Ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến nhằm phân bố tối ưu công suất trong lưới điện phân phối

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM TRUNG TIẾN - PHẠM TRUNG TIẾN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA ỨNG DỤNG THUẬT TỐN TỐI ƢU BẦY ĐÀN CẢI TIẾN NHẰM PHÂN BỐ TỐI ƢU CÔNG SUẤT TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI C C R L T U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOÁ K37 Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - PHẠM TRUNG TIẾN ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƢU BẦY ĐÀN CẢI TIẾN NHẰM PHÂN BỐ TỐI ƢU CÔNG SUẤT TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI C C R L T Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự Động Hóa Mã số: 8520216 U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN KHÁNH QUANG Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn C C R L U D T Phạm Trung Tiến MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu C C Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn R L Cấu trúc đề tài T CHƯ NG 1: T NG QUAN VỀ PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI U D 1.1 Tổng quan lưới điện phân phối 1.1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối 1.1.2 Cấu trúc lưới điện phân phối 1.2 Tổng quan phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân bố tối ưu công suất nhằm giảm tổn thất LĐPP 1.2.1 Các toán tái cấu trúc LĐPP vận hành 1.2.2 Các nghiên cứu khoa học tái cấu trúc lưới điện phân phối 1.2.2.1 Thuật toán kỹ thuật vịng kín Merlin Back 1.2.2.2 Kỹ thuật đổi nhánh Civanlar cộng 10 1.2.2.3 Thuật toán di truyền (Genetic algorithm - GA) 12 1.2.2.4 Thuật toán đàn kiến (Ant colony algorithm - ACS) 13 1.2.2.5 Thuật toán dựa trí tuệ nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN) 15 1.2.2.6 Phương pháp tìm kiếm TABU (Tabu Search Method - TS) 15 1.3 Nhận xét 17 CHƯ NG 2: T NG QUAN VỀ THUẬT TOÁN TỐI ƯU BẦY ĐÀN CẢI TIẾN 18 2.1 Thuật toán tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization-PSO) 18 2.2 Các phương pháp tối ưu bầy đàn cải tiến 21 2.1.1 Phương pháp sử dụng đạo hàm giả 22 2.1.2 Phương pháp cải tiến với hệ số quán tính thời gian .22 2.2 Ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến cho toán tối ưu 25 CHƯ NG 3: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU BẦY ĐÀN CẢI TIẾN PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 28 3.1 Bài toán phân bố tối ưu công suất lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất điện 28 3.1.1 Mô hình lưới điện phân phối 28 3.1.2 Hàm mục tiêu tốn phân bố tối ưu cơng suất nhằm giảm tổn thất 29 3.1.3 Điều kiện ràng buộc 30 3.2 Ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến phân bố tối ưu công suất LĐPP 31 CHƯ NG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .33 C C 4.1 Đối tượng mô 33 4.1.1 Đặc điểm lưới điện 33 R L 4.2 Mô đánh giá kết lưới điện .39 4.2.1 Mô 39 4.2.2 Kết mô 40 4.2.3 Đánh giá kết 44 T U D KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .46 Đánh giá 46 Đề xuất 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO .47 ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƢU BẦY ĐÀN CẢI TIẾN NHẰM PHÂN BỐ TỐI ƢU CÔNG SUẤT TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Học viên: Phạm Trung Tiến Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: K37 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Trước yêu cầu ngày cao giảm tổn thất điện hệ thống điện Với đặc điểm lưới điện phân phối có phụ tải phân bố rải rác, tỉ trọng công nghiệp chưa cao, tỉ trọng tiêu dùng dân cư lớn nên lưới điện phân phối có tỷ lệ tổn thất điện cao hệ thống điện Vì giảm tổn thất điện lưới điện phân phối có ý nghĩa quan trọng việc giảm tổn thất điện toàn hệ thống điện Với mục tiêu trên, nhiều thuật toán tối ưu nghiên cứu ứng dụng để phân bố tối ưu công suất lưới điện phân phối cách thay đổi trạng thái đóng/mở thiết bị đóng cắt để tái cấu trúc lại lưới điện Thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến (IPSO) đề xuất trình bày đề tài nhằm tối thiểu hóa tổn thất điện cải thiện điện áp lưới điện Thuật tốn đề xuất mơ kiểm chứng với lưới điện tỉnh Kon Tum đánh giá so sánh với thuật toán tối ưu bầy đàn truyền thống Kết cho thấy giải pháp đưa hiệu có khả ứng dụng thực tế C C R L T Từ khóa – PSO, IPSO, phân bố tối ưu cơng suất, tái cấu hình lưới điện, giảm tổn thất U D APPLICATION OF IMPROVED PARTICLE SWARM OPTIMIZATION TO OPTIMAL POWER DISTRIBUTION Abstract - In the face of increasing requirements for power losses reduction in power system Due to the distribution system with scattered load, the low proportion of electricity consumption in industry, the high proportion of consumers, so the distribution system has a high rate of power loss in power system Therefore, power loss reduction on the distribution system is important in reducing the real loss of the entire power system To achieve this goal, many optimization algorithms have been studied and applied to optimize the distribution of power in the distribution system by changing tie and sectionalizing switches to reconfigure the network An Improved Particle Swarm Optimization (IPSO) algorithm has been proposed and presented in this study for power loss minimization and voltage profile improvement The proposed algorithm has been simulated and verified with the distribution system of Kon Tum province and its result has been compared with the traditional PSO algorithm The simulation results have shown that the proposed solution is very effective and applicable in realworld applications Key words - PSO, IPSO, Optimal power distribution, distribution system reconfiguration, power loss reduction DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Nhóm chữ viết tắt Định nghĩa DS (Distance Switch) Dao cách ly LBS (Load Breaker Switch) Máy cắt phụ tải GA (Genetic Algorithm) Giải thuật di truyền ACS (Ant Colony Algorithm) Giải thuật đàn kiến ANN (Artificial Neural Network) Mạng trí tuệ nhân tạo TS (Tabu Search Method) Phương pháp tìm kiếm TABU PSO ( Particle Swarm Optimization) R L C C T Phương pháp tối ưu bầy đàn IPSO ( Improve Particle Swarm Optimization) Phương pháp t ố i u bầy đàn cải tiến U D DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Phạm vi ứng dụng toán tái cấu trúc lưới 4.1 Thông số nút 34 4.2 Thông số đường dây 36 4.3 Công suất xuất tuyến tổn thất phương thức kết lưới trước thực phân bố tối ưu công suất 39 4.4 Kết thực thuật toán PSO IPSO 4.5 So sánh kết thuật toán PSO IPSO C C R L U D T 44 44 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.6 1.7 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 Mơ hình hệ thống điện Mơ hình lưới điện phân phối Sơ đồ lưới điện hình tia Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở Thuật tốn Merlin Back Shirmohammadi Hong cải tiến Lưu đồ thuật tốn Civanlar cộng Mơ thuật toán đàn kiến Sơ đồ minh họa điểm tìm kiếm PSO Lưu đồ thuật tốn PSO Lưu đồ thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến Sơ đồ xuất tuyến hình tia Sơ đồ thay đường dây phân phối 3.3 Lưu đồ thuật toán IPSO cho tốn phân bố tối ưu cơng suất 32 4.1 Sơ đồ kết nối lưới trước phân bố tối ưu Sơ đồ kết nối lưới sau phân bố tối ưu cơng suất thuật tốn PSO Đồ điện áp thuật tốn PSO Kết tính tổn thất thuật tốn PSO 39 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 C C R L T U D Sơ đồ kết nối lưới sau phân bố tối ưu công suất thuật tốn IPSO Đồ điện áp thuật tốn IPSO Kết tính tổn thất thuật tốn IPSO Kết tính tổn thất 20 vịng lặp thuật toán PSO IPSO 7 11 14 19 21 27 28 29 40 41 41 42 43 43 45 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Lưới điện phân phối (LĐPP) đóng vai trò quan trọng việc cung cấp điện từ nơi sản xuất điện đến hộ tiêu thụ điện, LĐPP thiết kế có cấu trúc mạch vịng cấu trúc hình tia, nhiên lý kỹ thuật điều kiện vận hành nên vận hành theo cấu trúc hình tia Theo thống kê Tập đồn Điện lực Việt Nam tổng tổn thất điện LĐPP chiếm 5-7% Do việc nghiên cứu biện pháp giảm tổn thất điện LĐPP nhu cầu cần thiết, mang lại nhiều lợi ích kinh tế Hệ thống LĐPP hệ thống lớn có đặc điểm trải rộng toàn lãnh thổ quốc gia, gồm nhiều phần tử, nhiều thơng số, tốn tính tốn phân tích cho LĐPP có số lượng nghiệm lớn, yêu cầu độ xác thời gian tính tốn xử lý nhanh nên cần phải có phương pháp giúp giải C C toán cách hiệu Bài toán giảm tổn thất cống suất LĐPP toán nghiên cứu nhiều mang lại giá trị kinh tế sản xuất vận hành hệ thống điện R L T Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất công suất LĐPP như: nâng cao điện áp vận hành LĐPP, tăng tiết diện dây dẫn, giảm truyền tải công U D suất phản kháng lưới điện cách lắp đặt tụ bù Tuy biện pháp mang tính khả thi kỹ thuật lại tốn chi phí đầu tư thời gian lắp đặt thiết bị Trong đó, biện pháp tái cấu trúc lưới thơng qua việc chuyển tải cách đóng/mở cặp khố điện có sẵn lưới giảm tổn thất điện đáng kể đạt cân công suất tuyến dây mà không cần nhiều chi phí để cải tạo lưới điện Khơng dừng lại mục tiêu giảm tổn thất điện năng, tái cấu trúc LĐPP cịn nâng cao khả tải lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới Trong trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất công suất nâng cao độ tin cậy điều kiện phải thoả mãn ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khoá điện hệ thống điện phân phối điều vơ khó khăn điều độ viên Do ln cần phương pháp phân tích phù hợp với LĐPP thực tế thuật toán đủ mạnh để tái cấu trúc lưới điều kiện thoả mãn mục tiêu điều khiển vận hành lưới điện phân phối Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu đề tài là: Đánh giá, khảo sát phương pháp 48 Araujo, “A New Distribution System Reconfiguration Approach Using Optimum Power Flow and Sensitivity Analysis for Loss Reduction”, IEEE Transaction on Power Delivery, Vol 21, No 4, November 2006 [12] W.M Liu, Chin H.C and Yu G.J "An Effective Algorithm for Distribution Feeder Loss Reduction by Switching Operations", IEEE Trasmission and Distribution Conference 1999 [13] W.M Lin and H.C Chin, “A New Approach for Distribution Reconfiguration for Loss Reduction and service Restoration”, IEEE trans On Power Delivery, Vol 13, No 3, July 1998 [14] Y K Wu, C Y Lee, L C Liu, and S H Tsai, “Study of reconfiguration for the distribution system with distributed generators,” IEEE Trans Power Deliv., vol 25, no 3, pp 1678–1685, 2010 C C [15] Nguyễn Thanh Thuận “Tái cấu hình lưới phân phối sử dụng giải thuật tìm kiếm tối ưu”, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, 2016 R L [16] N Gupta, A Swarnkar, and K R Niazi, “Distribution network reconfiguration T for power quality and reliability improvement using Genetic Algorithms,” Int J Electr Power Energy Syst., vol 54, pp 664–671, 2014 U D [17] A Asrari, S Lotfifard, and M Ansari, “Reconfiguration of Smart Distribution Systems With Time Varying Loads Using Parallel Computing,” IEEE Trans Smart Grid, pp 1–11, 2016 [18] T T Nguyen and A V Truong, “Distribution network reconfiguration for power loss minimization and voltage profile improvement using cuckoo search algorithm,” Int J Electr Power Energy Syst., vol 68, pp 233–242, 2015 [19] J Olamaei, T Niknam, and G Gharehpetian, “Application of particle swarm optimization for distribution feeder reconfiguration considering distributed generators,” Appl Math Comput., vol 201, no 1–2, pp 575–586, 2008 [20] N Gupta, A Swarnkar, and K R Niazi, “Distribution network reconfiguration for power quality and reliability improvement using Genetic Algorithms,” Int J Electr Power Energy Syst., vol 54, pp 664–671, 2014 C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T C C R L U D T ... quan phân bố tối ưu công suất lưới điện phân phối - Chương 2: Tổng quan thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến - Chương 3: Ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến phân bố tối ưu công suất lưới điện. .. tối ưu Dừng Hình 2.3 Lưu đồ thuật tốn tối ưu bầy đàn cải tiến 28 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƢU BẦY ĐÀN CẢI TIẾN PHÂN BỐ TỐI ƢU CÔNG SUẤT TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 3.1 Bài tốn phân bố tối. .. pháp cải tiến với hệ số quán tính thời gian .22 2.2 Ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến cho toán tối ưu 25 CHƯ NG 3: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU BẦY ĐÀN CẢI TIẾN PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG