DAI HOC QUOC GIA TP HCM
TRUONG DAI HOC BACH KHOA
NGUYEN DUC VINH
AP DUNG THUAT TOAN SYMBIOTIC ORGANISM
SEARCH DE TAI CAU TRUC LUOI DIEN PHAN PHOI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2Céng trinh dugc hoan thanh tai: Trwong Dai hoc Bach Khoa - DHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Võ Ngọc Điều (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét l : ¿Gv ve EtEvESESESEEeEsEessEssrrsrsrsssrse (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : c2 n tt tt EE 3E SEEEvEeseEsersrrsrssesee (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đông châm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có)
Trang 3DAI HOC QUOC GIA TP.HCM CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM
TRUONG DAI HOC BACH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VÁN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Đức Vinh -csccs sec: MSHV: 40900119
Ngày, tháng, năm sinh: 13/02/1991 57c s33 xssss>ss Nơi sinh: Quảng Ngãi
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện 2c Si Mã số : 60520202
I TEN DE TAI: Ap dung thuật toán Symbiotic Organism Search để tái cấu
tric lw6i dién phAn Phi cscs cssesescesescseescsssscsssssestsssstetssssrssestans
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:: .- St 3E xe tkeEkErkerkrrkrreerkeeo - Tìm hiều bài toán tái cau trúc lưới điện phân phối - 2 + 2 s+xvxsxvrxsreei
- Nghiên cứu và ứng đụng thuật toán Symbiotic Organism Search để giải bài toán tái cầu trúc lưới điện phân phối với các hàm mục tiêu là tôn thất công suất và cải thiện độ lệch điện áp nút .- - G1111 111 HT ng ng nh
- Áp dụng giải thuật cho lưới điện chuẩn IEEE và lưới điện thực tế
HI NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2018 25-552 sccxEEEEeExerkrrserxees IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018 525cc svsssse2 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Võ Ngọc Điều (5s 3xx
Tp HCM, ngay thang nam 20
CAN BO HUGNG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA
Trang 4LOI CAM ON
Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành dén PGS TS V6 Ngoc Diéu vi
những kiến thức và kinh nghiệm quý báu thầy đã truyền đạt cho tôi trong thời gian qua Thầy đã cung cấp những tài liệu quý báu, đặc biệt là các bài báo khoa học, phương pháp nghiên cứu giúp tôi định hình được ý tưởng cho luận văn này Với sự chỉ dẫn khoa học và hỗ trợ nhiệt tình khi tôi gặp khó khăn đã giúp tơi hồn thành luận văn này
Tôi cũng đặc biệt cảm ơn nghiên cứu sinh Trần Thế Tùng Trong những giai đoạn khó khăn nhất của quá trình thực hiện luận văn này, nghiên cứu sinh Trần
Thế Tùng đã hỗ trợ hết lòng giúp tôi có được những tài liệu tham khảo, phương
pháp làm việc khoa học đề hoàn thành tốt luận văn này
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Điện — Điện tử, phòng Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện tốt nhất về kiến thức và kỹ năng đẻ thực hiện luận văn Những kiến thức mà quý thầy cô trong khoa đã truyền đạt luôn có giá trị thực tiễn to lớn giúp tôi áp dụng thành công trong công việc của mình
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành tốt luận văn này
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả./
Tp Hồ Chi Minh, thang 06 năm 2018
Học viên
Trang 5TOM TAT LUAN VAN
Luận văn sử dụng thuật toán Symbiotic Organism Search (SOS) dé giai quyét bài toán tái câu trúc lưới điện phân phối với mục tiêu giảm tốn thất công suất và độ lệch điện áp nút
Thuật tốn SOS mơ phỏng sự tương tác giữa các loài sinh vật đề tồn tại và phát triển trong hệ sinh thái tự nhiên Thuật toán này được áp dụng đề tìm cẫu hình lưới điện mới với mục tiêu giảm tôn thất công suất và độ lệch điện áp nút sử dụng
phương pháp min-max để lựa chọn lời giải thỏa hiệp tốt nhất cho bài toán
Mức độ hiệu quả của thuật toán SOS được kiểm tra trên lưới điện chuẩn IEEE 33, 119 nút và các lưới điện thực tế 84, 136 nút Kết quả đạt được được so sánh
với các phương pháp khác cho thấy hiệu quả của thuật toán SOS trong việc giải
quyết bài toán tái cầu trúc với hai mục tiêu giảm tổn thất công suất và độ lệch điện
Trang 6ABSTRACT
This thesis presents a symbiotic organism search algorithm (SOS) for electric distribution network reconfiguration (NR) problem and the considered NR problem in this paper is to minimize real power loss and node voltage deviation
The SOS algorithm simulates the symbiotic interaction strategies adopted by organisms to survive and propagate in the ecosystem This algorithm is applied to find the new optimal radial distribution network for real power loss minimization and node voltage deviation using max-min method for selection of the final compromised solution
The effectiveness of the SOS algorithm has been tested on a standard IEEE 33-, 119-bus system and the real 84-, 136-bus system The obtained results are
Trang 7LOI CAM DOAN
Tôi cam đoan luận văn này hoàn tồn do tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa
học của PGS.TS Võ Ngọc Điều
Các đoạn trích dẫn trong luận văn đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi Kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác
Học viên
Trang 8MUC LUC
LOI CAM ON 4
TOM TAT LUAN VAN 5
LOI CAM DOAN 7
DANH SACH CAC HINH 11
DANH SACH CAC BANG 13
DANH SACH CAC TU VIET TAT 14
CHUONG 1: MO DAU 15
1.1 Ly do chon dé tai 15
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 16
1.2.1 Mục tiêu 16
1.2.2 Nhiệm vụ của luận van l6 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 16
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu l6
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu l6
1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 17
1.4 — Giá trị thực tiễn của luận văn 17
1.5 Nội dung luận văn 17
CHUONG 2: TONG QUAN VE BAI TOAN TAI CAU TRÚC LƯỚI ĐIỆN
PHAN PHOI 18
2.1 Tổng quan về lưới điện phân phối 18
2.1.1 Đặc điểm của lưới điện phân phối 18
2.1.2 Nhiém vu cua lưới điện phân phối 20 2.1.3 Hién trạng lưới điện phân phối hiện nay của Việt Nam 22
2.2 — Tái cấu trúc lưới điện phân phối 23
2.2.1 Các bài toán tái cầu trúc lưới điện phân phối 24
2.2.2 Các phương pháp đã được áp dụng đề giải bài toán tái cầu trúc lưới điện
phân phối 28
Trang 92.2.3 Kếtluận 37 CHUONG 3: THANH LAP BAI TOAN TAI CAU TRUC LUOI DIEN PHAN PHOI 39 3.1 — Đặt vấn đề 39 3.2 Mơ hình tốn học bài toán tái câu trúc lưới điện phân phối 39 3.2.1 Hàm mục tiêu 41 3.2.1.1 Hàm mục tiêu cho tôn thất công suất 41 3.2.1.2 Hàm mục tiêu cho độ lệch điện áp 41
3.2.2 Phuong phap min-max 41
3.2.3 Các vẫn đề ràng buộc 42
3.2.4 Xây dựng vòng độc lập 42
3.2.5 _ Giải thuật kiểm tra cấu trúc hình tia của LĐPP 47 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG THUẬT TOÁN SYMBIOTIC ORGANISM SEARCH
ĐỀ GIẢI BÀI TOÁN TÁI CÂU TRÚC LĐPP 49
4.1 Phương pháp Symbiotic Organism Search 49 4.1.1 Mutualism phase (hé6 sinh) 51 4.1.2 Commensalism phase (hội sinh) 52 4.1.3 Parasitism phase (ky sinh) 53
4.2 Các bước thực hiện thuật toán SOS để giải bài toán tái cấu trúc lưới điện 53 CHUONG 5: KET QUA TINH TOAN 56 5.1 Thiết lập các tham số 56 5.1.1 Tham số ước lượng bộ đếm (FE) 56 5.1.2 Số cá thể (ecosize) 56 5.1.3 Số vòng lặp tối đa 56
5.2 Mạng điện phân phối IEEE 33 nút 57
5.2.1 Giới thiệu Mạng điện phân phối IEEE 33 nút 57
5.2.2 Áp dụng giải thuật SOS cho mạng điện IEEE 33 nút 58
5.3 Mạng điện 84 nút 61
5.3.1 Giới thiệu mạng điện phân phối 84 nút 61
Trang 105.4 Mạng điện IEEE 119 nút 66
5.4.1 Giới thiệu mạng điện phân phối IEEE 119 nút 66
5.4.2 Áp dụng giải thuật SOS cho mạng điện IEEE 119 nút 68
5.5 Mạng điện 136 nút 71
5.5.1 Giới thiệu mạng điện phân phối 136 nút 71 5.5.2 Áp dụng giải thuật SOS cho mạng điện 136 nút 72
Trang 11DANH SACH CAC HINH
Hinh 2.1: LDPP cao thé/trung thỂ - - - tt 113 v13 95111117 xe rkrrrrkes 18 Hình 2.2: LDPP trung thế/hạ thẾ - 5 s33 E2 EESEEEEEEEEkEEEEkrkrkrkrrers 19
Hình 2.3: VỊ trí và vai trò của LĐPP .- - L + xxx vn 21 Hình 2.4: Giải thuật của Merlin & Back được Shirmohammadli chỉnh sửa 30 Hình 2.5: Lưu đồ giải thuật của Civanlar - - ¿5c c6 E‡ESEErkeEzrkrsereree 32 Hình 3.1: Câu hình ban đầu của mạng điện 323 núT - cv sssssee 43 Hình 3.2: Mạng điện lỐ nÚT - G c1 23 1S ng ng ng hp 43 Hình 3.3: Mô tả phương pháp xác định vòng độc lập cho nhánh 14 [11] 44 Hình 3.4: Lưu đồ giả1 thuật xác định vòng độc lập . - 7c ssssss+ 46
Hình 3.5: Lưu đồ giải thuật kiêm tra lưới điện hình tia 5: 555255: 48
Hình 4.1: Cuộc sống cộng sinh của các cá thể khác nhau trong hệ sinh thái 50
Hình 4.2: Mô hình hiền thị sự thích nghi bằng cách hỗ sinh trong hệ sinh thái 5 l
Hình 4.3: Mô hình hiển thị sự thích nghi bằng cách hội sinh trong hệ sinh thái 52
Hình 4.4: Mô hình hiền thị sự thích nghi bằng cách ký sinh trong hệ sinh thái 53 Hình 5.1: Mạng điện phân phối IEEE 33 nút - ¿+ ¿5 2c xzxeEzrxeszrzrei 57 Hình 5.2: Đặc tính hội tụ của tổn thất công suất tác dụng cho mang dién IEEE 33 "1 a ‹.đ - 59 Hình 5.3: Đặc tính hội tụ của độ lệch điện áp cho mạng điện IEEE 33 nút 60 Hình 5.4: So sánh chất lượng điện áp trước và sau khi tái câu trúc mạng điện IEEE
S65 CC 60
Hình 5.5: Mạng điện 844 nÚT - G1 2n 1 ST vn nh ng ng hà 61 Hình 5.6: So sánh chất lượng điện áp trước và sau khi tái cầu trúc mạng điện 84
Hình 5.8: Đặc tính hội tụ của độ lệch điện áp cho mạng điện 84 nút 65
Hình 5.9: Mạng điện IEEE 1 I9 nÚT - Ặ G1 23 Hy ng ng 66
Trang 13DANH SACH CAC BANG
Bảng 2.1: Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cầu trúc lưới điện 27 Bảng 2.2: So sánh hiệu quả của một số thuật toán tái cầu trúc cơ bản 38 Bảng 5.1: Thông số của thuật toán SOS áp dụng vào bài toán .-: 57 Bang 5.2: Vòng độc lập mạng điện 33 nút G ch vn ko 58 Bảng 5.3: Tổng hợp so sánh kết quả của thuật toán SOS và các thuật toán khác cho mạng điện I[EEBE 32 TÚ - - 111910113 9101 1011 81v 1 gà ng ng nh 58 Bảng 5.4: Vòng độc lập mạng điện 84 núT - 5c S113 kseisssssises 62 Bảng 5.5: Tổng hợp so sánh kết quả của thuật toán SOS và các thuật toán khác cho mạng điện 84 nÚT - c1 SH 9T nh ng ng TH ng kh 63 Bảng 5.6: Vòng độc lập mạng điện IEEE 119 nút - c3 sxssvrvre 67 Bảng 5.7: Tổng hợp so sánh kết quả của thuật toán SOS và các thuật toán khác cho mạng điện TERE l 9 nÚT S1 HT ng gà ng ng h 68 Bảng 5.8: Tông hợp so sánh kết quả của thuật toán SOS và các thuật toán khác cho
mạng điện I3 TÚT - ch ng gà gà ng và 72
Trang 14LDPP SOS PSO IEEE GA ACSA FCO LBFCO ES SA ANN
DANH SACH CAC TU VIET TAT
: Lưới điện phân phối
: Symbiotic Organism Search : Particle Swarm Optimization
: Institute of Electrical and Electronics Engineers : Genetic Algorithm
: Ant Colony System Algorithm : Fuse Cut out
: Load Break Fuse Cut Out : Expert System
Trang 15CHUONG 1: MO DAU 1.1 Ly do chon dé tai
Theo thống kê của Điện Lực Việt Nam, tốn thất năng lượng trên lưới điện phân
phối hiện nay đo được là từ 7% - 8% so với 2% - 3% trên lưới điện truyền tải [1]
Việc giảm tốn thất cho mạng phân phối là một việc làm rất có quan trọng, vì chỉ cần giảm đi 1% tốn thất điện năng thì cũng có ý nghĩa rất lớn Việc giảm tôn thất điện năng góp phần làm giá thành điện năng giảm, và dẫn đến hạ giá thành các sản phẩm khác có sử dụng điện để sản xuất ra sản phẩm đó và thúc đây kinh tế phát triển, phục vụ nhu cầu dân sinh ngày càng cao
Tuy nhiên, không phải việc giảm được tối thiểu điện năng lúc nào cũng đồng
nghĩa với việc đạt được kết quả cao trong việc vận hành kinh tế mạng phân phối Nó còn tùy thuộc vào các đặc điểm riêng của mạng phân phối đó Do đó, việc
nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối là một nhu cầu mang tính cấp thiết và hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích về mặt kinh tế
Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối (LĐPP) như:
—_ Tối ưu hóa các chế độ vận hành lưới điện: tái cấu trúc lưới điện, giám
sát tự hoạt động
— Hạn chế vận hành không đối xứng
— Giảm chiều dài đường dây, cải thiện dây dẫn điện
— Lắp đặt hệ thống tụ bù công suất phản kháng đảm bảo hệ số công suất COS
— Tăng dung lượng các máy biến áp chịu tải nặng, lựa chọn các máy biến
áp có tỷ lệ tốn thất thất nhất, lõi thép làm bằng vật liệu thép tốt, lắp đặt
các máy biến áp 1 pha
Các biện pháp này đều khả thi về mặt kỹ thuật nhưng lại tốn chỉ phí đầu tư và
lắp đặt thiết bị Trong khi đó, biện pháp tái cấu trúc lưới thông qua việc chuyển tải
bằng cách đóng mở các cặp khóa điện có sẵn trên lưới cũng có thể giảm tốn thất điện năng đáng kê khi đạt được cân bằng công suất giữa các tuyến dây mà không cần nhiều chỉ phí dé cải tạo lưới điện Không chỉ dừng lại ở mục tiêu giảm tồn thất điện năng, tái câu trúc lưới điện phần phôi còn có thê nâng cao khả năng tải của
Trang 16
lưới điện (cân bằng tải), giảm sụt áp cuỗi lưới và giảm thiêu số lượng hộ tiêu thụ
mất điện khi có sự cỗ hay khi cần sữa chữa đường dây
Trong quá trình vận hành thực tế, việc tái cấu trúc lưới trong điều kiện phải thỏa mãn các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khóa điện trên hệ thống điện phân phối là điều vô cùng khó khăn, do đó cần một phương pháp hiệu quả để giải quyết van đề này một cách tối ưu Đó là lý do mà đề tài: “Áp dụng thuật toán Symbiotic Organism Search (SOS) để giải bài toán tái câu trúc lưới điện phân phối” được chọn
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 1.2.1 Mục tiêu
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu vẫn đề: “Ứng dụng thuật toán
Symbiotic Organism Search để giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối
với mục tiêu là giảm tốn thất công suất và cải thiện độ lệch điện áp nút.” 1.2.2 Nhiệm vụ của luận văn
Luận văn giải quyết các nhiệm vụ chính sau:
—_ Tìm hiểu bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối
—_ Nghiên cứu về phương pháp Symbiotic Organism Search
— Ứng dụng thuật toán Symbiotic Organism Search để giải bài toán tái cau trúc lưới điện phân phối với các hàm mục tiêu là tốn thất công suất và cải thiện độ lệch điện áp nút
— Áp dụng giải thuật cho lưới điện mẫu IEEE 33 và 119 nút
—_ Áp dụng giải thuật cho lưới điện thực tế 84 và 136 nút
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu
Tồn thất công suất tác dụng trên đường dây phân phối và cải thiện độ lệch điện áp nút
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu
— Áp dụng thuật toán SOS để giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối,
Trang 17— Ứng dụng cụ thể vào các hệ thống điện thực tế 84 và 136 nút
1.3.3 Phương pháp nghiên cứu
— Nghiên cứu về lý thuyết của thuật toán Symbiotic Organism Search, và đưa vào lập trình
— Sử dụng phần mềm MATLAB đề mô phỏng và phân tích để đưa ra cấu hình
hệ thống LĐPP tối ưu
1.4 Giá trị thực tiễn của luận văn
Khi xây dựng được giải thuật tái cầu trúc LĐPP và cho kết quả phù hợp, luận
văn chứng minh được một lưới điện có câu trúc thích hợp sẽ giảm được tôn thất công suất và cải thiện điện áp nút từ đó giảm được chỉ phí vận hành góp phần giảm được giá thành tiền điện năng cung cấp đến khách hàng sử dụng điện
1.5 Nội dung luận văn
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Tổng quan
Chương 3: Bài toán tái câu trúc lưới điện phân phối
Chương 4: Áp dụng giải thuật SOS để giải bài toán tái cau tric LDPP
đa mục tiêu
Chương 5: Kết quả tính toán
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Tài liệu tham khảo Phụ lục
Lý lịch trích ngang
Trang 18CHUONG 2: TONG QUAN VE BAI TOAN TAI CAU TRUC
LƯỚI ĐIỆN PHAN PHOI 2.1 Tổng quan về lưới điện phân phối
2.1.1 Đặc điểm của lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối (LĐPP) là lưới điện trực tiếp chuyên tải điện năng từ các
trạm biến thế trung gian đến khách hàng Lưới điện phân phối (LĐPP) sẽ nhận
điện từ hệ thống lưới truyền tải và chuyển nó đến hộ tiêu dùng điện năng Dòng
công suất sẽ đi từ nguồn (hệ thống lưới truyền tải) qua LĐPP đến cung cấp cho phụ tải Vì vậy, việc truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ sẽ sinh ra tôn hao trên lưới truyền tải và mạng phân phối (khoảng 10-15% tổng công suất của
hệ thống) [1]
Các đặc điểm của lưới điện phân phối [2]:
— Hệ thống phân phối điện năng được xây dựng và lắp đặt phải đảm bảo nhận điện năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ — Lưới điện phân phối gồm có 2 phần:
e_ Lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22 kV phân phối điện cho các
trạm phân phối trung/hạ áp và các phụ tải trung áp
©_ Lưới hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 380/220 V
Lưới Điện Phân Phối Cao The? Trung Thế me
Hình 2.1: LDPP cao thé/trung thé
Trang 19
Ï Aus ier of SU ‘ea ng 4 „ —_ re ' Ầ Lưới Điện Phân Phối Trung Thế? Hạ Thế ae [ Hình 2.2: LĐPP trung thhg thế — Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ ít gây ra mất điện nhất Bằng các biện pháp
cụ thê như có thể có nhiều nguồn cung cấp, có đường dây dự phòng, có nguồn thay thế như máy phát,
— Lưới điện phân phối vận hành dễ dàng linh hoạt và phù hợp với việc phát
triển lưới điện trong tương lai
— Đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất về ổn định tần số và ôn định điện
áp Độ biến thiên điện áp cho phép là + 5% Uạ„ [1]
— Đảm bảo chỉ phí tu dưỡng, bảo đưỡng là nhỏ nhất
Lưới phân phối cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải trong bán kính khoảng vài chục ki-lô-mét trở lại, có các đặc điểm chính sau:
—_ Điện áp định mức từ 6kV đến 35kV, đôi khi lên đến 66kV — 100kV [1]
— Tổng chiều dài đường dây và số lượng máy biến áp chiếm tỉ lệ lớn trong
toàn bộ hệ thống lưới điện
— Kết nối với lưới truyền tải thông qua các trạm trung gian hoặc các trạm khu vực
— Tôn thất công suất trên lưới phân phối chiếm 5 — 7% [1] tổng công suất của
hệ thống điện
Trang 20LĐPP có cấu trúc hình tia hoặc mạch vòng nhưng vận hành trong trạng thái hở trong mọi trường hợp Lý do của việc vận hành ở LĐPP:
— Tổng trở của LĐPP vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận hành vòng kín nên dòng ngăn mạch bé khi có sự có
— Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các loại relay đơn giản, rẻ tiền như relay quá dòng, thấp áp, mà không nhất thiết phải trang bị các loại relay phức tạp như định hướng, khoảng cách, so lệch, nên việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn và mức đầu tư cũng giảm xuống — Chỉ cần dùng cầu chì tự rơi (FCO: Fuse Cut Out) hay cầu chì tự rơi kết hợp
cat c6 tai (LBFCO: Load Beak Fuse Cut Out) để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên cùng một đoạn trục và phối hợp với Recloser để tránh sự cơ thống qua
— Khi có sự cố, do vận hành hở, nên sự cô không lan tràn qua các phụ tải khác
— Do duoc vận hành hở nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây dễ
dàng hơn và giảm được phạm vi mắt điện trong thời gian giải trừ sự cố
— Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới phân phối, thì phương án kinh tế là
các lưới hình tia
2.1.2 Nhiệm vụ của lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối có các nhiệm vụ sau:
— _ Cung cấp phương tiện để truyền tải năng lượng điện đến hộ tiêu thụ
— Cung cấp phương tiện để các công ty điện lực phục vụ điện năng đến nguoi tiêu thụ điện
Trang 21JJ = ¬ Hl May phat dién ne == Máy biển áp
Pe aes Tang áp lên 220KV - 400KY
nỗi với lưới truyền tải Pte 3 Ki) Lưới ` tải | : i pi Khu céng ; i | | | | nghiệp lớn \ | `» < Se ch x errr ek oh Ra eh) LẺ Hình 2.3: Vị trí và vai trò của LDPP
Các loại sơ đồ của LĐPP [2]:
— Hệ thống hình tia đơn giản
— Hệ thống vòng phía cao áp — hình tia phía hạ áp
Hệ thống chọn lọc phía cao áp — hệ thong chọn lọc phía ha áp —._ Hai nguồn phía cao áp — hệ thống chọn lọc phía hạ áp
— Hệ thống mạng hình nút
Những hệ thống này theo thứ tự có chi phí, tính linh hoạt và độ tin cậy tăng dần, do đó chúng được dùng cho những vùng có mật độ phụ tải tăng dần theo thứ tự trên
Trang 22Ở sơ đồ hình tia, điều thuận lợi là mạng lưới điện đơn giản, người sử dụng sẽ
nhận điện năng tại một trong các trạm biến áp đơn sau khi đã hạ cấp điện áp Thuận lợi cho việc lắp đặt các máy biến áp, thiết bị bảo vệ và dễ dàng quản lý lưới điện
Tuy nhiên, ở sơ đồ hình tia có độ sụt áp cao và hiệu quả sử dụng tương đối thấp bởi vì những đường dây cấp điện bên hạ áp là những nguồn cung cấp đơn Khi có sự cô ở đường dây hạ áp, thiết bi bảo vệ sẽ cắt toàn bộ tải trên đường dây đó
2.1.3 Hiện trạng lưới điện phân phối hiện nay của Việt Nam
Do điều kiện địa lý cũng như lịch sử Việt Nam, hệ thống điện Việt Nam nói chung phân bố rộng với nhiều cấp điện áp Sự tồn tại nhiều cấp điện áp buộc phải sử dụng nhiều loại thiết bị với xuất xứ khác nhau, điều đó gây trở ngại trong vận
hành và khó có thê thiết lập được chế độ làm việc kinh tế; thêm vào đó quá trình
cải tạo và quy hoạch cũng gặp nhiều trở ngại do thiếu các chỉ tiêu, định mức hợp lý, dẫn đến thiếu chính xác trong dự báo, lựa chọn thiết bị và lãng phí vốn đầu tư, kèm theo đó là quá trình gia tăng tôn thất, giảm chất lượng điện
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh về kinh tế dẫn đến
nhu cầu sử dụng điện năng tăng vượt bậc không những về số lượng phụ tải mà đòi hỏi chất lượng điện năng cung cấp cũng cao hơn Điều này đòi hỏi điện lực Việt
Nam phải đổi mới về cách thức quản lý — điều hành, về thiết bị, công nghệ, xây
dựng nhiều nhà máy điện, xây dựng và nâng cấp LĐPP Nhưng vẫn không đáp ứng kịp với nhu cầu sử dụng điện, đặc biệt LĐPP vẫn còn tồn tại một số hạn chế sau [3]:
—_ Vẫn tôn tại nhiều cấp điện áp trên LDPP (6,6 kV, 10 kV, 22 kV, 35 kV) — Recloser và máy cắt có tải (LBS) không được điều khiến từ xa và có số lượng
không dang ké nén chi phi déng/cat lớn và thời gian chuyển tải lâu
— Các tô đầu dây của máy biến áp tại các trạm trung gian không thống nhất, nên
Trang 23— Lưới điện phân bố rộng, cung cấp điện trực tiếp cho nhiều loại phụ tải khác nhau nên chịu tác động lớn của địa hình phân bố, điều kiện khí hậu của từng vùng mièn
Việc chuyển tải chỉ xảy ra khi:
— Chống quá tải đường dây, trạm biến áp trung gian ở những nơi phụ tải phát triển nhanh, vào giờ cao điểm hay khi có công tác sửa chữa các vòng truyền tải
—_ Tái cấu trúc khôi phục cung cấp điện sau khi cô lập sự cố hay sửa chữa, cải
tạo đường dây và trạm biến áp theo định kỳ
Vì các khó khăn trên, mục tiêu vận hành LĐPP phù hợp với điều kiện Việt Nam hiện nay có thê đề nghị như sau:
— Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát để tổn thất năng lượng là bé nhất
—_ Tái cấu trúc lưới điện chống quá tải, 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 — Khôi phục lưới điện sau sự cô hay cất điện sửa chữa
Xác định câu trúc lưới điện theo nhiêu mục tiêu như: tôn thât công suât bé nhât, mức độ cân băng tải cao nhât, sô lần chuyên tải ít nhât, sụt áp cuôi lưới
bé nhất cùng đồng thời xảy ra
Tái cấu trúc lưới điện giảm thiểu điện năng ngừng cung cấp cho khách hàng, đây là mục tiêu áp dụng cho những LĐPP sau cải tạo, có mức giảm tốn thất công suất không đáng kể
2.2 Tái cầu trúc lưới điện phân phối
Một đường dây trong LĐPP 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 tuân và trong từng mùa Vì vậy, trên các đường dây, đồ thị phụ tải không bằng và phải luôn có sự chênh lệch công suất tiêu
thụ Điều này gây ra quá tải đường dây và làm tăng tốn thất trên LĐPP
Trang 24
Đề chống quá tải đường dây và giảm tốn thất, các điều độ viên sẽ thay đổi cau hình lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khóa điện hiện có trên
lưới Quá trình này gọi là tái cau trúc lưới điện phân phối, nhằm đảm bảo các mục
tiêu vận hành cũng như giảm thiêu chỉ phí Đối với lưới điện phân phối, chỉ phí
chủ yếu được tối thiểu hóa là chỉ phí tổn thất điện năng
Có 2 loại khóa được sử dụng trong hệ thống phân phối sơ cấp, đó là khóa thường đóng và khóa thường hở Hai loại khóa này được thiết kế để dùng cho việc bảo vệ và quản lý cấu hình Tái cầu trúc lưới điện là quá trình thay đổi cấu trúc của LĐPP bằng việc thay đổi trạng thái đóng/mở của các khóa điện Vì có rất nhiều tổ hợp các khóa điện trong LĐPP nên việc tìm ra cách chuyển tải tốt nhất trong tổ hợp các khóa điện khi chuyên tải sẽ cần một thời gian rất dài và còn phải xem xét đến các điều kiện ràng buộc kỹ thuật Các ràng buộc đó là:
— Cấu trúc vận hành hở
—_ Cân bằng công suất
— 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
2.2.1 Các bài toán tái cầu trúc lưới điện phân phối
Các bài toán vận hành LĐPP mô tả các hàm mục tiêu tái câu trúc lưới điện:
s* Bài toán 1: Xác định cấu hình lưới điện theo đồ thị phụ tải trong một thời
đoạn đề chi phí vận hành bé nhất
Hàm mục tiêu này phù hợp với LĐPP phức tạp, được trang bị các khóa điện hiện đại, có khả năng đóng mở có tải, được điều khiến từ xa như recloser, hay nói
cách khác, bài toán 1 phù hợp với LĐPP có chi phí chuyên tải thấp, linh hoạt trong
vận hành, cấu trúc lưới có thê thay đổi nhiều lần trong ngày
Trang 25Trong thực tế, ngay cả ở những nước công nghiệp tiên tiến, chi phí chuyền tải
ảnh hưởng rất lớn đến quyết định thay đổi cấu trúc lưới Vì thế, trong vận hành, cầu trúc lưới chỉ thay đôi khi:
— Phải cô lập sự cố và tái cấu trúc lưới chống quá tải lưới, máy biến thế
nguồn
— Mức giảm tốn thất năng lượng ít nhất đủ bù đắp các chi phí chuyền tải Vì vậy, xuất hiện bài toán 2 — Xác định cấu trúc lưới điện không đôi trong thời gian khảo sát đề tôn thất năng lượng bé nhất
s* Bài toán 3: Xác định cấu hình lưới điện tại một thời điểm để tốn thất công
suất bé nhất
Nghiên cứu các giải thuật giải bài toán 1 và bài toán 2 là hết sức phức tạp Để
cho đơn giản hơn, mục tiêu được điều chỉnh lại là cực tiêu tổn thất công suất, Đây
chính là lý do xuất hiện thêm bài toán 3 “Xác định cầu trúc LĐPP có tốn thất công
suất bé nhất” Đã có rất nhiều các nghiên cứu giải quyết bài toán 3 trên LĐPP mà
tiêu biểu nhất là lời giải của Civanlar hay Merlin & Back ,chúng tạo thành hai
hướng nghiên cứu chính trong bài toán tái cầu trúc lưới điện phân phối
Bài toán tái cầu trúc LĐPP với hàm mục tiêu giảm tôn thất công suất tác dụng — bài toán 3 là một bài toán quan trọng, làm nền tảng hầu như cho tất cả các bài toán khác trong hệ thống các bài toán tái cầu trúc lưới
* Bài toán 4: Tái cầu hình lưới điện cân bằng tải (giữa các đường dây, máy biến thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng truyện tải của lưới điện
Giải thuật này áp dụng phù hợp cho những khu vực thường xuyên bị quá tải hay có phụ tải không ổn định Khi đó, để tránh quá tải đường dây và máy biến áp
nguồn cần phải có cấu trúc lưới điện phù hợp đề tải được lượng công suất lớn nhất
mà số lượng các phân tử quá tải trong lưới điện là bé nhất
* Bài tốn 5: Khơi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa
Đây là mục tiêu được đông đảo các nhà khoa học đề cập trong các nghiên cứu của mình Tuy có nhiều hướng nghiên cứu riêng biệt nhưng chủ yếu các giải thuật vẫn theo trình tự như sau:
— Loại bỏ phân tử bị sự cô trên lưới
Trang 26
—_ Tái cấu trúc lưới để cấp điện với số khách hàng tối đa mà không gây qua tải
% Bài toán 6: Xác định cấu hình lưới điện theo nhiều mục tiêu như: tổn thất
công suất bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyền tải ít nhất, sụt áp
cuối lưới bé nhất cùng đồng thời xảy ra (hàm đa mục tiêu)
Trong vận hành LĐPP có rất nhiều mục tiêu vận hành mà người điều khiến tai khu vực mà mình đang trực tiếp vận hành Tuy nhiên, việc chọn duy nhất một mục tiêu điền khiển theo từng thời điểm tỏ ra không có tính thuyết phục đối với người vận hành hơn khi cùng lúc thỏa mãn nhiều mục tiêu cùng lúc
% Bài toán 7: Xác định cấu hình lưới điện để đảm bảo mục tiêu giảm năng
lượng do việc ngừng cung cấp điện hay nâng cao độ tin cậy cung cấp điện
Bài toán I phù hợp với các lưới điện phức tạp, được trang bị các khóa điện hiện đại, có khả năng đóng mở có tải, được điều khiến từ xa như Recloser, hay nói cách khác bài toán 1 nên dùng cho lưới có chi phí chuyển tải và giá tốn thất năng lượng gần bằng nhau
Tuy nhiên không phải LĐPP nào cũng trang bị những khóa chuyên tải đắt tiền, có khả năng đóng cắt có tải và điều khiến từ xa Các lưới điện đơn giản được trang
bị các khóa điện chuyền tải phần nhiều trên lưới như FCO, LBECO, thì bài toán
2 thích hợp hơn
Nghiên cứu các giải thuật giải bài toán 1 và bài toán 2 là hết sức phức tạp Để
cho đơn giản hơn, mục tiêu được điều chỉnh lại là cực tiểu tổn thất công suất Đây chính là lý do xuất hiện thêm bài toán 3 “xác định cấu trúc lưới điện phân phối có
tôn thất công suất bé nhất” Đã có rất nhiều các nghiên cứu giải quyết bài toán 3 trên LĐPP mà tiêu biểu nhất là lời giải của Merlin và Back [4] hay của Civanlar
[5] các công trình này tạo thành hai hướng nghiên cứu chính trong bài toán tái câu
trúc lưới điện phân phối
Bài toán 4 thường được áp dụng tại những khu vực có sự tăng trưởng phụ tải nhanh chóng Khi đó để tránh quá tải đường dây và máy biến áp nguồn cần phải có cầu trúc lưới điện phù hợp đề tải được lượng công suất lớn nhất mà số lượng các
Trang 27Bài toán 5 tái câu trúc lưới điện phân phối sau sự cố cũng không kém phần quan trọng, và đã có rất nhiều nghiên cứu khoa học về vấn đề này Các giải thuật tập trung chủ yếu vào vẫn đề sử dụng hàm mục tiêu cân bằng tải và giảm số lần thao tác các khóa điện đề khôi phục lưới điện
Bài toán 6 là tái cầu trúc LĐPP theo hàm đa mục tiêu Trong rất nhiều mục tiêu vận hành mà người điều độ viên phải lựa chọn sao cho phù hợp với các đặc tính của lưới điện tại khu vực mà mình đang trực tiếp vận hành Tuy nhiên, chỉ chọn duy nhất một mục tiêu điều khiển theo từng thời điểm tỏ ra khó có tính thuyết phục đối với người vận hành hơn khi cùng lúc thỏa mãn nhiều mục tiêu
Trong đó bài toán 3 là một bài toán quan trọng, làm nên tảng hầu như cho tất cả
các bài toán khác trong hệ thống các bài toán tái cấu trúc lưới
Bảng 2.1: Phạm vì ứng dụng của các bài toán tái cầu trúc lưới điện
Tên bài toán 1 2 3 4 5 6 7 Khóa điện được điêu khiên v ⁄ v ⁄
từ xa
Chi phi chuyén tai thap,
không mất điện khi chuyên v v v v
$8 tải
k= | | |
5 ore Ẫ_ va: k
5 Chi phí chuyên tai cao, mat v v ⁄ v.v E điện khi chuyên tải
«<Q
ke 2 Lưới điện thường xuyên bị be aca ` ¬ v v v v
a qua tal
Lưới điện ít bị quá tải v v vẻịvw v Lưới điện hầu như không v v v v v qua tai
Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của một LĐPP cực tiểu tổn thất năng
lượng hay cực tiểu chi phí vận hành thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật vận hành ln là bài tốn quan trọng và kinh điển trong vận hành hệ thống điện Trong đó bài toán 3 là một bài toán quan trọng, làm nền tảng cho việc giải các bài tốn khác trong hệ thơng các bài toán tái câu trúc lưới
Trang 28
2.2.2 Các phương pháp đã được áp dung để giải bài toán tái câu trúc lưới điện phân phối
Có rất nhiều phương pháp để tái cấu trúc lưới phân phối, ví dụ như Phương pháp cô điển cho kết quả chính xác tuy nhiên lại không dùng được trong mạng phân phối thực tế do không gian thực nghiệm lớn sẽ mắt nhiều thời gian cho việc tìm kiếm cấu trúc tối ưu
Các nghiên cứu trước đây cho thấy có nhiều phương pháp nhân tạo để tái cầu trúc trên lưới phân phối như giải thuật Heruistic, giải thuật mô phỏng luyện kim (SA) Hai giải thuật nói trên có độ tin cậy tìm cẫu trúc tôi ưu không cao Ngày nay, một số phương pháp tiên tiến áp dụng các giải thuật trong trí truệ nhân tạo như giải
thuật Gen di truyền (GA), giải thuật kiến (ACS) được sử dụng nhằm giải quyết
các bài toán này Kết quả của các hướng nghiên cứu này cho tập nghiệm, giá trị hàm mục tiêu tốt hơn và tốc độ xử lý nhanh hơn
2.2.2.1 Kỹ thuật vòng kín — Giải thuật của Merlin va Back
Giải thuật của Merlin và Back [4] trình bày: “Đóng tất cả các khóa điện lại — tạo thành một lưới kín, sau đó giải bài toán phân bố công suất và tiến hành mở lần
lượt các khóa có dòng chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện có dạng hình tia”
Ở đây, Merlin và Back cho rằng với mạch vòng, LĐPP luôn có mức tôn thất công suất bé nhất Vì vậy, để có LĐPP vận hành hình tia, Merlin và Back lần lượt loại bỏ những nhánh có tốn thất công suất nhỏ nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi lưới điện đạt được trạng thái vận hành hở Trong quá trình thực hiện, thuật tốn khơng tính mức giảm AP khi phân bố lại phụ tải cho từng bước mà chỉ xét đến dòng chạy qua khóa điện Thuật tốn khơng tính tổn thất AP để so sánh lựa chọn cẫu trúc tỗi
ưu vì đã xuất phát từ điều kiện mở nhánh có dòng công suất bé nhất để mức tổn
thất AP là bé nhất 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 2n cấu trúc lưới điện nếu có n đường dây được trang bị khóa điện
Những ưu điểm của phương pháp này là:
e© Cấu trúc cuối cùng độc lập với trạng thái ban đầu của khóa điện
Trang 29Các hạn chế của phương pháp này là:
e Tải được giả định hoàn toàn là tải tác dụng và được cung cấp bởi các nguồn hiện tại sẽ không thay đổi trong quá trình thực hiện tái cẫu trúc
e_ Sụt áp trên lưới được cho là không đáng kể
e_ Các hạn chế khác của lưới điện cũng được bỏ qua
Dựa trên cơ sở thuật toán này, rất nhiều nhà nghiên cứu về sau đã phát triển, chỉnh sửa cho phù hợp với thực tế vận hành lưới điện cũng như yêu cầu về giảm
khối lượng tính toán và nâng cao năng suất, chất lượng điện năng Điển hình đó là thuật toán của Shirmohammadi [6] đã cải tiến phương pháp của Merlin & Back và đã thu được kết quả khả quan trong việc tìm kiếm giải pháp tối ưu hoặc gần tối ưu và trạng thái của các khóa điện không phụ thuộc vào câu trúc lưới Tác giả Shirmohammadi là người đầu tiên sử dụng kỹ thuật “bơm vào/ rút ra” một lượng
công suất không đổi để mô tả thao tác phân bố lại phụ tải trong LĐPP với giả thiết
dòng công suất bơm vào/rút ra là một đại lượng liên tục Phương pháp này khắc phục được tắt cả các nhược điểm chính của Merlin & Back
Xuất phát từ lưới điện ban đầu là lưới điện kín (sau khi đóng tất cả các khóa
điện trên lưới), giải bài toán phân bố công suất sẽ lựa chọn nhánh có đòng điện bé nhất trong các vòng độc lập Sau khi mở nhánh có dòng bé nhất trong lưới điện,
giải lại bài tốn phân bố cơng suất cho lưới điện mới, đồng thời kiểm tra các điều
kiện về chất lượng điện áp nút, khả năng mang tải của các tuyến dây còn lại Trong trường hợp không vi phạm chất lượng điện áp các nút và khả năng tải của nhánh, sẽ lặp lại các bước như trên cho đến khi lưới điện hoàn toàn hình tia và các phụ tải đều được cấp điện Trong trường hợp khóa điện vừa mở vi phạm điều kiện vận
hành, sẽ phải đóng khóa điện vừa mở và mở khóa điện có dòng bé nhất tiếp theo
trong lưới điện phân phối Sau đó giải lại bài toán phân bố công suất và tiếp tục
kiểm tra điều kiện vận hành cho đến khi lưới điện có cấu trúc hình tia
Sau khi chỉnh sửa, giải thuật này vẫn còn bộc lộ nhiều nhược điểm, có thê liệt kê như sau:
ø© Mac du da ap dung cdc luat heuristic, giải thuật này vẫn cần quá nhiều thời gian đề tìm ra được cấu trúc giảm tôn thất công suất
e Tính chất không cân bằng và nhiều pha chưa được mô phỏng đây đủ
Trang 30
e Tn that cua thiết bi trên đường dây chưa được xét đến trong giải thuật © Cai dat tat cả các vòng ở trạng thái không tối ưu
e Tôi ưu hóa các vòng độc lập
Tính điện áp trung bình tại các nút và dòng công suất trung bình —*|s_ Đánh dấu các vòng ở trạng thái không tối ưu khi có dòng công
suât không đôi ly Ree Không =—_ Cóvòngchưatôiưukhông? ——== | Có
Chọn vòng kế tiếp để tối ưu hóa
Ước tính tôn thât năng lượng sẽ giảm Chọn nhánh trong vòng để mở _ ———m— Có = Tìm được nhánhmởtô? — _——= | hôm — Đánh dấu vòng vừa mở là tối ưu ¥
Thay đổi cấu trúc lưới và lưu trữ để so sánh với vòng lặp kế tiếp 4
——]| Câu trúc lưới điện tôi ưu
Hình 2.4: Giải thuật của Merliin & Back được Shimoharmmadi chỉnh sửa 2.2.2.2 Kỹ thuật đối nhánh — Giải thuật của Civanlar
Giải thuật của Civanlar [5] dựa trên heuristics để tái cầu hình LĐPP Kỹ thuật
Trang 31Giai thuat Civanlar dugc danh gia cao nhờ:
— Xác định được hai quy luật đề giảm sé lượng khóa điện cần xem xét
° Nguyén tac chon khóa dong: viéc giam tôn thất chỉ có thể đạt được nếu
như có sự chênh lệch đáng kế về điện áp tại khóa đang mở
° Nguyên tắc chọn khóa mở: việc giảm tôn 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 tốn thất công suất tác dụng khi có sự thay đổi trạng thái của một cặp khóa điện trong quá trình tái cau trúc
A P(t) = Re{2(Diep li(Ew — Ew)")} + Rioop|Zien Lil” (2.1)
Trong đó: D: tập các nút tải được dự kiến chuyển tải I,: dòng điện tiêu thụ của nút thứ 1
E„ : tốn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút M Ey : tốn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút N Rsop : tông các điện trở trên vòng kín khi đóng khóa điện đang mở
Trang 32Giảm sô lân thao tác khóa điên bang es ~ — Các thao tác đóng cắt làm ~~ _—— piảm tôn thât công suât? =7 — — Thực hiện thao tác đóng/ cắt có mức iảm tổn thất công suất nhất nak 6 š Hệ thông * được xem là tôi ưu Phân bố công suất cho lưới điện mới ak — a tA ry „9° _ a= Kiém tra quá tải và a “— Độsutápchophép =” a = Chọn thao tác đóng/ cắt kế tiếp
Hình 2.5: Lưu đồ giải thuật của Civanlar 2.2.2.3 Các giải thuật dựa trên trí tuệ nhân tạo a Giải thuật gen (Genetic Algorithm - GA)
Trang 33tượng khác nhau khi giải quyết vấn đề tối ưu hóa Các vấn đề trong việc sử dụng GA dựa trên một nguyên tắc mã hóa và giải mã hiệu quả, cơ chế của nhiễm sắc thể đại diện cho mạng lưới phân phối và cầu trúc của chắc năng thé lực
Biểu diễn chuỗi dựa trên các chiến lược Heuristic:
Đối với mạng phân phối, khi đóng một khóa điện sẽ tạo ra một vòng kín Thuật toán đề nghị bat đầu bằng việc đóng tất cả các khóa điện để tạo một mạng vòng Mạng vòng này bao gồm nhiều vòng đóng và mỗi vòng phải có một điểm “mở” tốt nhất để cực tiêu tốn thất cho mạch hở Mở một khóa điện trong mỗi vòng sẽ có được cấu trúc mạng hình tia Tiếp theo là các biểu diễn chuỗi:
- Mỗi gen biểu diễn một khóa mở trong vòng, độ dài của chuỗi bằng số vòng
- Nếu chuỗi có một gen thì mạng có một vòng, mỗi gen trong chuỗi là khác nhau
-_ Nếu chuỗi có hau hay nhiều gen là khóa điện thông thường trong hai vòng khác nhau thì mạng có một nút bị cách ly
Quá trình tái sản sinh, lai hóa và dot bién:
Trong quá trình tái sản sinh, chọn một tập hợp các chuỗi cũ để sản sinh một tập các chuỗi mới dựa theo những quy luật hợp lý Trong quá trình lai hóa, chọn hai chuỗi một cách ngẫu nhiên từ dân SỐ Ở cùng một thời điểm Chọn một hay nhiều vị trí trên hai chuối và hoán đổi cho nhau (lai hóa đơn giản hoặc phức tạp) Quá trình đột biến được thực hiện rất hạn chế, sau mỗi chuyển đổi từ 100 — 1000 bit trong quá trình lai hóa, thay đổi một vị trí bit ngẫu nhiên bằng các khóa điện khác nhau trong vòng cho một chuỗi được chọn ngẫu nhiên từ dân số Phép toán này được sử dụng đề thoát khỏi một cực tiểu địa phương Tuy nhiên trong quá trình này, chuỗi mới tạo ra có thê vi phạm các ràng buộc hình tia và cách ly
b Giải thuật đàn kiến (Ant Colony System Algorithm - ACSA)
Ban đầu, số kiến bắt đầu từ tô kiến để đi tìm đường đến nơi có thức ăn Từ tô
kiến sẽ có rất nhiều con đường khác nhau để đi đến nơi có thức ăn, nên một con
kiến sẽ chọn ngẫu nhiên một con đường để đi đến nơi có thức ăn Quan sát loài
kiến, người ta nhận thấy chúng tìm kiếm nhau dựa vào “dâu chân” (chất hóa học pheromone) mà chúng dé lai trên đường đi Sau một thời gian lượng “dấu chân”
của mỗi chặng đường sẽ khác nhau Do sự tích lũy “dâu chân” của mỗi chặng
Trang 34
đường cũng khác nhau, đồng thời với sự bay hơi của “dẫu chân” ở đoạn đường kiến ít đi Sự khác nhau này ảnh hưởng đến sự di chuyến của những con kiến về sau đi trên mỗi đoạn đường Nếu “dấu chân” để lại trên đường nhiều thì sẽ có khả năng thu hút các con kiến khác di chuyên trên đường đi đó, những chặng đường còn lại do không thu hút được lượng kiến đi chuyển sẽ có xu hướng bay hơi “dẫu chân” sau một thời gian nhất định
Điều đặc biệt trong cách hành xử loài kiến là lượng “dẫu chân” trên đường đi có sự tích lũy càng lớn thì cũng đồng nghĩa với việc đoạn đường đó là ngắn nhất từ tô kiến đến nới có thức ăn Phương pháp này đưa ra để giải quyết các bài toán có không gian nghiệm lớn để tìm ra lời giải có nghiệm là tối ưu nhất trong không gian nghiệm đó với thời gian cho phép hay không gian tìm ra cấu trúc tối ưu hơn thì
đừng Phương pháp này cũng rất thích hợp để giải bài toán tái cấu trúc dé có thé
tim ra trong các cầu trúc có thể của mạng phân phối có một câu trúc có tốn thấy công suất là bé nhất
c Giải thuật tối ưu hóa bay dan (Particle Swarm Optimization - PSO)
PSO là một bầy đàn dựa trên kỹ thuật tính toán tiến hoa lay cam hứng từ hành
vi xã hội của loài chim liên kết lại hoặc liên minh cá Kế từ khi phát minh đầu tiên
vào năm 1995, PSO đã trở thành một trong những phương pháp phổ biến nhất được áp dụng trong các vấn đề tối ưu hóa khác nhau do sự đơn giản và khả năng tìm thấy gần các giải pháp tối ưu của nó Trong PSO, một cá thể của bầy di chuyên trong không gian tìm kiếm các vấn dé tiếp cận với các mục tiêu tối ưu Sự đi chuyên của mỗi cá thể trong bầy được xác định thông qua vị trí và vận tốc của nó Trong quá trình di chuyền, vận tốc của các cá thể được thay đối theo thời gian và vi tri cua chúng sẽ được cập nhật cho phù hợp VỊ trí tối ưu nhất là vị trí mà phần
lớn các cá thể tập hợp lại
d Mạng thần kinh nhân tạo — Artificial Neural Network (ANN)
Kim và các cộng sự đã đề xuất một g1ải thuật gồm hai giai đoạn dựa trên ANN trong nỗ lực tái cầu trúc hệ thống nhằm cực tiêu hóa tốn thất Nhằm tránh những
khó khăn liên quan đến khối lượng lớn các dữ liệu, Kim đã đề nghị chia hệ thống
Trang 35kiện của tải Việc ứng dụng ANN trong phương pháp này mang lại các kết quả tính toán nhanh vì không cần xem xét trạng thái đóng cắt riêng rẽ trong giải thuật tổng thể Tuy nhiên, ANN cũng chỉ có thể tìm ra được trạng thái lưới sau tái cấu trúc tốt như tập số liệu huấn luyện Chính vì vậy, tái cấu trúc lưới đề nghị dùng ANN cũng không thể chỉ ra được trạng thái cực tiêu
e Phương pháp mô phông luyện kim — Simulated Annealing Method
(SA)
Các thuật tốn mơ phỏng luyện kim lần đầu tiên được đề xuất bởi Scott Kirkpatrick, C Daniel Gelatt va Mario P.Vecchi vao nam 1953, tuy nhiên, nó dựa trên phương pháp mô phỏng Monte Carlo do Metropolis N vào năm 1953 [17]
Tên của thuật toán này xuất phát từ quá trình làm lạnh và kết tinh của một kim loại làm mát và ủ tương Ứng của một chất lỏng Ở nhiệt độ cao, một chất lỏng ngẫu nhiên phân tán các phân tử trong một trạng thái năng lượng cao Khi quá trình làm giảm nguồn nhiệt từ thời điểm này, các hạt từ từ vào một mạng có cầu trúc (pha rắn) tương ứng với từng mức năng lượng một điều rất quan trọng trong
suốt quá trình này là nhiệt độ của hệ thống đạt đến một trạng thái ôn định trước khi
giảm nhiệt độ đến cấp độ tiếp theo Khi nhiệt độ đủ thấp, câu trúc hệ thống đạt đến
trạng thái cơ bản hoặc điểm mà tại đó năng lượng của các chat ran duoc giam tối
thiểu Nếu như quá trình làm mát không được thực hiện đủ chậm, hệ thống không
còn ở trạng thái năng lượng tối thiêu, lúc này quá trình được gọi là quá trình dập
tắt [18]
Các trạng thái vật lý của quá trình Luyện kim cũng tương tự như việc xác định gần như toàn bộ các giải pháp tối ưu cho các vấn đề tối ưu hóa Ý tưởng cơ bản là bắt đầu với câu hình nguyên tử hiện hành Cấu hình này tương đương với
các giải pháp hiện thời của một vấn đề tối ưu hóa Năng lượng của các nguyên tử
tương tự với chi phí của các hàm mục tiêu và trạng thái cuối cùng tương ứng với cực tiêu của hàm chỉ phí
f Thuật toán Cuckoo Search (CSA — Cuckoo Search Algorithm)
Giải Thuật CS được đưa ra bởi Ramin RaJabioun, được đăng trên tạp chí Applied Soft Computing vào cuối năm 2011 [10] Đây là một giải thuật tối ưu lấy
Trang 36
cảm hứng từ đời sống của quần thê chim Cuckoo Những điểm đặc biệt trong cách sinh sống, cách đặt trứng và phát triển của chúng là nên tảng cho việc phát triển giải thuật mới này Chim Cuckoo đẻ trứng nhưng không ấp và nuôi dưỡng chim non, sau khi đẻ trứng chúng sẽ gắp trứng bỏ vào tổ của loài chim khác, nếu không bị phát hiện chim Cuckoo non sẽ được ấp và nuôi dưỡng bởi loài chim khác
Giống như những giải thuật tiến hóa khác, CS bắt đầu bởi một quân thê ban đầu
Quân thể Cuckoo ở những môi trường sống khác nhau bao gồm 2 đối tượng là chim Cukoo và trứng Trong suốt quá trình đấu tranh sinh tồn một số con Cuckoo hoặc trứng của nó bị tiêu diệt, số còn lại sẽ di chuyền tới môi trường sống tốt hơn roi tiếp tục quá trình sinh sản và đặt trứng Sự cố găng thích nghi với môi trường sống của chim Cuckoo hy vọng sẽ hội tụ lại tại một môi trường sống duy nhất và
tốt nhất (vị trí có cùng giá trị lợi nhuận và là giá trị lợi nhuận cao nhất) Đây cũng chính là lời giải cần tìm trong các bài toán tối ưu hóa Ứng dụng của giải thuật CS
đã được thử nghiệm trên các hàm toán học chuẩn và các van đẻ thực tế Điều này chứng minh khả năng giải quyết các vấn đề tối ưu hóa có mức độ khó cao của giải thuật
g Hệ chuyên gia — Expert System (ES)
Có nhiều nghiên cứu giải bài toán tái câu trúc LĐPP bằng cách sử dụng hệ
chuyên gia Có thể nói, hệ chuyên gia đã phối hợp được cách sử dụng các giải
thuật kết hợp heuristic và tối ưu hóa cũng như các giải thuật thuần túy heuristic với các luật bô sung dựa trên các điều kiện ràng buộc trong vận hành Taylor và Lubkeman đưa ra một hệ chuyên gia tái câu trúc LĐPP dựa trên sự mở rong cac luat cua Civanlar Taylor va Lubkeman m6 ta céc muc tiéu co ban cua họ như tránh quá tải máy biến áp, quá tải đường dây và độ sụt áp không bình thường, các
tác giả khẳng định rằng nếu thỏa mãn các điều kiện này sẽ dẫn đến tối thiểu hóa
Trang 372.2.3 Kết luận
s* Các bài toán tái cầu trúc lưới —- Hàm mục tiêu điều khiến LĐPP
Có nhiều bài toán tái cấu trúc LĐPP ứng với những hàm mục tiêu điều khiến
khác nhau Mỗi một bài toán có một phạm vi 4p dung nhat dinh phù hợp cho từng lưới điện cụ thể Tuy nhiên, chúng có những nét cơ bản giống nhau:
—_ Phần lớn các bài toán tái cầu trúc theo các mục tiêu khác nhau nhưng đều sử dụng bài toán 3 — xác định cấu trúc LĐPP giảm tốn thất công suất tác dụng 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 đổi nhánh của Civanlar hay kỹ thuật vòng kín của Merlin & Back nên hay bị rơi vào cực tiêu địa phương và sử dụng các giải thuật trí tuệ nhân tạo, tiến hóa mà
có hiệu quả nhất là giải thuật Gen
— Các giải thuật trong bài foán 3 đều tìm các phương án giảm trực tiếp giá trị hàm tôn thất công suất tác dụng tính cho toàn lưới, nên tiêu tốn khá nhiều thời gian vì phải giải bài tốn phân bố cơng suất nhiều lần trong quá trình lặp
* Các kỹ thuật giả bài toán tái cấu trúc lưới:
Khi tiếp cận các bài toán tái cấu trúc lưới, các nhà khoa học đều cho rằng
phương pháp giải tích tốn học khơng hiệu quả bằng các giải thuật tìm kiếm
Các giải thuật tìm kiếm được sử dụng trong bài toán tái câu trúc 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, tối ưu hóa bầy đàn,
Hầu hết các giải thuật tái câu trúc lưới không chỉ ra được câu trúc lưới có cực tiêu tồn thất công suất, hoặc không chứng tỏ được điểm tìm được là điểm cực tiểu toàn cục
Có thê tổng kết lại qua bảng 2.2 sau:
Trang 38Bảng 2.2: So sánh hiệu quả của một số thuật toán tái cấu trúc cơ bản
1 - Kỹ thuật đôi
nhánh thuần Heuristic
2 — Kỹ thuật vòng cắt
Heuristic kết hợp với kỹ thuật tối ưu
3 — Các kỹ thuật dựa trên trí tuệ nhân tạo
Hàm mục tiêu: Giảm AP
Xuất phát từ câu hình
ban đầu, cẫu hình tìm
kiếm không được định hướng rõ ràng, quá trình đổi nhánh và tái câu trúc dựa trên mức giảm AP lớn nhất Trong LĐPP có K khóa điện, phải giải bài tốn phân bố cơng suất K lần cho một lần lặp Dễ rơi vào cực trị địa phương Hàm mục tiêu: Giảm AP Xuất phát từ cầu hình kín, cầu hình tìm kiếm sẽ tìm điểm mở vòng có dòng công suất qua nhánh bé nhất Mô tả được ảnh hưởng của các trạm và nguồn trung gian Trong LĐPP có K khóa điện, phải giải bài tốn phân bố cơng suất K lần cho một lần lặp AP tính cho từng bước phân bồ lại phụ tải Có thẻ tránh được cực trị địa phương Hàm mục tiêu: Giảm AP Xuất phát từ cầu hình ban đầu Chọn ra các cầu hình ngẫu nhiên có thể tìm được trong LĐPP, xác định cau hình tốt nhất theo hàm mục
tiêu Dem cấu hình này thay đôi một số vị trí để tạo ra cầu hình mới
Từng vị trí khóa đóng mở đã được mã hóa thành chuỗi nhị phân Tính các hệ số thích nghi và hàm mục tiêu cho các cầu hình vừa mới tạo ra, và loại bỏ các cầu hình có hàm mục tiêu nhỏ hơn
Do phụ thuộc vào số câu hình tạo ra ban đầu đề có thể xác định được chọn Nên sẽ mất nhiều thời gian để chạy chương trình tìm hàm mục
tiêu cho các câu hình ban đầu
Trang 39CHUONG 3: THANH LAP BAI TOAN TAI CAU TRUC LƯỚI ĐIỆN PHAN PHOI
3.1 Dat van dé
Mục tiêu chính của bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối là tìm ra một cầu trúc lưới có lợi ích về kinh tế nhất nhưng vẫn đảm bảo về mặt kỹ thuật để lưới điện phân phối vận hành ôn định trong điều kiện vận hành bình thường cũng như sự cố
Những lợi ích về mặt kinh tế bao gồm chỉ phí cho tôn thất trên lưới điện, chi phí
chuyên tải (đóng cắt khóa điện), chi phí thiệt hại của khách hàng do bị ngừng cung
cấp điện, và cả chi phí không bán được điện của công ty điện lực Như vậy, tìm lời giải cho bài toán tái câu trúc lưới điện phân phối để giảm tốn thất công suất cũng chính là tìm ra cau trúc lưới phân phối có chi phí vận hành thấp nhất Mỗi cấu trúc
lưới điện phân phối được tạo ra từ cẫu trúc hiện tại bằng cách thay đổi trạng thái
đóng/mở các khóa điện (tie switch, selection switch)
LĐPP được tái câu trúc bằng cách mở các khóa điện phân đoạn và đóng các
khóa điện chuyển mạch sao cho cấu trúc lưới vẫn là hình tia và tất cả khách hàng vẫn đảm bảo cung cấp điện Do đó dòng công suất đi qua các nút, tôn thất công suất, và độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện cũng thay đôi
Trong luận văn, mục tiêu chính được xác định cụ thê là tái cầu trúc lưới điện
phân phối nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng và cân bằng tải
3.2 Mơ hình tốn học bài toán tái câu trúc lưới điện phân phối
Trong nội dung đề tài này sẽ xây dựng mơ hình tốn học bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối với các mục tiêu sau: tổn thất công suất và mức độ cân bằng công suất giữa các đường dây Các vòng lặp cơ bản được khởi tạo bằng cách sử dụng tuần tự đóng các khóa điện thường mở ban đầu
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 thê mâu thuẫn với nhau và không thê tính tốn thủ cơng bằng những kỹ thuật tối ưu đơn lẻ thông thường Công thức đa mục tiêu sử dụng chức năng min-max xác định tôn thât công suât và chỉ sô cân băng tải nhỏ nhât có thê giải quyêt vân đê
Trang 40
này Phương pháp này cho phép người vận hành cân nhắc sự thỏa hiệp tốt nhất giữa các mục tiêu mà không vi phạm các ràng buộc của bài toán Các thuật ngữ: P; Q; P J lụ max Ss < x 5 < < i,max Pr toss nb nl ns Nis SWij
Công suất tác dụng ngõ ra tại nút ¡ Công suất phản kháng ngõ ra tai nuit i Công suất tác dụng ngõ ra tại nút j Công suất phản kháng ngõ ra tại nút j Công suất tác dụng của tải tại nút i Công suất phản kháng của tai tại nút ¡ Công suất tác dụng của tải tại nút j
Công suất phản kháng của tải tại nút j Điện trở giữa nút ¡ và nút j Dòng điện giữa nút ¡ và nút 7 Dòng điện lớn nhất giữa nút ¡ và nút j Điện áp tại nút ; Điện áp tại nút 7 Điện áp nhỏ nhất tai nut i Điện áp lớn nhất tại nút i Tổng công suất tôn thất Tổng số nút Tổng số nhánh Tổng số nút nguồn Số khóa mở Trạng thái khóa điện tại nhánh giữa nút i va nút 7 (sw; = 0, nhánh 1) mở ; sw; = 1, nhanh ij đóng)