Ứng dụng thuật toán di truyền tái cấu trúc lưới điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN QUỐC THANH LONG ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN CHUYÊN NGÀNH : MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN MÃ SỐ NGÀNH : 2.06.07 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2007 Luận văn tốt nghiệp Cán hướng dẫn khoa học : TSKH HỒ ĐẮC LỘC Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, / /2007 Có thể tìm hiểu luận văn : - Thư Viện Cao Học Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh Phịng Quản lý Học sinh-Sinh viên Trường Cao đẳng Điện lực TP.HCM Người Thực Hiện : nqtlong@Yahoo.com Luận văn tốt nghiệp Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc Trường Đại Học Bách Khoa - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN : NGUYỄN QUỐC THANH LONG PHÁI : NAM NGÀY SINH : 18 - 09 -1978 NƠI SINH : BÀ RỊA-VŨNG TÀU CHUYÊN NGÀNH : MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN KHOÁ : 15 I TÊN ĐỀ TÀI : ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :  Xây dựng hàm mục tiêu tái cấu trúc lưới điện thỏa mãn điều kiện giảm tổn thất công suất đồng thời thỏa điều kiện ràng buộc lưới vận hành hình tia, tải khơng bị cô lập, cân công suất đường dây trạm biến áp, cực tiểu điện áp rơi, cực đại hệ số cân tải  Xây dựng giải thuật di truyền để tái cấu lưới điện thoả điều kiện  So sánh kết việc tái cấu trúc lưới điện sử dụng giải thuật di truyền so với phương pháp khác lưới điện nguồn Baran &Wu  Ứng dụng giải thuật di truyền tái cấu trúc lưới điện thực tế để xác định tổn thất nhỏ theo giải thuật chương trình xây dựng III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2007 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/07/2007 : TSKH HỒ ĐẮC LỘC V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN VI HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT : : VII HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ NHẬN XÉT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ NHẬN XÉT CÁN BỘ NHẬN XÉT TSKH HỒ ĐẮC LỘC Nội dung luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày tháng 07 năm 2007 PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC CHỦ NHIỆM NGÀNH Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Lời xin chân thành cảm ơn Thầy TSKH Hồ Đắc Lộc, Người tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô Khoa Điện Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM truyền đạt cho nhiều kiến thức kinh nghiệm suốt q trình học tập trường Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Q Thầy Cơ Phịng Đào tạo, Phòng Quản lý học sinh - sinh viên Trường Cao đẳng Điện lực TP.HCM tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành khóa học Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến anh Nguyễn Xn Ngun nhiệt tình giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Cuối cùng, cảm ơn thật nhiều đến Ba Mẹ, Vợ người thân, bạn bè đồng nghiệp động viên để tơi hồn thành khố học TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2007 Người thực Nguyễn Quốc Thanh Long Luận văn tốt nghiệp TÓM TẮT LUẬN VĂN Một lưới điện phân phối điển hình bao gồm trạm biến áp, đường dây, thiết bị liên kết đóng/cắt … tải Xác định liên kết khác có ảnh hưởng đến tính hiệu kinh tế khác lưới điện việc chuyển tải công suất từ nguồn đến nơi tiêu thụ Các công ty điện lực mong muốn tìm cấu trúc lưới phân phối hiệu nhất, lợi ích to lớn tìm cấu trúc có tổn thất lượng thấp lưới điện phân phối ba pha Nội dung luận văn tập trung xác định cấu trúc lưới điện phân phối việc tối ưu hóa hàm mục tiêu “Tái cấu trúc lưới để tổn thất lượng thấp nhất” thông qua việc cực tiểu hàm tổn thất công suất tác dụng biết công suất phụ tải cơng suất trung bình thời gian khảo sát Với ràng buộc kèm theo lưới hình tia, tải không bị cô lập, cân công suất đường dây trạm biến áp, hệ số cân tải giới hạn cho phép, độ sụt áp nhỏ Lời giải đưa luận văn dựa thuật tốn di truyền (Genetic Algorithm - GA), thơng qua việc mã hóa khóa điện đóng/mở thành bit nhị phân Thuật toán GA minh họa điều kiện tổng quát áp dụng chi tiết việc xác định cấu trúc lưới tối ưu mặt tổn thất; đồng thời giải thuật minh họa kiểm chứng chương trình viết ngơn ngữ Matlab 7.0 Chương trình kiểm tra thơng qua lưới điện mẫu Baran (1 nguồn, 32 nút, vòng 37 máy cắt), kết thu phù hợp với nghiên cứu trước Đồng thời áp dụng vào lưới điện thực tế Trạm biến áp Sóng Thần - Bình Dương, lời giải hội tụ cho kết tối ưu, thể tính khả thi việc sử dụng giải thuật di truyền để giải toán tái cấu trúc lưới phân phối ba pha, làm giảm tổn thất lượng Kết cung cấp tảng cho việc mở rộng phương pháp hữu để tái cấu trúc hệ thống pha hay ba pha cân để nâng độ phức tạp ta mở rộng việc tái cấu trúc cho lưới ba pha không cân hay thỏa hàm đa mục tiêu để tái cấu trúc lưới Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Lời cảm ơn - Tóm Tắt - Trang Mục lục Chương 1: Mở đầu 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ luận văn .2 1.3 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Điểm luận văn 1.6 Giá trị thực tiễn luận văn 1.7 Bố cục luận văn .4 Chương 2: Tổng quan vấn đề xác định cấu trúc lưới phân phối 2.1 Đặc điểm lưới điện phân phối 2.2 Các lý vận hành hình tia lưới điện phân phối 2.3 Các tóan tái cấu trúc lưới điện phân phối góc độ vận hành 2.4 Thực trạng lưới phân phối Việt Nam 2.5 Các nghiên cứu khoa học xác định cấu trúc lưới phân phối 2.6 Bài toán – Tái cấu trúc lưới giảm tổn thất công suất tác dụng 14 2.7 Các toán tái cấu trúc lưới – Hàm mục tiêu điều khiển lưới điện phân phối 17 2.8 Các kỹ thuật giải toán tái cấu trúc lưới 18 2.9 Phương án giải luận văn .19 Chương 3: Xây dựng hàm mục tiêu 3.1 Giới thiệu 20 3.2 Xây dựng hàm mục tiêu toán 22 3.3 Các ràng buộc 25 3.4 Các giả thiết để đơn giản toán tái cấu trúc lưới 27 3.5 Kết luận 27 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Ứng dụng thuật toán di truyền để tái cấu trúc lưới phân phối 4.1 Giới thiệu 29 4.2 Tương quan thuật tốn di truyền q trình tiến hố sinh vật 29 4.3 Thuật toán di truyền 30 4.4 Các toán tử di truyền 39 4.5 Kết hợp thuật toán di truyền với phương pháp tối ưu cục khác 44 4.6 Sự khác thuật toán di truyền & thuật tốn tìm kiếm truyền thống 4.7 Các ứng dụng thuật toán di truyền .45 4.8 Giới thiệu toán mẫu Baran & Wu 46 4.9 Ứng dụng giải thuật di truyền vào toán xác định cấu trúc lưới điện 49 4.10 Thực thi chương trình kết .55 4.11 Kết luận……………….…………………………………… …………….58 Chương 5: Ứng dụng lưới điện Trạm biến áp Sóng Thần 5.1 Giới thiệu lưới điện phân phối Trạm biến áp Sóng Thần .59 5.2 Thực thi chương trình kết ………………………………………… 63 Chương 6: Kết luận & hướng phát triển cho đề tài 5.1 Kết luận chung 65 5.2 Hướng phát triển cho đề tài 68 Tài liệu tham khảo Lý lịch trích ngang Phụ lục Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu: Hệ thống điện phân phối truyền tải lượng đến khách hàng từ trạm phân phối Trong đường dây truyền tải trạm truyền tải xây dựng mạng lưới, cịn tuyến dây phân phối có cấu trúc hình tia Cấu trúc hình tia làm đơn giản hố thiết bị bảo vệ dòng phát tuyến Ngồi lý kỹ thuật nên đường dây phân phối vận hành theo kiểu hình tia tất tuyến dây thiết kế theo kiểu mạch vịng (mục đích để tăng độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải khách hàng) Các phụ tải thay đổi liên tục ngày, tuần, mùa Mỗi loại phụ tải (dân cư, thương mại, cơng nghiệp) có thời gian làm việc khác nhau, phát tuyến cung cấp điện cho nhiều loại phụ tải Vì vậy, phụ tải phát tuyến luôn thay đổi Điều bắt buộc phải giữ tổn thất mức thấp cách tái cấu trúc lại lưới điện ngày Các thiết bị đóng cắt tự động hệ thống điều khiển cần phải lắp đặt để thực việc phân phối cách tự động, mức chi phí thích hợp cần phải xem xét so với việc giảm tổn thất Việc tái cấu trúc đường dây làm giảm tổn thất cân tải Hệ thống phân phối vận hành có chi phí thấp nhất, phải thoả mãn ràng buộc sau:  Hình tia  Tất tải làm việc  Các thiết bị bảo vệ dòng phối hợp với  Đường dây, máy biến áp thiết bị khác vận hành giới hạn cho phép  Điện áp rơi mức cho phép  Cực đại hệ số cân tải … Hiện nay, tổn thất lượng lưới phân phối cao so với lưới truyền tải (5% - 7% so với 2%- 3%) Vấn đề giảm tổn thất điện lưới phân phối nghiên cứu ứng dụng vào lưới điện chẳng hạn : bù công suất phản kháng, nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối (15 kV nâng lên 22 kV), tăng tiết diện dây dẫn, … Tuy nhiên biện pháp có khuyết điểm lớn phải tốn chi phí đầu tư lắp đặt thiết bị Có biện pháp tận dụng thiết bị có sẵn lưới điện để thực việc giảm tổn thất, tái cấu trúc lưới điện thông qua việc chuyển tải cách đóng/mở Luận văn tốt nghiệp cặp khoá điện để thay đổi cấu trúc mạng Khi lưới điện vận hành với chi phí thấp, thoả mãn ràng buộc Ngoài ra, việc tái cấu trúc lưới điện phân phối nâng cao khả tải lưới, giảm sụt áp cuối lưới, giảm số lượng hộ tiêu thụ điện có cố hay sửa chữa đường dây Tuy nhiên việc tái cấu trúc lưới điện cách đóng/mở cặp khố điện để thoả mãn điều kiện vấn đề vô khó khăn người vận hành hệ thống điện, hệ thống điện hệ thống vơ lớn bao gồm nhiều khố điện Do ln cần phải có phương pháp thích hợp với lưới điện phân phối thực tế Có nhiều giải thuật cho việc tái cấu trúc lưới, tất dựa vào nhu cầu tải đặt lên đường phân phối Tái cấu trúc đường dây tổ hợp vấn đề tối ưu, phải giảm tính toán để thời gian tiến đến tối ưu nhỏ theo thay đổi tải Việc đưa giải thuật để tái cấu trúc lưới phải xem xét hai khía cạnh thiết kế vận hành Việc thiết kế cần phải đơn giản, không phức tạp, cần phải xác định rõ vị trí khố điện lưới điện, mục đích giúp người vận hành dễ dàng thao tác cần Ở chế độ vận hành hệ thống điện, dựa vào vị trí khố điện có sẵn, người điều độ cần phải đưa cấu trúc hợp lý để đảm bảo chi phí vận hành tổn thất lưới nhỏ Ngồi ra, có cố hay sửa chữa lưới điện cần phải đảm bảo điện bị gián đoạn cung cấp thời gian ngắn nhất, phải đảm bảo chất lượng điện giảm tổn thất lượng Hiện có nhiều giải thuật khác dùng để tái cấu trúc lưới điện để thoả mãn số điều kiện tổn thất cơng suất thấp nhất, chi phí vận hành thấp nhất, … Các giải thuật kể đến như: giải thuật Merlin Back (kỹ thuật vịng kín), giải thuật Civanlar cộng (kỹ thuật đổi nhánh), giải thuật dựa trí tuệ nhân tạo (mạng Neural nhân tạo, hệ chuyên gia, logic mờ, …), … 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ luận văn: Mục tiêu xây dựng mơ hình tốn học để tái cấu trúc lưới điện phân phối xây dựng giải thuật di truyền để tính tốn mơ hình Cụ thể có nhiệm vụ sau:  Xây dựng hàm mục tiêu tái cấu trúc lưới điện thoả mãn điều kiện giảm tổn thất công suất đồng thời thỏa điều kiện ràng buộc lưới vận hành hình tia, tải khơng bị lập, cân công suất đường dây trạm biến áp, cực tiểu điện áp rơi, cực đại hệ số cân tải  Xây dựng giải thuật di truyền để tái cấu lưới điện thoả điều kiện  So sánh kết việc tái cấu trúc lưới điện sử dụng giải thuật di truyền so với phương pháp khác lưới điện nguồn Baran &Wu  Ứng dụng giải thuật di truyền tái cấu trúc lưới điện thực tế để xác định tổn thất nhỏ theo giải thuật chương trình xây dựng Luận văn tốt nghiệp 1.3 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu luận văn chủ yếu toán tái cấu trúc lưới điện phân phối có cấu trúc mạch vịng vận hành hình tia Nội dung nghiên cứu chính:  Tái cấu trúc lưới điện phân phối để giảm tổn thất công suất, cân công suất đường dây trạm biến áp  Ứng dụng giải thuật di truyền để giải toán  Sử dụng phần mềm Matlab 7.0 để xây dựng chương trình tính tốn 1.4 Phương pháp nghiên cứu:  Sử dụng phương pháp giải tích tốn học để xây dựng hàm mục tiêu tái cấu trúc lưới điện phân phối  Thu thập đọc tài liệu liên quan từ cán hướng dẫn, sách, báo, tạp chí khoa học Internet  Sử dụng phần mềm Matlab 7.0 để mơ mơ hình cần xây dựng 1.5 Điểm luận văn:  Xây dựng hàm mục tiêu để mô tả việc tái cấu trúc lưới điện phân phối thoả điều kiện  Ứng dụng giải thuật di truyền để giải toán  Xây dựng chương trình để tái cấu trúc lưới điện phân phối lưới điện thực tế có khả vận hành theo hàm mục tiêu nghiên cứu Chương trình áp dụng cho nhiều lưới điện khác  Có thể mở rộng tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối sang cực tiểu hàm đa mục tiêu, kết hợp giải thuật di truyền với giải thuật khác như: logic mờ, mạng ANN, … 1.6 Giá trị thực tiễn luận văn: Tái cấu trúc lưới điện để giảm tổn thất công suất, cân công suất đường dây trạm biến áp vấn đề thực tế cần thiết Trong luận văn trình bày hàm mục tiêu ràng buộc điều kiện trên, tư xây dựng thêm số điều kiện khác (hàm đa mục tiêu) Sử dụng giải thuật di truyền với mơ hình tốn học mơ lưới điện phân phối lại gần với thực tế vận hành hệ thống điện phù hợp với tư người Vì giải thuật di truyền dựa tảng di truyền người Có thể tạo nhiều tình giả định dựa vào chương trình Từ nhanh chóng khắc phục có cố Có thể sử dụng chương trình cho nhiều lưới điện phân phối khác Trợ giúp việc điều độ vận hành để tối ưu hệ thống Đem lại lợi ích kinh tế cho đơn vị áp dụng 10 Luận văn tốt nghiệp LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : Ngày sinh : NGUYỄN QUỐC THANH LONG 18 - 09 - 1978 Phái : NAM Nơi sinh : BR - VT Địa liên lạc : Cơ quan : Phòng Quản lý học sinh - sinh viên Trường Cao đẳng Điện lực TP.HCM 554 Hà Huy Giáp, P Thạnh Lộc, Q 12, TP.HCM Nhà riêng : 137/13B Lê Đức Thọ, P 16, Q Gò Vấp, TP.HCM Tel : 08.9964194 Mobile: 0918374183 Email : nqtlong@Yahoo.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1996 - 2001 : SV Khoa Điện - Điện Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 2004 - 2007 : HV cao học Ngành Mạng Hệ thống điện Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC 2003 đến : Giáo viên Trường Cao đẳng Điện lực TP.HCM 77 Luận văn tốt nghiệp Phụ lục Các Lưu đồ giải thuật chi tiết sử dụng chương trình: Lưu đồ tạo quần thể ban đầu Bắt đầu Quần thể ban đầu SPT = Không SPT