NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ CHỈ BÁO ĐƢỜNG ĐI SỰ CỐ, NHẰM NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN CHO LƢỚI ĐIỆN PP THÔNG MINH TẠI TP ĐÀ NẴNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TĨM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ CHỈ BÁO ĐƢỜNG ĐI SỰ CỐ (FAULT PASSAGE INDICATOR FPI) NHẰM NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN CHO LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÔNG MINH TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG Mã số: B2016-DNA-49-TT Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đinh Thành Việt Đà Nẵng, 10/2018 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Đơn vị công tác TT Họ tên lĩnh vực chuyên môn PGS.TS Đinh Thành Việt Đại học Đà Nẵng, Kỹ thuật điện Nội dung nghiên cứu cụ thể đƣợc giao Chủ nhiệm đề tài Định hướng tổ chức nghiên cứu, quản lý tiến độ thực đề tài; phân tích, đánh giá kết nghiên cứu Th.S Võ Văn Phương Công ty TNHH MTV Điện Thư ký đề tài Nghiên cứu công lực Đà Nẵng, nghệ FPI lựa chọn công nghệ phù hợp với tình hình thực tế Việt Nam Kỹ thuật điện Xây dựng hàm mục tiêu, mơ hình tính tốn xây dựng chương trình tính tốn phân bố tối ưu thiết bị FPI cho lưới điện phân phối thông minh ThS Ngô Tấn Cư Công ty TNHH MTV Điện Thành viên Nghiên cứu triển khai ứng lực Đà Nẵng, dụng kết đề tài vào thực tiễn Kỹ thuật điện KS Hoàng Đăng Nam Th.S Trương Quang Minh Công ty TNHH MTV Điện Nghiên cứu đánh giá độ tin cậy cung lực Đà Nẵng, cấp điện triển khai phát triển lưới điện thông minh Kỹ thuật điện Nguyễn Công ty Điện lực Quảng Xây dựng hàm mục tiêu, mơ hình tính Nam, tốn xây dựng chương trình tính tốn phân bố tối ưu thiết bị FPI cho lưới Kỹ thuật điện điện phân phối thông minh ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đơn vị ngồi nƣớc Nội dung phối hợp nghiên cứu Họ tên ngƣời đại diện đơn vị Công ty TNHH MTV Điện lực Cung cấp số liệu thực tế; triển khai ứngThS Ngô Tấn Cư Đà Nẵng dụng kết nghiên cứu MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài .1 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .1 a) Đối tượng nghiên cứu b) Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu .2 Bố cục đề tài Tổng quan tài liệu nghiên cứu .2 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ LƢỚI ĐIỆN THÔNG MINH VÀ ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN 1.1 Tổng quan lƣới điện thông minh .3 1.1.1 Định nghĩa lưới điện thông minh 1.1.2 Mục tiêu phát triển lưới điện thông minh Việt Nam a) Mục tiêu tổng quát b) Mục tiêu cụ thể .3 1.2 Tổng quan độ tin cậy cung cấp điện 1.2.1 Khái niệm độ tin cậy hệ thống điện 1.2.2 Các tiêu đánh giá độ tin cậy hệ thống điện .3 1.2.3 Các thông số độ tin cậy a) Cường độ hỏng hóc hệ thống (λ) b) Cường độ phục hồi hệ thống ( ) c) Thời gian làm việc an toàn trung bình (Tlv) d) Thời gian sửa chữa trung bình (TS) e) Hệ số sẵn sàng (A) 1.2.4 Một số phương pháp đánh giá độ tin cậy sơ đồ cung cấp điện a) Phương pháp đồ thị giải tích b) Phương pháp không gian trạng thái .3 c) Phương pháp hỏng hóc d) Phương pháp Monte-Carlo 1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy .3 1.3 Tính tốn độ tin cậy cho lƣới điện phân phối .3 1.3.1 Các tiêu đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối a) Tần suất điện trung bình hệ thống - SAIFI (System Average Interruption Frequency Index) b) Thời gian điện trung bình hệ thống - SAIDI (System Average Interruption Duration Index) .4 c) Tần suất điện trung bình thống qua hệ thống - MAIFI (System Average Interruption Frequency Index) 1.3.2 Các sơ đồ dùng để tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối d) Lưới điện hình tia khơng phân đoạn: e) Lưới điện hình tia rẽ nhánh có bảo vệ cầu chì f) Lưới điện hình tia phân đoạn dao cách ly rẽ nhánh có bảo vệ cầu chì g) Lưới điện hình tia phân đoạn máy cắt rẽ nhánh có bảo vệ cầu chì .4 h) Lưới điện phân phối kín vận hành hở 1.4 Kết luận Chƣơng THUẬT TỐN TỐI ƢU HĨA BẦY ĐÀN ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƢU ĐA MỤC TIÊU 2.1 Tổng quát toán tối ƣu đa mục tiêu 2.1.1 Tối ưu đa mục tiêu 2.1.2 Tối ưu Pareto a) Khái niệm Pareto b) Sắp xếp nghiệm không trội (Non - Dominated sort) .5 2.2 Thuật tốn tối ƣu hóa bầy đàn .5 2.2.1 Giới thiệu thuật toán tối ưu hóa bầy đàn 2.2.2 Sơ đồ khối thuật toán tối ưu hóa bầy đàn 2.3 Thuật tốn tối ƣu hóa bầy đàn cho toán tối ƣu đa mục tiêu 2.3.1 Giới thiệu .6 2.3.2 Sơ đồ khối thuật toán bầy đàn cho toán tối ưu đa mục tiêu .6 2.4 Kết luận Chƣơng XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN ỨNG DỤNG HIỆU QUẢ CÔNG NGHỆ CHỈ BÁO ĐƢỜNG ĐI SỰ CỐ CHO LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THƠNG MINH .9 3.1 Cơng nghệ báo đƣờng cố (FPI) .9 3.1.1 Định nghĩa thiết bị thị cố 3.1.2 Nguyên tắc hoạt động FPI .9 3.1.3 Các chức FPI 3.1.4 Phân loại công nghệ FPI a) Theo loại đường dây .9 b) Theo vị trí lắp đặt FPI c) Theo công nghệ sử dụng .9 3.2 Mơ hình thiết bị báo đƣờng cố lƣới điện phân phối tác động đến độ tin cậy cung cấp điện 3.3 Mơ hình tính tốn độ tin cậy lƣới điện phân phối 3.3.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối 3.3.2 Mơ hình tính tốn số SAIDI lưới điện phân phối a) Cơng thức tính tốn b) Xác định vùng điện cố đoạn đường dây .10 c) Xác định vùng điện cố TBPĐ gây 10 3.4 Xây dựng hàm mục tiêu 10 3.4.1 Hàm mục tiêu kinh tế 10 3.4.2 Hàm mục tiêu độ tin cậy 10 3.4.3 Xác định ràng buộc .10 3.5 Xây dựng chƣơng trình tính tốn ứng dụng hiệu cơng nghệ báo đƣờng cố cho lƣới điện phân phối 10 3.5.1 Giải thích thuật tốn chương trình 10 3.5.2 Xây dựng chương trình tính tốn ứng dụng hiệu cơng nghệ báo đường cố cho lưới điện phân phối 11 a) Giao diện chương trình .11 b) Sử dụng chương trình SmartFPI .11 3.6 Kết luận 11 Chƣơng TÍNH TỐN ỨNG DỤNG HIỆU QUẢ CƠNG NGHỆ CHỈ BÁO ĐƢỜNG ĐI SỰ CỐ CHO XUẤT TUYẾN 471 NGŨ HÀNH SƠN THUỘC LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG .12 4.1 Tổng quan lƣới điện phân phối thành phố Đà Nẵng .12 4.1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối thành phố Đà Nẵng .12 4.1.2 Chế độ vận hành lưới phân phối 22kV thành phố Đà Nẵng 12 4.2 Tính tốn ứng dụng hiệu cơng nghệ báo đƣờng cố cho xuất tuyến 471 Ngũ Hành Sơn thuộc lƣới điện phân phối thành phố Đà Nẵng .12 4.2.1 Thông số chung chương trình .12 a) Thông số kỹ thuật lưới điện 12 b) Thông số cấu trúc lưới điện xuất tuyến 471 Ngũ Hành Sơn: 12 4.2.2 Kết thực chương trình 12 a) Giả thiết 12 b) Giả thiết 13 c) Giả thiết 14 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .15 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH M C CÁC B NG S hi u b ng 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 4.1 4.2 4.3 4.4 Tên b ng Trang Thông s n phân ph i nhánh B ng tính ch s tin c hình 1.5 B ng tính ch s tin c hình 1.6 B ng tính ch s tin c hình 1.7 B ng tính ch s tin c hình 1.8 B ng tính ch s tin c hình 1.9 B ng kê su t h ng hóc th i gian s a ch a ph n t n Th i gian th c hi n chuy i n xu t Thông s c 13 14 15 16 17 18 B ng tính hi u qu 62 i gi thi t 54 55 56 DANH M C CÁC HÌNH S hi u Tên hình Trang hình 1.1 Mơ hình minh h n thơng minh Minh h a mơ hình t ch c t ng th n thông minh Công 1.2 nl ng 1.3 n i ti p 1.4 song song 1.5 n 12 1.6 hình tia có nhánh r b o v b ng c u chì t 14 n b ng dao cách ly, nhánh r b o v 1.7 15 b ng c u chì t n b ng máy c t, nhánh r b o v 1.8 17 b ng c u chì t 1.9 n phân ph i kín v n hành h 18 2.1 Hình v t p h p t c tiêu 21 2.2 Minh h a biên ch a nghi m không tr i th h ng 22 2.3 Hình v minh h a thu t tốn b 24 2.4 Khơng gian tìm ki m c a thu t tốn b 26 2.5 V trí c a ph n t sau m i l n l p 26 2.6 thu t tốn t 28 2.7 nghi m b nh ngồi tr ng 30 nghi m nghi t 2.8 30 ph n t b nh nghi m khơng có b t c ph n t 2.9 31 b nh t nghi m có ph n t b nh ngồi 2.10 31 2.11 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 kh i thu t tốn b c tiêu Mơ hình tính tốn l t FPI n Mơ hình ví d n phân ph i 32 nhánh xây d tin c n phân ph i Giao di Giao di n nh p d li K t qu giao di n tính tốn ng d ng hi u qu cơng ngh ch c n phân ph i 33 37 40 41 48 50 52 S hi u hình 4.1 K t qu 4.2 K t qu 4.3 K t qu Tên hình i gi thi t i gi thi t i gi thi t Trang 61 63 64 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT FPI: Fault Passage Indicator (thiết bị báo cố) SCADA: Supervisory, Control and Data Acquisition (hệ thống giám sát, điều khiển thu thập liệu) SAIDI: System Average Interuption Duration Index (chỉ số thời gian điện trung bình lưới điện phân phối) SAIFI: System Average Interuption Frequency Index (chỉ số tần suất điện kéo dài trung bình lưới điện phân phối) MAIFI: Momentary Average Interuption Frequency Index (chỉ số tần suất điện thoáng qua trung bình lưới điện phân phối) PSO: Particle Swarm Optimization (tối ưu hóa bầy đàn) MOPSO: Multi-Objective Particle Swarm Optimization (tối ưu hóa bầy đàn đa mục tiêu) MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, việc phát triển lưới điện thông minh (Smart Grid) xu tất yếu mối quan tâm hàng đầu ngành điện Việt Nam toàn giới nhằm mục tiêu nâng cao chất lượng độ tin cậy cung cấp điện, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho khách hàng sử dụng điện Để hỗ trợ cho lộ trình phát triển lưới điện thơng minh, Thủ tướng Chính phủ có Quyết định số 1670/QĐ-TTg ngày 08/11/2012 phê duyệt Đề án phát triển lưới điện thông minh Việt Nam Như thấy để phát triển lưới điện thông minh Việt Nam, giai đoạn cần tập trung đẩy mạnh hạng mục công việc quan trọng tăng cường độ tin cậy, tăng cường hiệu vận hành hệ thống điện, tập trung vào lưới điện phân phối Để thực điều cần thực đồng nhiều giải pháp, việc ứng dụng cơng nghệ báo đường cố (Fault Passage Indicator – FPI) cho lưới điện phân phối thông minh xem giải pháp hiệu giúp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện hiệu vận hành lưới điện phân phối Tuy nhiên, thiết bị FPI có giá thành khơng phải thấp; việc lắp đặt thiết bị FPI, vị trí lưới điện phân phối để đạt hiệu cao chưa nghiên cứu cụ thể Việc lắp đặt thiết bị FPI nhiều gây lãng phí đầu tư, lắp đặt q khơng đạt hiệu mong đợi Bên cạnh lắp đặt vị trí mang lại hiệu cao vấn đề cần xem xét Do đề tài “Nghiên cứu nâng cao hiệu báo đường cố (Fault Passage Indicator – FPI) nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối thông minh thành phố Đà Nẵng” mang tính cấp thiết giai đoạn phù hợp với Đề án phát triển lưới điện thông minh Việt Nam mà Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Đề tài đề xuất giải pháp để ứng dụng hiệu công nghệ báo đường cố FPI nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối, góp phần thực lộ trình xây dựng lưới điện thông minh Việt Nam theo Đề án mà Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, góp phần tiết giảm lãng phí đầu tư, nâng cao suất lao động Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng nghiên cứu chọn lựa công nghệ FPI phù hợp với điều kiện sở hạ tầng khác lưới điện phân phối khơng tích hợp có tích hợp với hệ thống SCADA - Nghiên cứu giải thuật xây dựng chương trình xác định số lượng vị trí lắp đặt tối ưu thiết bị FPI lưới điện phân phối để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thời gian điện trung bình lưới điện phân phối, có xem xét đánh giá yếu tố kinh tế - kỹ thuật để lựa chọn công nghệ thiết bị FPI phù hợp vị trí thích hợp - Ứng dụng kết nghiên cứu để triển khai tính tốn cho lưới điện thực tế thuộc Công ty Điện lực Đà Nẵng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài cơng nghệ FPI thuật tốn tối ưu hóa ứng dụng chúng hệ thống điện đại Bên cạnh đó, việc tính tốn số độ tin cậy cung cấp điện thực để ứng dụng trình giải toán tối ưu b) Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài bao gồm: - Nghiên cứu công nghệ FPI ứng dụng nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối thông minh - Nghiên cứu phương pháp tính tốn tối ưu, tính tốn độ tin cậy cung cấp điện - Nghiên cứu lập trình tính tốn nhằm ứng dụng hiệu cơng nghệ FPI cho lưới điện phân phối thông minh Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập nghiên cứu tài liệu nước đề cập đến vấn đề độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối; phương pháp tối ưu hóa, đặc biệt tối ưu hóa đa mục tiêu - Phương pháp xử lý thông tin: thu thập xử lý thông tin định lượng độ tin cậy lưới điện phân phối thành phố Đà Nẵng - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm - Xem xét ứng dụng phù hợp với lưới điện thực tế Bố cục đề tài Chương 1: Tổng quan lưới điện thông minh độ tin cậy cung cấp điện Chương 2: Thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn để giải toán tối ưu đa mục tiêu Chương 3: Xây dựng chương trình tính tốn ứng dụng hiệu cơng nghệ báo đường cố cho lưới điện phân phối thơng minh Chương 4: Tính tốn ứng dụng hiệu công nghệ báo đường cố cho xuất tuyến 471 Ngũ Hành Sơn thuộc lưới điện phân phối thành phố Đà Nẵng Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tác giả sử dụng nguồn sách, báo, tạp chí ngồi nước để nghiên cứu lý thuyết tối ưu, lý thuyết di truyền thuật tốn có liên quan đến việc tìm kiếm nghiệm cho toán tối ưu đa mục tiêu Bên cạnh đó, tác giả thu thập số liệu từ đơn vị quản lý vận hành lưới điện thông tin đặc điểm trạng lưới điện, thông tin thống kê cơng tác vận hành Từ tổng hợp xử lý số liệu thu thập để phục vụ nghiên cứu, đánh giá phân tích Chƣơng TỔNG QUAN VỀ LƢỚI ĐIỆN THÔNG MINH VÀ ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN 1.1 Tổng quan lưới điện thông minh 1.1.1 Định nghĩa lưới điện thông minh Lưới điện thông minh hệ thống điện đại hóa để giám sát, bảo vệ tối ưu cách tự động thành phần tham gia từ nguồn điện tập trung phân tán, lưới điện truyền tải phân phối đến hộ sử dụng điện nhằm đảm bảo trình cung cấp sử dụng điện tối ưu, tin cậy đảm bảo chất lượng 1.1.2 Mục tiêu phát triển lưới điện thông minh Việt Nam a) Mục tiêu tổng quát Phát triển lưới điện thông minh với công nghệ đại nhằm nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện, góp phần cho cơng tác quản lý nhu cầu điện, khuyến khích sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả; tạo điều kiện nâng cao suất lao động, giảm nhu cầu đầu tư vào phát triển nguồn lưới điện, tăng cường khai thác hợp lý nguồn tài nguyên lượng, đảm bảo an ninh lượng quốc gia, góp phần bảo vệ mơi trường phát triển kinh tế- xã hội bền vững b) Mục tiêu cụ thể 1.2 Tổng quan độ tin cậy cung cấp điện 1.2.1 Khái niệm độ tin cậy hệ thống điện Độ tin cậy xác suất để hệ thống (hoặc phần tử) hoàn thành triệt để nhiệm vụ giao khoảng thời gian định điều kiện vận hành định 1.2.2 Các tiêu đánh giá độ tin cậy hệ thống điện - Xác suất thiếu điện cho phụ tải - Xác suất thiếu điện thời gian phụ tải cực đại - Thời gian điện trung bình cho phụ tải năm - Số lần điện trung bình cho phụ tải năm 1.2.3 Các thông số độ tin cậy a) Cường độ hỏng hóc hệ thống (λ) b) Cường độ phục hồi hệ thống ( ) c) Thời gian làm việc an tồn trung bình (Tlv) d) Thời gian sửa chữa trung bình (TS) e) Hệ số sẵn sàng (A) 1.2.4 Một số phương pháp đánh giá độ tin cậy sơ đồ cung cấp điện a) Phương pháp đồ thị giải tích b) Phương pháp khơng gian trạng thái c) Phương pháp hỏng hóc Phương pháp hỏng hóc biểu diễn đồ thị quan hệ nhân dạng hỏng hóc hệ thống, hỏng hóc hệ thống hỏng hóc thành phần sở hàm đại số Boole d) Phương pháp Monte-Carlo 1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy - Cường độ hỏng hóc phần tử hệ thống - Sự thao tác để cô lập phần tử hỏng phục hồi hoạt động phần tử không hỏng - Trạng thái thiết bị (máy cắt, dao cách ly): đóng, mở - Việc bảo quản định kì thiết bị 1.3 Tính tốn độ tin cậy cho lưới điện phân phối 1.3.1 Các tiêu đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối a) Tần suất điện trung bình hệ thống - SAIFI (System Average Interruption Frequency Index) ∑ ∑ (1.13) b) Thời gian điện trung bình hệ thống - SAIDI (System Average Interruption Duration Index) ∑ ∑ (1.14) c) Tần suất điện trung bình thống qua hệ thống - MAIFI (Momentary Average Interruption Frequency Index) ∑ ∑ (1.15) 1.3.2 Các sơ đồ dùng để tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối a) Lưới điện hình tia khơng phân đoạn: b) Lưới điện hình tia rẽ nhánh có bảo vệ cầu chì c) Lưới điện hình tia phân đoạn dao cách ly rẽ nhánh có bảo vệ cầu chì d) Lưới điện hình tia phân đoạn máy cắt rẽ nhánh có bảo vệ cầu chì e) Lưới điện phân phối kín vận hành hở 1.4 Kết luận Trong chương tác giả trình bày thơng tin tổng quan lưới điện thông minh, bao gồm định nghĩa lưới điện thông minh mục tiêu phát triển lưới điện thông minh Việt Nam Bên cạnh đó, tác giả giới thiệu độ tin cậy cung cấp điện phương pháp phân tích số độ tin cậy cho lưới điện phân phối điển hình, có xét đến ảnh hưởng thiết bị phân đoạn Đây lý thuyết tảng cho mơ hình tốn học tính tốn độ tin cậy trình bày chi tiết chương Chƣơng THUẬT TỐN TỐI ƢU HĨA BẦY ĐÀN ĐỂ GIẢI BÀI TỐN TỐI ƢU ĐA MỤC TIÊU 2.1 Tổng quát toán tối ưu đa mục tiêu 2.1.1 Tối ưu đa mục tiêu Có nhiều cách để biểu diễn tốn tối ưu đa mục tiêu, phạm vi đề tài tác giả biểu diễn toán tối ưu N mục tiêu y  F  x    f1  x  , f2  x  , ., fn  x   Min T gi  x   0, i  1, 2, ., M, Rµng buéc (2.1) 2.1.2 Tối ưu Pareto Xem xét toán tối ưu cực tiểu cho hàm mục tiêu biểu diễn theo cơng thức tốn học (2.2) Min I(x)  [I1(x), I2(x)] (2.2) Ràng buộc: Gj(x)  0; j = 1, 2, …, J; hk(x) = 0; k = 1, 2,… , K; I2 A Tập hợp tối ưu Pareto C B I2 U * I1 * I1 Hình 2.1 Hình tập hợp tối ưu Pareto cho hàm mục tiêu a) Khái niệm Pareto Một nghiệm thuộc tập Pareto khơng có nghiệm khác cải thiện hàm đối tượng mà không làm giảm hàm đối tượng khác Sắp xếp nghiệm không trội (Non - Dominated sort) 2.2 Thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn 2.2.1 Giới thiệu thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn Tối ưu hóa bầy đàn (PSO) số phương pháp tối ưu dựa dân số bầy đàn đề xuất J.Kennedy R.Eberhart vào năm 1995 PSO công cụ tối ưu cung cấp quy trình tìm kiếm dựa bầy đàn mà cá thể thay đổi vị trí theo thời gian Một lời giải tiềm cho tốn đại diện cá thể đàn, bay khơng gian tìm kiếm có D chiều Sự điều chỉnh tốc độ vị trí cá thể tính tốn cách sử dụng vận tốc khoảng cách từ pbest đến gbest theo công thức (2.4) (2.5) Vidk 1  Vi k  c1rand1  ( Pbestidk - X idk )  c2rand2  (Gbestd k - X idk ) (2.4) X idk 1  X idk  Vidk 1 (2.5) Thơng thường, hệ số qn tính ω giảm theo hàm bậc từ ωmax đến ωmin công thức (2.6)   max - max - min  Iter Itermax (2.6) Với Itermax số bước lặp cực đại Iter bước lặp Hình 2.2 Khơng gian tìm kiếm thuật tốn bầy đàn 2.2.2 Sơ đồ khối thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn Sơ đồ khối thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn thể hình 2.6 2.3 Thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn cho tốn tối ưu đa mục tiêu 2.3.1 Giới thiệu Như nêu phần trước, giải toán tối ưu đơn mục tiêu, cá thể ưu việt xác định sau đánh giá cá thể quần thể, sau cá thể sử dụng để cập nhật vị trí cho phần tử quần thể Tuy nhiên toán tối ưu đa mục tiêu, phần tử có tập nghiệm ưu việt chọn số để cập nhật vị trí bầy đàn 2.3.2 Sơ đồ khối thuật toán bầy đàn cho toán tối ưu đa mục tiêu Sơ đồ thuật toán bầy đàn cho toán tối ưu đa mục tiêu (MOPSO) thể hình 2.11 Các bước thực thuật toán sau: - Bước 1: Khởi tạo bầy đàn - Bước 2: Tìm tập nghiệm khơng trội gbest lưu vào nhớ - Bước 3: Chọn cá thể tập nghiệm ưu việt để sử dụng cho việc cập nhật vị trí phần tử - Bước 4: Cập nhật vận tốc vị trí phần tử - Bước 5: Sử dụng thuật tốn đột biến để tăng tính đa dạng phần tử - Bước 6: Tính tốn hàm mục tiêu cập nhật giá trị pbest cho tất phần tử Một phần tử cập nhật giá trị pbest phần tử trội tương đương giá trị trước (cả hai không trội nhau) - Bước 7: Cập nhật tập nghiệm ưu việt - Bước 8: Quay lại bước chưa đạt điều kiện dừng Bắt đầu Khởi tạo quần thể (các particle) Đánh giá phần tử Tìm tập nghiệm khơng trội lưu vào nhớ Chọn phần tử lãnh đạo Cập nhật vận tốc vị trí phần tử Áp dụng thuật tốn đột biến để tăng tính đa dạng Tính hàm thích nghi No Phần tử xét trội tương đương pBest trước đó? Yes Cập nhật pBest Cập nhật gBest Đã có kết đủ số vòng lặp? No Yes Xuất kết Kết thúc Hình 2.3 Sơ đồ khối thuật toán bầy đàn đa mục tiêu 2.4 Kết luận Trong chương này, tác giả trình bày lý thuyết tốn tối ưu hóa đa mục tiêu giải pháp để giải toán tối ưu đa mục tiêu Trong đó, thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn tác giả giới thiệu rõ, đồng thời tác giả đề cập đến vấn đề cần quan tâm ứng dụng thuật toán cho tốn tối ưu hóa đa mục tiêu Tác giả xây dựng sơ đồ khối thuật toán nhằm giúp người đọc hiểu rõ trình thực thuật toán Trên tảng thuật toán này, tác giả nghiên cứu ứng dụng vào lĩnh vực ứng dụng hiệu công nghệ báo đường cố nhằm nâng cao độ tin cậy hệ thống điện trình bày chi tiết chương chương Chƣơng XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN ỨNG DỤNG HIỆU QUẢ CƠNG NGHỆ CHỈ BÁO ĐƢỜNG ĐI SỰ CỐ CHO LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THƠNG MINH 3.1 Cơng nghệ báo đường cố (FPI) 3.1.1 Định nghĩa thiết bị thị cố Thiết bị thị cố FPI (Fault Passage Indicator) thường cảm biến dòng điện Khi xảy cố thiết bị hiển thị tín hiệu (thường đèn) thơng tin cố báo trung tâm điều khiển thơng qua kênh truyền thơng (khi thiết bị có kết nối SCADA) giúp nhân viên vận hành nhanh chóng tìm điểm cố để cách ly, sửa chữa đoạn bị cố, khôi phục hoạt động cho đoạn không bị cố tiếp tục làm việc 3.1.2 Nguyên tắc hoạt động FPI Thiết bị FPI hoạt động dịng điện qua có giá trị vượt q giá trị cài đặt trước (dòng điện thời gian đặt) FPI phải phát cố trước thiết bị bảo vệ tác động 3.1.3 Các chức FPI 3.1.4 Phân loại công nghệ FPI a) Theo loại đường dây b) Theo vị trí lắp đặt FPI c) Theo cơng nghệ sử dụng 3.2 Mơ hình thiết bị báo đường cố lưới điện phân phối tác động đến độ tin cậy cung cấp điện Sự có mặt thiết bị FPI giúp làm giảm thời gian tìm kiếm điểm cố, từ giảm thời gian ngừng cung cấp điện cho khách hàng khu vực chuyển tải khách hàng khu vực vùng cố không chuyển tải 3.3 Mơ hình tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối 3.3.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối - Trong sơ đồ lưới điện phân phối, nhánh nối từ hai nút, nút nguồn đánh số 0, nút lại đánh số từ đến n - Vị trí thiết bị phân đoạn sử dụng tên nhánh - Sử dụng hai toán tử P(i,j) S(i,j), để xây dựng cơng thức tốn học tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối Trong sơ đồ lưới điện phân phối, nhánh p(i) ký hiệu liền kề trước nhánh thứ i, s(i) ký hiệu liền kề sau nhánh thứ i Toán tử P(i,j) định nghĩa tập hợp tất nhánh phía trước nhánh i mà nhánh thứ j P(i,j) = P{i, p(i), p(p(i)), p(p(p(i))), … , j} (3.4) Toán tử S(i,j) định nghĩa tập hợp tất nhánh phía sau nhánh i mà điểm cuối nhánh thứ j S(i,j) = S{i, s(i), s(s(i)), s(s(s(i))), … , j} (3.5) 3.3.2 Mô hình tính tốn số SAIDI lưới điện phân phối a) Cơng thức tính tốn Hàm mục tiêu SAIDI thiết lập theo công thức (3.6) SAIDI  SAIDIĐZ  SAIDI TBPĐ  SAIDI TBA Trong đó: SAIDIĐZ SAIDITBPĐ SAIDITBA : Chỉ số SAIDI đoạn đường dây lưới điện gây : Chỉ số SAIDI vị trí TBPĐ lưới điện gây : Chỉ số SAIDI trạm biến áp phân phối gây (3.6) 10 b) Xác định vùng điện cố đoạn đường dây c) Xác định vùng điện cố TBPĐ gây 3.4 Xây dựng hàm mục tiêu Trên sở tính chất lưới điện phân phối kín vận hành hở đặt tính thiết bị FPI đề cập trên, xây dựng hàm mục tiêu để tính tốn ứng dụng hiệu cơng nghệ FPI nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện lưới điện phân phối Min F(x) ≡ [F1(x), F2(x)] (3.18) 3.4.1 Hàm mục tiêu kinh tế ∑ (3.19) Min F1 = CFI (3.20) 3.4.2 Hàm mục tiêu độ tin cậy Min F2 = SAIDI (3.21) 3.4.3 Xác định ràng buộc 3.5 Xây dựng chương trình tính tốn ứng dụng hiệu cơng nghệ báo đường cố cho lưới điện phân phối Chương trình tính tốn ứng dụng hiệu cơng nghệ báo đường cố cho lưới điện phân phối xây dựng dựa lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu, tối ưu Pareto Chương trình ứng dụng thuật toán bầy đàn đa mục tiêu đề cập chương để lập trình tính toán xác định phương án tối ưu đáp ứng hàm mục tiêu ràng buộc 3.5.1 Giải thích thuật tốn chương trình Bước Nhập số liệu lưới điện - Dữ liệu nhập vào chương trình cấu trúc LĐPP (các điểm nút, chiều dài dây dẫn, số lượng khách hàng nút, vị trí thiết bị phân đoạn, mạch vòng ) - Suất hỏng hóc thời gian sửa chữa phần tử lưới điện - Các ràng buộc liên quan đến kỹ thuật kinh tế Bước 2: Nhập thông số liên quan đến thuật tốn MOPSO: số vịng lặp, số lượng phần tử, số lượng nghiệm ưu việt Bước Khởi tạo quần thể ban đầu: Tạo ngẫu nhiên quần thể P0 với n cá thể Bước Kiểm tra điều kiện ràng buộc: Đối với cá thể phải kiểm tra thỏa mãn ràng buộc nêu Nếu không thỏa mãn điều kiện ràng buộc thực thuật tốn để hiệu chỉnh cá thể phù hợp với yêu cầu toán Bước Tính tốn hàm mục tiêu: Tương ứng cá thể quần thể, tiến hành tính tốn hàm mục tiêu giá trị kinh tế số độ tin cậy SAIDI Bước Dùng thuật toán xếp nghiệm khơng trội: Sử dụng thuật tốn phân loại nghiệm không trội thứ hạng tương ứng phần trước để xác định các nghiệm ưu việt phân bố biên Pareto Bước Lựa chọn nghiệm ưu việt để hình thành quần thể Bước Cập nhật vận tốc vị trí cho phần tử Bước Tính hàm thích nghi cho phần tử quần thể Bước Cập nhật tập nghiệm ưu việt lưu nhớ Bước 10 Cập nhật pbest cho phần tử Bước 11 Kiểm tra điều kiện dừng (đã đạt đến số lượng vòng lặp cho trước) Nếu chưa thỏa mãn điều kiện dừng quay lại bước Bước 12 Quyết định tập nghiệm tối ưu: Trong tập hợp nghiệm tối ưu nằm biên Pareto, tùy tính chất tốn, tập nghiệm đến từ vài chục đến vài trăm nghiệm nằm biên tối ưu Để tạo thuận lợi việc định chọn nghiệm tối ưu, sử dụng phương án trọng số nhằm giới hạn lại số cá thể cần chọn tập nghiệm 11 F  min(wCost i Với: Trong Costi  Costmin SAIDIi  SAIDI  wSAIDI ) Costmax  Costmin SAIDI max  SAIDI wCost  wSAIDI  (3.22) (3.23) wCost , wSAIDI trọng số, tùy mức độ quan trọng quan điểm quản lý vận hành, số có giá trị khác khác Bước 13 Kết thúc chương trình: Xuất kết giải pháp bố trí FPI tối ưu, tương ứng với giá trị hàm mục tiêu phương pháp trọng số chọn 3.5.2 Xây dựng chương trình tính tốn ứng dụng hiệu cơng nghệ báo đường cố cho lưới điện phân phối Từ thuật toán nêu mục trên, tác giả xây dựng chương trình tính tốn ứng dụng hiệu công nghệ báo đường cố cho lưới điện phân phối ngơn ngữ lập trình Matlab, với tên gọi SmartFPI a) Giao diện chương trình b) Sử dụng chương trình SmartFPI Bƣớc 1: Nhập thơng số lưới điện: Bƣớc 2: Nhập thông số liên quan đến thuật tốn MOPSO Bƣớc 3: Tính tốn 3.6 Kết luận Trong chương 3, tác giả trình bày mơ hình tốn học ảnh hưởng cơng nghệ FPI lưới điện phân phối Trên tảng với lý thuyết tập hợp, logic mối tương quan thiết bị phân đoạn, tác giả trình bày phương pháp tính tốn số độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện Trên sở đó, tác giả xây dựng hàm mục tiêu ràng buộc toán ứng dụng hiệu công nghệ báo đường cố cho lưới điện phân phối thông minh Tác giả ứng dụng thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn đa mục tiêu để xây dựng giải thuật lập trình xây dựng chương trình giải vấn đề nêu Chương trình ứng dụng hiệu cơng nghệ báo đường cố cho lưới điện phân phối sử dụng lý thuyết tối ưu Pareto kết hợp với giải thuật tối ưu hóa bầy đàn cho kết xác định vị trí tối ưu thiết bị báo đường cố lưới điện phân phối Đây tảng sở khoa học giúp cho Công ty Điện lực nâng cao hiệu công tác quản lý vận hành lưới điện phân phối 12 Chƣơng TÍNH TỐN ỨNG DỤNG HIỆU QUẢ CÔNG NGHỆ CHỈ BÁO ĐƢỜNG ĐI SỰ CỐ CHO XUẤT TUYẾN 471 NGŨ HÀNH SƠN THUỘC LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 4.1 Tổng quan lưới điện phân phối thành phố Đà Nẵng 4.1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối thành phố Đà Nẵng Thành phố Đà Nẵng nhận điện từ Trạm biến áp 500kV Đà Nẵng (E51) qua 11 Trạm biến áp 110, 220 kV (Hòa Khánh, Hòa Khánh 2, Liên Chiểu, Xuân Hà, Liên Trì, Cầu Đỏ, Ngũ Hành Sơn 220, An Đồn, Hồ Liên, Hịa Xn, Ngũ Hành Sơn 110kV) với tổng công suất đặt 937 MVA, 71 xuất tuyến 22kV phân bố trải địa bàn Tổng công suất tải cực đại Pmax năm 2018 đạt 540MW, sản lượng ngày cực đại Amax 11,2 triệu kWh Phụ tải đỉnh hệ thống diễn vào lúc 21g00 đến 21g30 ngày bình thường 4.1.2 Chế độ vận hành lưới phân phối 22kV thành phố Đà Nẵng 4.2 Tính tốn ứng dụng hiệu cơng nghệ báo đường cố cho xuất tuyến 471 Ngũ Hành Sơn thuộc lưới điện phân phối thành phố Đà Nẵng 4.2.1 Thơng số chung chương trình a) Thơng số kỹ thuật lưới điện Để tính tốn độ tin cậy lưới điện, cần phải xác định suất hỏng hóc, thời gian khắc phục chủng loại thiết bị Suất hỏng hóc cố lưới điện phân tích kết cấu lưới điện Công ty Điện lực Đà Nẵng có xem xét số liệu thực năm gần Đối với máy biến áp, thời gian sửa chữa xem thời gian để thay thiết bị lên lưới (giả thiết kho ln có sẵn) Đối với máy cắt, dao cắt tải dao cách ly thời gian sửa chữa thời gian tiến hành đấu tắt thiết bị b) Thông số cấu trúc lưới điện xuất tuyến 471 Ngũ Hành Sơn: 4.2.2 Kết thực chương trình Tác giả chạy chương trình với thơng số khác để đánh giá kết a) Giả thiết Với giả thiết: - Số vòng lặp tối đa: 100 vòng lặp - Số cá thể quần thể: 100 cá thể - Số cá thể tập nghiệm ưu việt: 15 cá thể - Trọng số lựa chọn theo tiêu kinh tế: 0.7 - Trọng số lựa chọn theo tiêu kỹ thuật: 0.3 - Suất đầu tư cho FPI thường: 15 triệu đồng/bộ - Suất đầu tư cho FPI có kèm theo hệ thống SCADA: 45 triệu đồng/bộ - Giới hạn số lượng kinh phí lắp đặt: khơng giới hạn Kết tính tốn phân bố nghiệm ưu việt biên Pareto vòng lặp cuối thể hình 4.1 13 Hình 4.1: Kết phương án tối ưu với giả thiết Với giả thiết trên, chương trình cho kết phương án tối ưu là: - Lắp đặt FPI vị trí nhánh: 8, 17, 23, 29, 41, 82, 87, 93, 122 - Không lắp đặt thiết bị FPI kèm theo SCADA - Chỉ số SAIDI lưới điện trước lắp đặt FPI: 118,4565 phút - Chỉ số SAIDI lưới điện trước lắp đặt FPI: 75,0951 phút - Tổng kinh phí đầu tư: 135 triệu đồng b) Giả thiết Với giả thiết: - Số vòng lặp tối đa: vòng lặp - Số cá thể quần thể: cá thể - Số cá thể tập nghiệm ưu việt: cá thể - Trọng số lựa chọn theo tiêu kinh tế: 0.7 - Trọng số lựa chọn theo tiêu kỹ thuật: 0.3 - Suất đầu tư cho FPI thường: 15 triệu đồng/bộ - Suất đầu tư cho FPI có kèm theo hệ thống SCADA: 45 triệu đồng/bộ - Giới hạn số lượng FPI lắp đặt lưới điện: thiết bị - Giới hạn kinh phí lắp đặt: 150 triệu đồng Với giả thiết trên, chương trình cho kết phương án tối ưu là: - Lắp đặt FPI vị trí nhánh: 8, 34, 82, 122 - Các nhánh sử dụng FPI kèm theo công nghệ SCADA: 82, 122 - Chỉ số SAIDI lưới điện trước lắp đặt FPI: 118,4565 phút - Chỉ số SAIDI lưới điện trước lắp đặt FPI: 88,0127 phút 14 - Tổng kinh phí đầu tư: 120 triệu đồng c) Giả thiết Với giả thiết: - Số vòng lặp tối đa: 10 vòng lặp - Số cá thể quần thể: cá thể - Số cá thể tập nghiệm ưu việt: cá thể - Trọng số lựa chọn theo tiêu kinh tế: 0.1 - Trọng số lựa chọn theo tiêu kỹ thuật: 0.9 - Suất đầu tư cho FPI thường: 15 triệu đồng/bộ - Suất đầu tư cho FPI có kèm theo hệ thống SCADA: 45 triệu đồng/bộ - Giới hạn số lượng FPI lắp đặt lưới điện: thiết bị - Giới hạn kinh phí lắp đặt: 250 triệu đồng Kết tính tốn phân bố nghiệm ưu việt biên Pareto vòng lặp cuối thể hình 4.3 Hình 4.2: Kết phương án tối ưu với giả thiết Với giả thiết trên, chương trình cho kết phương án tối ưu là: - Lắp đặt FPI vị trí nhánh: 8, 18, 32, 40, 85 - Các nhánh sử dụng FPI kèm theo công nghệ SCADA: 8, 18, 40 - Chỉ số SAIDI lưới điện trước lắp đặt FPI: 118,4565 phút - Chỉ số SAIDI lưới điện trước lắp đặt FPI: 70.5396 phút - Tổng kinh phí đầu tư: 165 triệu đồng Nhận xét: Chương trình đưa đáp án hợp lý, thỏa mãn ràng buộc mặt kỹ thuật kinh tế 15 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Tính tốn ứng dụng hiệu công nghệ báo đường cố nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện vấn đề quan trọng công tác quy hoạch, thiết kế vận hành lưới điện phân phối Đề tài nghiên cứu đưa phương pháp để giải vấn đề sở phương pháp tối ưu hóa Đề tài trình bày mơ hình tốn học tảng lý thuyết tập hợp logic mối quan hệ ràng buộc thiết bị phân đoạn máy cắt, dao cách ly, cầu chì tự rơi, dao cắt có tải lưới điện phân phối để tính tốn độ tin cậy Tác giả nghiên cứu lý thuyết tối ưu Pareto, thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn đa mục tiêu từ xây dựng thuật tốn tính tốn ứng dụng hiệu công nghệ báo đường cố cụ thể hóa chương trình lập trình phần mềm Matlab Chương trình trở thành công cụ giúp cho Công ty Điện lực đánh giá, tối ưu hóa số độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối Đề tài sử dụng lưới điện xuất tuyến 471 Ngũ Hành Sơn làm đối tượng nghiên cứu việc bố trí tối ưu thiết bị báo đường cố thơng qua chương trình tìm kiếm vị trí lắp đặt tối ưu lựa chọn công nghệ tối ưu cho thiết bị phân đoạn Kết tính tốn phân tích chi tiết cho trường hợp cụ thể hoàn toàn phù hợp với thực tiễn vận hành lưới điện Kết đề tài dễ dàng ứng dụng cho lưới điện phân phối công ty điện lực Kiến nghị Các giải pháp ứng dụng hiệu công nghệ báo đường cố (Fault Passage Indicator – FPI):  Các Công ty điện lực thực ứng dụng phần mềm đề tài đề xuất để tính tốn phương án ứng dụng tối ưu thiết bị FPI xuất tuyến Trên sở đó, thực hốn chuyển vị trí/lắp đặt bổ sung/tháo bớt thiết bị FPI có lưới điện để phù hợp với kết tính tốn  Đối với dự án đầu tư xây dựng lưới điện, đặc biệt dự án đầu tư xây dựng xuất tuyến mới, cải tạo thay đổi kết cấu lưới điện, thay đổi số lượng khách hàng… cần phải đưa hạng mục tính tốn ứng dụng thiết bị FPI vào q trình thiết kế, thi công  Thường xuyên cập nhật công nghệ FPI xác định nhu cầu chủ đầu tư để cập nhật xác thơng số đầu vào (giá thiết bị, kinh phí, mức độ ưu tiên) trình sử dụng phần mềm SmartFPI để tính tốn  Trên tảng thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn đa mục tiêu mơ hình tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối mà tác giả đề cập chương 3, tiếp tục nghiên cứu mở rộng hoàn thiện toán tối ưu độ tin cậy cho lưới điện phân phối có đánh giá yếu tố hiệu đầu tư dự án Với toán cần nghiên cứu sâu chi phí phạt tiền điện cố chi phí phạt không đảm bảo số độ tin cậy  Định kỳ hàng năm ba năm cần thực tính tốn lại hiệu chỉnh thiết bị FPI theo kết tính tốn