¡, vì thế x? = [Pe;, V¿ @c, 51] u: là vector các biến độc lập bao gồm: điện áp máy phát V,, công suất tác dụng ngõ ra máy phat Pe trừ nút chuân P¿¿ và chỉ số chỉnh định MBA T, vì thế ul = [Wạ,Pc, T] g(x, u) là các ràng buộc dang thức va thay thé cho các phương trình dòng phân bố tai. h(x, u) là các ràng buộc bat đăng thức va thay thé cho các ràng buộc vận hành hệ thống bao gồm: các ràng buộc về sự phát công suất, ràng buộc về điện áp, ràng buộc về độ an toàn hệ thống và ràng buộc về chỉ số chỉnh định MBA.

Bản chất của bài toán phân bố công suất tối ưu thể hiện qua việc làm đơn giản hàm mục tiêu và đồng thời thỏa mãn các phương trình dòng phân bố tải(ràng buộc dang thức) mà không vi phạm các ràng buộc bat đăng thức.

TÔNG QUAN VÉ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÃ ĐƯỢC ÁP DỤNG ĐÈ GIẢI BÀI TOÁN OPF

Dang tổng quát của bài toán OPF được định nghĩa như (2.1) Trong phương pháp Newton-Raphson hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc được cụ thé như sau:

Xét bai toan trong hé thong điện có N nút va NG máy phát Mục tiêu là cực tiêu hóa tông chi phí vận hành của nhà máy điện có đặc tính hàm chỉ phí sau:

+ Điều kiện cân bang công suất tác dụng trong mạng:

P, là công suất tác dụng bơm vào tại nút thứ i và là hàm của |V|, 6 Đối với nút tải thì i= (NG + 1),(NG + 2), N và P.¡=0

+ Điều kiện cân bang công suất phản kháng trong mạng điện:

Q;VỊ, 6) — Qz¡ — Qioaai =O vớii= (NG + 1),(NG +2), N (2)

Q;: công suất phản kháng bơm vào nút tải thứ ¡ và là hàm của |VỊ, 6 Qz¡: công suất phản kháng phát tại nút i

- Rang buộc bat dang thức:

Rang buộc vé an toan trong van hanh hé thong dién.

+ Giới hạn về sự phát công suất thực:

Poi min S Poi S Poi max với i=1,2, NG (2.5)

+ Giới han về sự phát công suất phản kháng:

Qgi mịn S Qgi S Qgi max VO! 1= 1,2, NG (26)

+ Giới hạn về biên độ điện áp nút tải:

Vilmin S [WÍ S [Vilmax với ù=(NG+1),(NG+2), N (2.7)

+ Giới hạn về góc điện áp: Ôi min = 9) S Simax VỚI i= 1,2, N (2.8)

Công suất phản kháng bơm vào nút i:

Bài toán tôi ưu hóa có ràng buộc có thê được chuyên sang bài toán tôi ưu hóa không ràng buộc băng cách làm tăng ràng buộc dòng tải vào hàm mục tiêu.

L(Pz, |VỊ, 6) = ằ F.(Pai) + ằ Api- [CIVIL ) — Pei + Boaa:] i=1 i=1

+ 3 Agi [QCIVL )— Qgi + Qoaai (2.10) i=NG+1

Bài toán tôi ưu hóa được giải quyét nêu các phương trình sau được thỏa man điều kiện tôi ưu:

SH nói =0 2.11 OP,, OP, PL” (2.11) với i= 1,2, NG aL wy ap ` ôQ k k

Trong đó: Àpk› Àak: các hăng sô Lagrange

2.2.1.2 Phương pháp TS[3.,17] dụng rộng rãi trong các bài toán tối ưu hóa hệ thông điện với kết quả đạt được ấn tượng Sự thuận lợi của thuật toán TS là việc nó sử dụng sự ghi nhớ uyễn chuyển của lịch sử tìm kiếm dé ngăn ngừa dao động và tránh bị kẹt ở giá tri tối ưu cục bộ.

TS có thé giải quyết được các bài toán không lôi, không phăng

* Mô hình toán hoc cua phương pháp TS

Dang tổng quát của bài toán OPF được định nghĩa như trong (2.1) Trong phương pháp TS hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc được cụ thể như sau:

Bài toán phân bố công suất tối ưu nhằm cực tiểu hóa hàm mục tiêu trong hệ thống điện trong khi các ràng buộc đắng thức và bất đăng thức được thỏa mãn.

J: hàm mục tiêu cần cực tiêu hóa Dạng tong quát hàm mục tiêu trong bài toán OPF là hàm tổng chi phí nhiên liệu máy phát. f¡ : hàm chi phí nhiên liệu của máy phát thứ ¡ Hàm f; có thé là 1 trong 2 dạng sau:

+ Hàm chi phí là hàm bậc 2 f= ay t+ bP + cP (4) (2.14)

+ Ham chi phí là hàm bậc với thành phan sin(xét ảnh hưởng của điểm van công suất) f, = aj + bịPei + ciPé, + dị|sin(e¡(Pe?”" — Pei))| q8 (2.15)

- Rang buộc dang thức: ứ(x,u) = 0 (2.16) Các ràng buộc đăng thức bao gồm:

+ Điêu kiện cân băng công suât tác dụng trong mạng:

P là công suất tác dụng bơm vào tại nút thứ i và là hàm của |V|, 6 Đối với nút tải thì i= (NG + 1),(NG + 2), N và P,j=0

+ Điều kiện cân bang công suất phan kháng trong mạng điện:

Q;(V|, 6) — Qz¡ — Qioaai =0 vớii= (NG+1),(NG+2), N (2.18)

Q¡: công suất phản kháng bơm vào nút tải thứ ¡ và là hàm của |V|, 6 Qz¡: công suất phản kháng phát tại nút i

- Rang buộc bat dang thức: h(x,u) < 0 (2.19)

Các ràng buộc bất đăng thức bao gồm:

+ Ràng buộc máy phát: ¢ Điện áp máy phát:

Vệ" < Vo < Vảj2* với ¡ € NG (2.20) ¢ Công suất thực đầu ra máy phát:

PP" < Py < pax với ¡ €NG (2.21) ¢ Công suất phản kháng dau ra máy phát:

Gi S Qgi S Qa voii € NG (2.22)

Chi số chỉnh định MBA có dau phân áp được giới han bởi:

+ Rang budc vé an toan hé thong dién:

Rang buộc về điện áp tại nút tai và công suất tải trên đường dây VỊ?