Nghiên cứu đề xuất phương pháp mới cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o NGUYỄN TÙNG LINH NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT PHÁP MỚI CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN Hà Nội 3/2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI o0o NGUYỄN TÙNG LINH NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT PHÁP MỚI CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS ĐINH QUANG HUY Hà Nội 3/2011 LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp cao học bước quan trọng để tơi trường Tôi hạnh phúc thực xong đồ án tốt nghiệp quan trọng tơi học thời gian qua Bên cạnh kiến thức thu được, học phương pháp nghiên cứu cách độc lập Sự thành công không đơn nỗ lực cá nhân, mà cịn có hỗ trợ giúp đỡ giảng viên hướng dẫn gia đình Nhân hội này, cho phép bày tỏ lời cảm ơn đến họ Trước tiên, xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô môn Hệ thống điện – Đại học Bách khoa Hà Nội tận tình giảng dạy, truyền đạt cho kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến TS Đinh Quang Huy, thầy tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hướng dẫn tơi suốt q trình làm luận văn tốt nghiệp Trong thời gian làm việc với thầy, không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, điều cần thiết cho tơi q trình học tập công tác sau Sau cho tơi gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè động viên, đóng góp ý kiến giúp đỡ trình học tâp, nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp Học viên Nguyễn Tùng Linh MỤC LỤC Nội dung Trang Danh mục từ viết tắt Danh mục bảng Danh mục vẽ Mục lục CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI, BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC 1.1 Giới thiệu tổng quan lưới điện phân phối 6 1.1.1 Giới thiệu lưới điện phân phối 1.1.2 Đặc điểm yêu cầu lưới điện phân phối 1.1.3 Các thiết bị phân đoạn lưới phân phối 1.2 Tổn thất lưới điện phân phối 12 1.3 Các biện pháp giảm tổn thất cơng suất, tốn tái cấu trúc 14 16 2.1 CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN, MỘT VÀI PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Tiếp cận toán tái cấu trúc lưới điện phân phối 2.1.1 Mơ hình tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối 16 2.1.2 Các giả thiết trong toán tái cấu trúc 18 2.1.3 Các mục tiêu xét đến toán tái cấu trúc lưới điện 20 2.2 Một số phương pháp nghiên cứu toán tái cấu trúc lưới điện 23 2.2.1 Tổng hợp phương pháp 23 2.2.1.1 Giải thuật Merlin Back, kỹ thuật vịng kín 23 2.2.1.2 Giải thuật Civanlar, áp dụng kỹ thuật đổi nhánh 25 2.2.1.3 Giải thuật Bran Wu cải tiến phương pháp Civanlar 27 2.2.2 Tổng hợp phương pháp tiên tiến áp dụng trí tuệ nhân tạo 28 2.2.2.1 Phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối sử dụng giải thuật di truyền (GA) 16 29 2.2.2.2 Phương pháp tái cấu trúc lưới điện sử dụng giải thuật Ant colony system (ACS) 2.2.2.3 2.3 30 Phương pháp tái cấu trúc lưới điện sử dụng giải thuật Particle Swarm Optimization (PSO) 33 Kết luận nhận xét 35 CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN ARTIFICIAL BEE 37 CONOLY (ABC), ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN 3.1 Thuật toán Artificial Bee Colony (ABC) 37 3.1.1 Ý tưởng thuật toán 37 3.1.2 Một số khái niệm 53 3.1.3 Thuật toán 56 3.1.4 Các tính ứng dụng thuật tốn ABC 60 3.2 Áp dụng thuật toán Artificial Bee Colony (ABC) cho toán tái cấu trúc 61 lưới điện 3.2.1 Hàm mục tiêu toán tái cấu trúc 61 3.2.2 Sơ đồ thuật toán tái cấu trúc lưới điện phân phối 62 CHƯƠNG 4: KIỂM TRA THUẬT TOÁN TRÊN LƯỚI ĐIỆN MẪU 66 IEEE VÀ TRÊN LƯỚI THỰC TẾ 4.1 Kiểm tra thuật toán sơ đồ lưới điện chuẩn IEEE 67 4.1.1 Các bước thực 67 4.1.2 Giới thiệu phần mềm PSS/ADEPT 69 4.2 Kiểm tra thuật tốn ví dụ mẫu lưới điện thực tế 79 4.2.1 Kiểm tra lưới điện Civanlar nguồn 79 4.2.2 Kiểm tra lưới điện Civanlar nguồn 83 4.2.3 Áp dụng cho lưới điện thực tế: Áp dụng cho lưới điện thực tế 84 nhánh công ty điện lực Đống Đa …………………… ……………… 4.3 Nhận xét kết luận ………………………………………………… 88 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 PHỤ LỤC 1: CODE CHÍNH CHƯƠNG TRÌNH TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC NHỮNG TỪ NGỮ VIẾT TẮT ABC Artificial Bee Colony ACS Giải thuật Ant colony system ACO Giải thuật Ant Colony Optimization BCO Thuật toán tối ưu đàn ong CA Mạng cao áp CDPT Cầu dao phụ tải CDPT Cầu dao phụ tải DCL Dao cách ly DAS Distribution Automatic System DCLTĐ Dao cách ly tự động GA Giải thuật di truyền HTĐ Hệ thống điện HA Mạng hạ áp IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers PSO Giải thuật Particle Swarm Optimization MBA Máy biến áp MNC Maximum Interation Count TA Mạng trung áp SW Switches VBA Thuật toán đàn ong ảo DANH MỤC BẢNG BIỂU STT Nội dung Trang Bảng 3.1 Đặc điểm thuật toán ABC toán tái cấu trúc 62 Bảng 4.1 Dữ liệu lưới điện civanlar nguồn 16 nút 80 Bảng 4.2: kết bước tính tái cấu trúc lưới điện thuật tốn ABC 82 Bảng 4.3 Bảng so sánh kết bé tìm từ thuật tốn 82 Bảng 4.4 Các thông số mạng điện Civanlar hai nguồn 83 Bảng 4.5 Kết bước thực tái cấu trúc theo thuật toán ABC 84 Bảng 4.6 Bảng so sánh kết bé tìm từ thuật toán 84 Bảng 4.7 Dữ liệu lưới phân phối Đống Đa 85 Bảng 4.8 Kết bước thực tái cấu trúc theo thuật tốn ABC 87 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT Nội dung Trang Hình 2.1 Sơ đồ lưới điện đơn giản 16 Hình 2.2 Các bước đánh giá lưới điện phân phối R.E Lee C.L Brook 19 Hình 2.3 Sơ đồ bảo vệ lưới điện phân phối trung áp mạch vòng vận hành hở 22 Hình 2.4 Sơ đồ bảo vệ lưới điện phân phối trung áp hình tia 23 Hình 2.5 Giải thuật Merlin Back 24 Hình 2.6 Sơ đồ giải thuật Civanlar cộng 26 Hình 2.7 Giải thuật Ant colony system (ACS) 31 Hình 2.8 Sơ đồ Giải thuật Particle Swarm Optimization (PSO) 33 Hình 2.9 Giải thuật Particle Swarm Optimization (PSO) 35 10 Hình 3.1 So sánh chiến lược tối ưu hóa cổ điển đại heuristic 39 11 Hình 3.2 Điệu nhảy lắc lư ong mật 40 12 Hình 3.3 Hành vi ong mật tìm kiếm thức ăn 55 13 Hình 3.4 Sơ đồ hoạt động thuật tốn ABC 57 14 Hình 3.5: Sơ đồ nối nút i i+1 61 15 Hình 3.6: Xét sơ đồ đơn giản 61 16 Hình 3.7 Sơ đồ giải thuật thuật toán ABC áp dụng cho toán tái cấu trúc 64 lưới điện 17 Hình 3.8 Giao diện chương trình 66 18 Hình 4.1: Sơ đồ bước thực kiểm tra ví dụ 68 19 Hình 4.2 Hộp thoại thuộc tính nút Source mơ hình nút nguồn sơ đồ 72 20 Hình 4.3 Hộp thoại thuộc tính nút tải mơ hình nút tải sơ đồ 72 21 Hình 4.4 Hộp thoại thuộc tính nút tải điện mơ hình sơ đồ 72 22 Hình 4.5 Hộp thoại thuộc tính thiết bị đóng cắt mơ hình thiết bị đóng cắt 73 sơ đồ 73 24 Hình 4.6 Hộp thoại thuộc tính nút tải mơ hình nút tải sơ đồ 74 25 Hình 4.7 Hộp thoại thuộc tính nút tải mơ hình nút tải sơ đồ 74 26 Hình 4.8 Hộp thoại thuộc tính tụ bù mơ hình tụ bù sơ đồ 75 27 Hình 4.9 Hộp thoại thuộc tính máy biến áp mơ hình máy biến áp sơ đồ 75 Hình 4.10 Bảng liệu nút nguồn mơ hình 76 Hình 4.11 Bảng liệu phụ tải mơ hình 76 Hình 4.12 Bảng liệu đoạn dây mơ hình 77 Hình 4.13 Bảng liệu thiết bị đóng cắt mơ hình 77 23 28 29 30 31 32 Hình 4.14 Bảng liệu phụ tải mơ hình chuyển sang excel 33 Hình 4.15 Hộp thoại option-Thẻ load flow: Các chọn lựa cho toán 79 phân bố cơng suất 79 34 Hình 4.16: Sơ đồ sợi lưới phân phối 16 nút 80 35 Hình 4.17 Nhập liệu phần mềm PSS/ADEPT 80 36 Hình 4.18 Mạng điện Civanlar hai nguồn trước tái cấu trúc 82 37 Hình 4.19 Sơ đồ tính toán cho lưới điện thực tế điện lực Đống Đa 90 78 Như vậy, sau tái cấu trúc tổn thất lưới điện giảm 23,4% so với tổn thất cấu hình lưới ban đầu Tổn thất điện giảm nhờ tái cấu trúc lưới chọn lại điểm phân đoạn hợp lý là: AG = (PT - PS). (kWh) AG : Tổn thất điện giảm nhờ tái cấu trúc lưới PT : Tổn thất công suất trước tái cấu trúc PS : Tổn thất công suất sau tái cấu trúc Thời gian tổn thất công suất lớn Tmax = 5000h hay  = 3500h Tổn thất điện giảm năm là: AG = (46.51 – 35.62 )3500= 38115 kWh/năm Nếu tính giá tiền bán điện 650đ/kWh số tiền ta thu nhờ chọn lại điểm mở mạch vòng là: C = 51618650 =24774750 đồng Vậy với việc chọn lựa lại điểm mở mạch vòng lưới điện phân phối nhỏ gồm 43 trạm biến áp phân phối hạ áp 22/0,4 kV với công suất đặt trung bình trạm 450 kVA ta thu lợi ích kinh tế xấp xỉ 24.77 triệu đồng năm 4.3 Nhận xét kết luận Sau thử nghiệm tập liệu sơ đồ mẫu, kiểm tra thực tế, kết thuật toán xác, cấu trúc tìm kiếm so sánh đánh giá với thuật toán khác Giải thuật ABC việc cho kết chấp nhận được, thời gian tính tốn cải thiện, điều giúp cho việc thực lưới điện thực tế với số lượng nút lớn thực Tác giả kiểm tra lưới điện thực tế, kết tính toán phù hợp với điều kiện vận hành thực tế, cấu trúc tối ưu giảm tổn thất công suất cho lưới điện 87 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Giảm thiểu tổn thất công suất, tổn thất điện áp, nâng cao chất lượng điện cung cấp cho khách hàng khơng mang lại lợi ích kinh tế thu từ việc bán điện ngành điện, mà cịn có nhiều ý nghĩa khách hàng Đặc biệt thời đại cơng nghiệp hố, đại hoá thiết bị sử dụng điện ngày nhiều Việc đảm bảo chất lượng điện định tuổi thọ hiệu làm việc thiết bị điện Do đó, ngành điện việc nâng cao chất lượng điện coi trọng đặt lên hàng đầu Trong thực tế có nhiều biện pháp thực để giảm tổn thất công suất, tổn thất điện áp, nâng cao chất lượng điện như: Nâng cao điện áp vận hành lưới điện, bù kinh tế lưới phân phối trung áp tụ điện, tăng tiết diện dây dẫn giảm bán kính cấp điện Tuy nhiên giải pháp đòi hỏi vốn đầu tư lớn khơng tính tốn cẩn thận hiệu kinh tế thu cịn nhỏ vốn đầu tư ban đầu Như chứng minh, biện pháp tái cấu trúc lưới điện tìm điểm mở tối ưu cho mạch vịng cách đóng/mở thiết bị chuyển mạch lưới khơng khơng địi hỏi vốn đầu tư mà giảm tối thiểu tổn thất công suất, tổn thất điện áp lưới điện Do đó, biện pháp đáng để ngành điện quân tâm nghiên cứu Bài toán tái cấu trúc khơng phải tốn mới, nhiên phương pháp giải toán, mục tiêu toán ngày nhiều người nghiên cứu Các hướng nghiên cứu toán theo hướng khác như: Hàm mục tiêu khác nhau, điều kiện ràng buộc khác nhau, cải tiến phương pháp tính tốn, áp dụng thuật tốn cơng nghệ thơng tin, sử dụng máy tính việc hỗ trợ tính tốn Trong luận văn này, tác giả tìm hiểu vài thuật toán cổ điển, kết hợp với việc tìm hiểu thuật tốn đề xuất để giải toán này, đồng thời tác giả tìm hiểu thuật tốn Artificial bee conoly từ áp dụng cho toán tái cấu trúc lưới điện Kết nghiên cứu áp dụng kiểm tra toán mẫu IEEE, kết chấp nhận được, ngồi tác giả cịn kiểm tra lưới điện thực tế để đánh giá hiệu 89 thuật toán Sau thời gian làm luận văn tác giả thu thập kiến thức bổ ích để phục vụ cho công việc tại: Tác giả thực nội dung sau: - Tìm hiểu lưới điện phân phối - Tìm hiểu mơ hình tốn tái cấu trúc lưới điện - Một số phương pháp giải toán tái cấu trúc lưới điện, phương pháp phương pháp áp dụng CNTT để giải - Tìm hiểu thuật toán Artificial bee conoly cho toán tái cấu trúc lưới điện - Xây dựng chương trình hỗ trợ việc tính tốn tìm cấu trúc tối ưu cho lưới điện - Đã kiểm tra lưới điện mẫu so sánh với số phương pháp khác Kiến nghị phát triển đề tài - Do thời gian thực luận văn có hạn, đề tài thực tốn tái cấu trúc, việc tính tốn chế độ xác lập lưới điện phải sử dụng phần mềm PSS/ADEPT để hỗ trợ Trong tương lai phát triển xây dựng module tính tốn chế độ xác lập để kết hợp với toán tái cấu trúc lưới điện - Sau trình nghiên cứu, tác giả nhận thấy với toán tối ưu, đặc biệt tốn tìm vị trí, tìm dung lượng…các tốn tối ưu theo hàm mục tiêu có ràng buộc áp dụng thuật tốn ABC để thực hiện, ví dụ tốn tìm vị trí dung lượng bù cho lưới điện phân phối, tìm vị trí lắp đặt DG… 90 Phụ lục 1: Các đoạn code thuật toán ABC áp dụng cho toán tái cấu trúc lưới điện: /* ABC algorithm coded using C programming language */ /* Artificial Bee Colony (ABC) is one of the most recently defined algorithms by Dervis Karaboga in 2005, motivated by the intelligent behavior of honey bees */ /* Referance Papers*/ /*D Karaboga, AN IDEA BASED ON HONEY BEE SWARM FOR NUMERICAL OPTIMIZATION,TECHNICAL REPORT-TR06, Erciyes University, Engineering Faculty, Computer Engineering Department 2005.*/ /*D Karaboga, B Basturk, A powerful and Efficient Algorithm for Numerical Function Optimization: Artificial Bee Colony (ABC) Algorithm, Journal of Global Optimization, Volume:39, Issue:3,pp:459-171, November 2007,ISSN:0925-5001 , doi: 10.1007/s10898-007-9149-x */ /*D Karaboga, B Basturk, On The Performance Of Artificial Bee Colony (ABC) Algorithm, Applied Soft Computing,Volume 8, Issue 1, January 2008, Pages 687-697 */ /*D Karaboga, B Akay, A Comparative Study of Artificial Bee Colony Algorithm, Applied Mathematics and Computation, 214, 108-132, 2009 */ /*Copyright © 2009 Erciyes University, Intelligent Systems Research Group, The Dept of Computer Engineering*/ /*Contact: Dervis Karaboga (karaboga@erciyes.edu.tr ) Bahriye Basturk Akay (bahriye@erciyes.edu.tr) */ #include #include #include #include #include /* Control Parameters of ABC algorithm*/ #define NP 20 /* The number of colony size (employed bees+onlooker bees)*/ #define FoodNumber NP/2 /*The number of food sources equals the half of the colony size*/ #define limit 100 /*A food source which could not be improved through "limit" trials is abandoned by its employed bee*/ #define maxCycle 2500 /*The number of cycles for foraging {a stopping criteria}*/ /* Problem specific variables*/ #define D 100 /*The number of parameters of the problem to be optimized*/ #define lb -100 /*lower bound of the parameters */ #define ub 100 /*upper bound of the parameters lb and ub can be defined as arrays for the problems of which parameters have different bounds*/ #define runtime 30 its robustness*/ /*Algorithm can be run many times in order to see double Foods[FoodNumber][D]; /*Foods is the population of food sources Each row of Foods matrix is a vector holding D parameters to be optimized The number of rows of Foods matrix equals to the FoodNumber*/ double f[FoodNumber]; /*f is a vector holding objective function values associated with food sources */ double fitness[FoodNumber]; /*fitness is a vector holding fitness (quality) values associated with food sources*/ double trial[FoodNumber]; /*trial is a vector holding trial numbers through which solutions can not be improved*/ double prob[FoodNumber]; /*prob is a vector holding probabilities of food sources (solutions) to be chosen*/ double solution [D]; /*New solution (neighbour) produced by v_{ij}=x_{ij}+\phi_{ij}*(x_{kj}-x_{ij}) j is a randomly chosen parameter and k is a randomlu chosen solution different from i*/ double ObjValSol; /*Objective function value of new solution*/ double FitnessSol; /*Fitness value of new solution*/ int neighbour, param2change; /*param2change corrresponds to j, neighbour corresponds to k in equation v_{ij}=x_{ij}+\phi_{ij}*(x_{kj}x_{ij})*/ double GlobalMin; /*Optimum solution obtained by ABC algorithm*/ double GlobalParams[D]; /*Parameters of the optimum solution*/ double GlobalMins[runtime]; /*GlobalMins holds the GlobalMin of each run in multiple runs*/ double r; /*a random number in the range [0,1)*/ /*a function pointer returning double and taking a D-dimensional array as argument */ /*If your function takes additional arguments then change function pointer definition and lines calling " =function(solution);" in the code*/ typedef double (*FunctionCallback)(double sol[D]); /*benchmark functions */ double sphere(double sol[D]); double Rosenbrock(double sol[D]); double Griewank(double sol[D]); double Rastrigin(double sol[D]); /*Write your own objective function name instead of sphere*/ FunctionCallback function = &sphere; /*Fitness function*/ double CalculateFitness(double fun) { double result=0; if(fun>=0) { result=1/(fun+1); } else { result=1+fabs(fun); } return result; } /*The best food source is memorized*/ void MemorizeBestSource() { int i,j; for(i=0;i