Ứng dụng thuật toán DE vào giải bài toán phân bố công suất tối ưu trong hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM - C H QUẢNG TRỌNG HÙNG TE ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DE VÀO GIẢI BÀI TỐN PHÂN BỐ CƠNG SUẤT TỐI ƯU H U TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Mã số ngành: 60 52 50 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM - C H QUẢNG TRỌNG HÙNG ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DE VÀO GIẢI BÀI TOÁN TE PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU H U TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Mã số ngành: 60 52 50 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGÔ CAO CƯỜNG TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ TP HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày 15 tháng 09 năm 2011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: QUẢNG TRỌNG HÙNG Giới tính: NAM Ngày,tháng, năm sinh: 20/09/1970 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Thiết bị mạng Nhà máy điện MSHV: 1081031009 I- TÊN ĐỀ TÀI: H ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DE VÀO GIẢI BÀI TOÁN II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: C PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TE Nghiên cứu thuật tóan DE ứng dụng thuật tốn vào giải tốn phân bố cơng suất tối ưu hệ thống điện : Giới thiệu tổng quan thuật toán; - Ứng dụng thuật toán vào giải tốn phân bố cơng suất tối ưu cho U - mạng điện nút nút, 30 nút; Thực chương trình mơ so sánh kết giải thuật DE, H - EPSO, NPSO, Newton Genetic; III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/19/2011 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/06/2012 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Ngô Cao Cường CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc C H Học viên thực Luận văn H U TE Quảng Trọng Hùng ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập rèn luyện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM Trước hết, xin chân thành cảm ơn hai thầy hướng dẫn TS Ngơ Cao Cường Thầy Lê Đình Lương nhiệt tình bảo, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức chuyên môn kinh nghiệm để em thực luận văn Với nhiệt tình hướng dẫn Quý Thầy làm động lực cho em có tinh thần cố gắng, nỗ lực việc tìm tịi, nghiên cứu để hồn thành luận văn Đồng thời em xin chân thành cảm ơn tồn thể Q Thầy Cơ H Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM truyền đạt kiến thức C bổ ích cho em suốt q trình học tập nghiên cứu Trường Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Khoa Cơ – Điện – Điện tử TE nhiệt tình giảng dạy tạo điều kiện tốt cho em suốt trình học tập thời gian thực luận văn Em xin lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học Kỹ thuật U Công nghệ TP HCM, Phòng Quản lý Khoa học Đào tạo Sau đại học hỗ H trợ giúp đỡ em q trình học tập Tơi xin gửi làm cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ tạo cho niềm tin nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn TP Hồ Chí Minh, 15 tháng năm 2012 Người thực Quảng Trọng Hùng iii TĨM TẮT Ứng dụng thuật tốn DE vào giải tốn phân bố cơng suất tối ưu hệ thống điện trình bày sở nghiện cứu tài liệu nước Bố cục luận văn gồm chương Chương giới thiệu tổng quan thuật toán DE qua báo nước Các phương pháp áp dụng mạng điện tiêu chuẩn nút nút Chương giới thiệu tốn phân bố cơng suất tối ưu hệ thống điện toán điều phối công suất ELD OPF Bao gồm giới H thiệu toán tiêu biểu Chương giới thiệu thuật tốn q trình tối ưu hóa thuật tốn, q trình tối ưu thực qua tiến trình bản: C Mutation (Đột biến), Crossover (Lai ghép) Selection (Chọn lọc) Chương ứng TE dụng thuật toán DE vào giải toán phân bố công suất tối ưu hệ thống điện việc áp dụng giải toán mạng điện nút nút, ứng dụng U tốn chương trình Matlab so sánh kết có với kết từ EPSO, NPSO, Newton Genetic Chương Kết luận hướng phát triển khẳng nước H định tính cần thiết đề tài nghiệp cơng nghiệp hóa, đại hóa đất iv MỤC LỤC Trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN THUẬT TỐN DE 1.1 Tổng quan thuật tốn DE: 1.2 Giới thiệu thuật toán DE: CHƯƠNG 2:GIỚI THIỆU BÀI TỐN PHÂN BỐ CƠNG SUẤT TỐI ƯU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Bài toán điều phối công suất ELD 2.1.1 Giới thiệu H 2.1.2 Bài toán điều phối kinh tế cổ điển C 2.1.3 Bài toán điều phối kinh tế với hàm chi phí nhiên liệu khơng trơn TE 2.2 Bài tốn điều phối cơng suất tối ưu OPF 12 12 2.2.2 Bài tốn tối ưu cơng suất cực tiểu hàm chi phí 23 U 2.2.1 Cơ sở tốn học H CHƯƠNG 3:THUẬT TOÁN DIFFERENTIAL EVOLUTION 30 3.1 Giới thiệu 31 3.2 Thuật tốn Differential Evolution 31 3.3 Q trình tối ưu hóa DE 32 3.4 Kỹ thuật điều khiển có ràng buộc 35 3.5 Kỹ thuật điều khiển biến rời rạc 37 CHƯƠNG 4:ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DE VÀO GIẢI BÀI TỐN PHÂN BỐ CƠNG SUẤT TỐI ƯU 38 v 4.1 Giới thiệu 39 4.2 Thuật toán phân bố công suất DE 40 4.3 Phân loại I: Các hàm chi phí bất quy tắc ED 40 4.3.1 Hàm chi phí có điểm van cơng suất 41 4.3.2 Hàm chi phí bậc hai 42 4.3.3 Hàm chi phí có vùng vận hành cấm 44 4.4 Phân loại II: Điều phối công suất theo kinh tế/môi trường 47 47 4.4.2 Điều phối kinh tế/môi trường đa mục tiêu 48 C H 4.4.1 Điều phối kinh tế có ràng buộc khí thải TE 4.5 Phân loại III: Điều phối cơng suất có ràng buộc nghiêm ngặt 4.5.1 Điều phối kinh tế có ràng buộc nghiêm ngặt 52 52 56 4.7 Ứng dụng thuật toán DE vào giải tốn điều phối tối ưu cơng suất 59 U 4.6 Phân loại IV: Điều phối công suất phản kháng 61 4.7.2 Bài giải chạy chương trình Matlab 86 H 4.7.1 Bài giải tính tốn tay CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 90 5.1 Tổng kết 91 5.2 Hướng phát triển tương lai 92 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 2.2 Hàm chi phí nhiên liệu nhà máy nhiệt điện với van nạp 11 Hình 2.3 Mơ hình π cho đường dây hay máy biến áp 16 Hình 2.4 Lưu đồ giải thuật phương pháp OPF 22 Hình 3.1 Tiến trình Đột Biến (Mutation Operator) 33 Hình 3.2 Tiến trình Lai Ghép (Crossover Operator) 34 Hình 4.1 Kết chạy chương trình Matlab 87 Hình 4.2 Kết chạy chương trình Matlab 89 H U TE C H Hình 2.1 Đường cong chi phí phổ biến nhà máy nhiệt điện vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Một số loại nút hệ thống điện Trang 17 24 Bảng 4.1 Phân loại phương pháp DE 39 Bảng 4.2 Số liệu hệ thống loại điểm van công suất 42 Bảng 4.3 Số liệu hệ thống loại bình phương 44 Bảng 4.4 Số liệu hệ thống loại vùng vận hành cấm 46 Bảng 4.5 Vùng bị cấm 47 H Bảng 2.2 Phân loại tốn tối ưu phân bố cơng suất 50 Bảng 4.7 Số liệu hệ thống 14 máy phát 118 Bus theo kinh tế/môi trường 51 Bảng 4.8 Số liệu hệ thống tuyến - máy phát 54 Bảng 4.9 Các nhân tố điều chỉnh máy phát – tuyến 54 Bảng 4.10 Số liệu hệ thống IEEE 30 Bus có ràng buộc nghiêm ngặt 55 U TE C Bảng 4.6 Số liệu hệ thống máy phát theo kinh tế/môi trường 55 Bảng 4.12 Số liệu hệ thống IEEE 30 Bus 56 Bảng 4.13 Số liệu ngân hàng tụ điện IEEE 30 Bus 58 Bảng 4.14 Số liệu máy biến IEEE 30 Bus 58 Bảng 4.15 Số liệu công suất tải IEEE 30 Bus 59 Bảng 4.16 Dữ liệu hệ thống nhà máy 59 Bảng 4.17 So sánh kết tính tốn dùng DE, EPSO NPSO 87 Bảng 4.18 So sánh kết tính toán dùng DE, Newton Genetic 89 H Bảng 4.11 Số liệu cơng suất tải IEEE 30 Bus có ràng buộc nghiệm ngặt Ứng dụng thuật toán DE vào giải tốn điều phối tối ưu cơng suất Cá thể 380 120 250 90 150 15617.9678 C H Cá thể 350 100 200 80 100 16402.2676 TE P1 P2 P3 P4 P5 F(PG) Cá thể 400 150 230 100 140 15510.5176 Cá thể 450 160 275 130 180 15280.8047 Cá thể Cá thể 420 320 360 140 80 90 210 170 185 P4 120 70 110 P5 125 85 150 F(PG) 15537.2803 17183.9297 16060.2549 P2 P3 H P1 U Cá thể Xc 380 120 250 90 150 15617.9678 Xb - Xc F (Xb - Xc) Xa + F (Xb - Xc) 70 42 392 P2 40 24 124 P3 25 15 215 P4 40 24 104 P5 30 18 118 F(PG) - - 15751.7314 TE U H P1 C Xb 450 160 275 130 180 15280.8047 P1 P2 P3 P4 P5 F(PG) Xa 350 100 200 80 100 16402.2676 H Ứng dụng thuật toán DE vào giải toán điều phối tối ưu công suất Chọn vector mục tiêu Xi = Chọn hệ số: a = 2, b = 4, c = Tạo vector đột biến X’ = Xa + F x (Xb – Xc) Ứng dụng thuật toán DE vào giải tốn điều phối tối ưu cơng suất Tạo vector thử nghiệm X” P3 230 P4 100 P5 140 F(PG) 15510.5176 H 150 Vector thử nghiệm 400 Random# 0.8 124 150 0.7 215 230 0.8 104 104 0.6 118 140 0.7 15751.7314 15499.4014 - C P2 Vector đột biến 392 U TE P1 Vector mục tiêu 400 H Chọn cá thể biểu tốt có mặt quần thể P1 P2 P3 P4 P5 F(P G) Cá thể 400 150 230 104 140 15499.4014 Ứng dụng thuật toán DE vào giải tốn điều phối tối ưu cơng suất H Tương tự, ta lặp lại với cá thể lại lấp đầy quần thể U TE C Chọn vector mục tiêu Xi = 2…… Xi =7 Chọn hệ số: a = 6, b = 4, c = Tạo vector đột biến X’………… H Hoàn thiện từ Bảng hệ thứ Bảng hệ thứ với cách tính tương tự Nếu dừng lặp đây, ta thấy cá thể đáp án tối ưu bảng Ứng dụng thuật toán DE vào giải toán điều phối tối ưu công suất Cá thể 444 168.4 250 126.4 174 15279.959 TE C H Cá thể 395.52 169.84 247.12 115.44 150 15378.9072 U P1 P2 P3 P4 P5 F(PG) Cá thể 420 178 268 121.84 174 15283.9365 H P1 P2 P3 P4 P5 F(PG) Cá thể 469.2 178 266.32 118 188.4 15294.8477 Cá thể 444.8 175.6 264.8 125.6 168.6 15276.2393 Cá thể Cá thể 486 190 246.4 136 165 15308.8643 410 187.12 255.28 135.52 168.6 15293.4365 Ứng dụng thuật toán DE vào giải tốn điều phối tối ưu cơng suất H U TE C H Thế công suất nhà máy điện tìm DE vào phương trình ràng buộc cân bằng, ta tìm cơng suất nhà máy thứ lại P6 = PD - P1 - P2 - P3 - P4 - P5 P6 = 1263 - 444.8 - 175.6 - 264.8 125.6 - 168.6 = 83.6 (MW) Tổng chi phí mà nhà máy điện cần phải trả 15276.2393 MW Bài giải chạy chương trình Matlab H U TE C H Bài 1: Kết thu từ chương trình Matlab qua 200 lần lặp thể với thời gian tối ưu 0.8 giây Bài giải chạy chương trình Matlab So sánh kết tính tốn dùng DE, EPSO NPSO H EPSO 446.7072691 171.2579804 264.1056432 125.2167933 172.118859 83.59345494 15275.93039 U TE C DE 446.706659 171.258462 264.104672 125.216514 172.118671 83.595022 15275.930392 H Nhà máy P1 P2 P3 P4 P5 P6 Tổng chi phí NPSO 446.7072640 171.2579818 264.1056555 125.2167645 172.1188751 83.5934587 15275.9303918 Bài giải chạy chương trình Matlab TE C H Bài 2:Hệ thống gồm nhà máy điện có hàm chi phí sau: C1 = 200 + 7,0P1 + 0,008P12 C2 = 180 + 6,3P2 + 0,009P22 C3 = 140 + 6,8P3 + 0,007P32 Công suất tải PD = 150MW H U Ràng buộc bất cân bằng: 10MW ≤ P1 ≤ 85MW 10MW ≤ P2 ≤ 80MW 10MW ≤ P3 ≤ 70MW Ràng buộc cân bằng: P1 + P2 + P3 – PL = PD Ràng buộc tổn thất công suất tác dụng hệ thống: PL = 0,000218 P12+ 0,000228 P22 + 0,000179 P32 Bài giải chạy chương trình Matlab Bài có thêm ràng buộc tổn thất công suất hàm bậc hai, dùng hàm phạt: Hàm mục tiêu: H C F ' ( PG ) = ∑ Ci ( Pi ) = P1 + P2 + P3 i =1 U TE F ' (= PG ) 0,008P12 + 0,009 P22 + 0,007 P32 + P1 + 6,3P2 + 6,8P3 + 520 H Ràng buộc tổn thất công suất tác dụng hệ thống: PL = 0,000218 P12+ 0,000228 P22 + 0,000179 P32 Ràng buộc cân bằng: P1 + P2 + P3 – PL = PD Bài giải chạy chương trình Matlab P1 + P2 + P3 – 0,000218 P12 – 0,000228 P22 – 0,000179 P32 –150 = H Áp dụng công thức hàm phạt: TE C G1 (PG ) = ω1 | PD + PL − ∑ PGi | i =1 U " (PG ) F' (PG ) + G1 (PG ) Hàm thích nghi: F= H Chọn ω1 = 20: 2 F" (P= ) 0,008P + 0,009P + 0,007P G + 7P1 + 6,3P2 + 6,8P3 + 520 + +20 | P1 + P2 + P3 – 0,000218P12 – 0,000228 P2 – 0,000179 P32 –150 | Bài giải chạy chương trình Matlab H U TE C H Kết thu từ chương trình Matlab qua 200 lần lặp thể với thời gian tối ưu 0.5 giây Bài giải chạy chương trình Matlab: Bảng so sánh kết tính tốn dùng DE, Newton Genetic 1.699098 1.6991 1.6929 1592.649548 1592.65 1592.65 Ngắn 2.7969 H 35.0907 64.1317 52.4767 Genetic 35.6052 63.7088 52.3788 TE C DE 35.091094 64.131406 52.476597 H U Nhà máy P1 P2 P3 Tổn thất CS tác dụng (MW) Chi phí ($/h) Thời gian tính tốn (s) 0.531 TỔNG KẾT C H Thuật tốn DE thuật tốn tiến hóa khác, tảng dựa vào phương pháp ngẫu nhiên nên không đảm bảo giải đáp án tối ưu hoàn toàn H U TE Tuy vậy, sử dụng giải pháp xáo trộn hợp lý chọn xác tham số điều khiển tham số tỷ lệ, số lai ghép đầy đủ số lượng cá thể cho kết xác khoảng thời gian ngắn H U TE C H Cảm ơn Thầy Cô ... dụng thuật tốn vào giải tốn phân bố cơng suất tối ưu hệ thống điện : Giới thiệu tổng quan thuật toán; - Ứng dụng thuật toán vào giải toán phân bố công suất tối ưu cho U - mạng điện nút nút, 30... điện MSHV: 1081031009 I- TÊN ĐỀ TÀI: H ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DE VÀO GIẢI BÀI TOÁN II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: C PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TE Nghiên cứu thuật tóan DE ứng dụng thuật. .. CHƯƠNG 4: C ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DE VÀO GIẢI BÀI TOÁN TE PHÂN BỐ CƠNG SUẤT TỐI ƯU Ứng dụng thuật tốn việc cài đặt biến điều khiển việc vận hành tối ưu hóa hệ thống, U Sử dụng bốn phân loại thiết