PSS/OPF là một phần của chương trình PSS/E nhằm mục đích tối ưu hoá hệ thống truyền tải. PSS/OPF hoàn toàn tương thích với phần tính chế độ xác lập.Trong quá trình tính toán chế độ xác lập thông thường người tính toán phải tính toán một loạt các trường hợp một cách có hệ thống để có thể đưa ra một lời giải có thể chấp nhận được. Chương trình PSS/OPF, ngược lại, sẽ trực tiếp thay đổi các thông số điều khiển để xác định giải pháp tốt nhất. Từ một điểm xuất phát nào đó người tính toán có thể có được một lời giải tối ưu đảm bảo các ràng buộc của hệ thống với chi phí nhiên liệu nhỏ nhất.
Chương trình PSS/OPF được thiết kế để có thể tính toán một số bài toán thường gặp như sau:
• Nghiên cứu phân bố công suất phản kháng
• Nghiên cứu hiện tượng sụp đổ điện áp.
• Nghiên cứu giới hạn truyền tải
• Tính toán chi phí cận biên
Trong quá trình tính toán PSS/OPF sẽ đảm bảo những mục tiêu như sau:
• Cực tiểu hóa chi phí nhiên liệu cho các tổ máy (than, dầu, khí)
• Cực tiểu hoá phát công suất tác dụng và phản kháng
• Cực tiểu hoá điện kháng nhánh có thể thay đổi được
• Cực tiểu hoá lượng bù ở các nút có thể thay đổi được.
• Giảm lượng trào lưu công suất trao đổi và tuân thủ những ràng buộc sau đây:
• Ràng buộc điện áp nút trong một khoảng cố định
• Ràng buộc trào lưu công suất nhánh.
• Ràng buộc trào lưu công suất trao đổi.
• Ràng buộc công suất phát.
• Ràng buộc dự trữ công suất.
• Ràng buộc của các tụ bù tại các nút điều chỉnh được
• Ràng buộc điện kháng các nhánh có điện kháng điều chỉnh được
Tối ưu hoá trào lưu công suất khác biệt với bài toán tính toán phân bổ trào lưu công suất thông thường là nó giải bài toán tối ưu với một hàm mục tiêu và các ràng buộc dạng đẳng thức và bất đẳng thức. Các thuật giải cho bài toán tối ưu phi tuyến có thể ở dạng như sau:
• Hàm mục tiêu: Tìm cực tiểu của hàm f(x,y) -> Min 1. Với các ràng buộc:
a. Ràng buộc dạng đẳng thức. b. Ràng buộc bất đẳng thức. Trong đó:
• Hàm mục tiêu có thể chứa một hoặc một số hàm như chi phí nhiên liệu, tổn thất truyền tải v.v...
• Ràng buộc đẳng thức bao gồm các đại lượng như các phương trình cân bằng công suất, đảm bảo công suất nguồn bơm vào một nút phải bằng tổng trào lưu công suất từ nút đó đi các nhánh.
• Ràng buộc bất đẳng thức bao gồm nhiều biến khác nhau như biên độ, góc pha điện áp nút, công suất phát của máy phát chỉ có thể thay đổi trong dải giá trị cực tiểu đến cực đại.
Lời giải của bài toán tối ưu hoá trào lưu công suất là tìm lời giải thoả mãn tất cả các ràng buộc hệ thống đồng thời lại đạt được hàm mục tiêu toàn cục.
3.2.4.1 Hàm mục tiêu
Hàm mục tiêu được biểu diễn bằng chi phí là hàm của các biến hệ thống điện. Chẳng hạn, chi phí nhiên liệu dùng để phát điện là hàm của công suất phát của các máy phát đang vận hành. OPF sẽ tự động điều chỉnh công suất phát của các tổ máy trong phạm vi cho phép nhằm tối thiểu hoá chi phí nhiên liệu. Hàm mục tiêu có chứa cả thành phần hiện và thành phần ẩn. Các thành phần hiện trong hàm mục tiêu được nhận biết bởi dữ liệu mô phỏng phụ trợ và được biểu diễn một cách tổng quát là hàm của các biến tối ưu. Các hàm ẩn của hàm mục tiêu được biểu diễn một cách gần đúng cho các thao tác điều khiển liên tục hoặc rời rạc. Các hàm mục tiêu ẩn này được đánh hệ số phạt trọng số bậc hai cho các sai lệch của các biến r(xi - xi0)2. Các đại lượng vô hướng "trọng số" hoặc "chi phí", r, có thể gán được.
3.2.4.2 Các ràng buộc và các điều khiển
Rõ ràng là khi giảm công suất của các máy phát đến không sẽ tối thiểu hoá chi phí, nhưng nó không cung cấp điện cho khách hàng. Do đó cần phải tăng cường hàm mục tiêu với các ràng buộc đẳng thức, bao gồm cả các ràng buộc đẳng thức và bất đằng thức. Các ràng buộc bất đẳng thức sẽ xác định cận trên và cận dưới của các biến. Chẳng hạn cho bài toán vận hành kinh tế nhiên liệu, các ràng buộc đẳng thức này sẽ đảm bảo rằng công suất phát của các tổ máy sẽ đáp ứng đủ cho phụ tải và tổn thất trong hệ thống. Các phương trình phức hợp của bài toán tính toán trào lưu công suất thông
thường cũng được kể đến. Các điều khiển, như công suất phát tác dụng, điện áp đầu cực máy phát, nấc biến áp, góc di pha của máy biến áp v.v... có thể được gán một giá trị cố định hoặc các giới hạn trên và dưới. Các biến phụ thuộc rõ ràng, như biên độ điện áp nút phụ tải và trào lưu công suất nhánh, được gán cận trên và cận dưới. Tuy nhiên cũng có thể xảy ra trường hợp tất cả các ràng buộc không thể thoả mãn đồng thời. Trường hợp này sẽ dẫn đến không thể tìm được phương án. Không giống như bài toán phân bổ trào lưu công suất thông thường, không có hàm mục tiêu cục bộ độc lập tương ứng với mỗi điều khiển. Quá trình giải xem điều chỉnh từng biến điều khiển để tìm kiến trạng thái sao cho thoả mãn tất cả các ràng buộc, thêm vào đó lại tối thiểu hoá hàm mục tiêu. Các ràng buộc được đưa vào và hàm mục tiêu được viết theo các biến. Trong mô hình tính toán có hai loại biến: các biến điều khiển (được gọi là các biến độc lập hay các biến quyết định) và các biến phụ thuộc (được xem như các biến trạng thái). Chúng được nhận biết thông qua cả mô hình tính toán trào lưu công suất thông thường và các dữ liệu phụ trợ cho mô hình tối ưu hoá trào lưu công suất.
3.2.4.3 Độ nhạy
Mỗi một biến, cả biến độc lập và phụ thuộc, có một độ nhạy tương ứng với nó. Các giá trị độ nhạy lượng hoá sự thay đổi mong muốn ở hàm mục tiêu tương ứng với sự thay đổi của biến. Độ nhạy âm chỉ ra rằng một sự tăng giá trị biến sẽ làm giảm giá trị hàm mục tiêu. Giá trị tối ưu cho bất cứ biến nào là mà kết quả là độ nhạy bằng không. Đối với một vài biến, giá trị tối ưu nằm ngoài các giới hạn của biến. Trong trường hợp này, OPF sẽ đưa giá trị về giới hạn và đưa ra giá trị độ nhạy. Kích cỡ liên quan của biên độ độ nhạy hướng sự chú ý đến các ràng buộc hoặc các điều khiển cố định có ảnh hưởng nhiều nhất đến hàm mục tiêu.
3.2.4.4 Các mô hình trong tính toán trào lưu công suất thông thường
1. Dữ liệu nút
Chỉ có nút đang làm việc trong file tính toán trào lưu công suất được nhận biết trong OPF. Các điện dẫn điện kháng của nút đang làm việc cũng được OPF xác định.
Biên độ điện áp và góc pha của nút được khởi tạo từ mô hình thông thường. Góc pha của nút cân bằng (loại 3) được cố định ở giá trị ban đầu trong khi góc pha của tất cả các nút khác được phép thay đổi không có giới hạn. Biên độ điện áp và công suất phản kháng phát ra của nút cân bằng có thể thay đổi trong khoảng giới hạn trên và dưới đã xác định. Để mô tả các vấn đề trong đó công suất phát được vận hành sao cho tối thiểu hoá chi phí nhiên liệu, công suất tác dụng phát của nút cân bằng chỉ thay đổi khi mô hình chi phí nhiên liệu được sử dụng. Đối với các trường hợp khác công suất tác dụng của nút cân bằng có thể thay đổi không giới hạn.
2. Dữ liệu phụ tải
Mô hình phụ tải trong tính toán trào lưu công suất hoàn toàn được chức năng OPF nhận biết.
3. Dữ liệu máy phát
Một hoặc một số máy phát có thể tương ứng với một nút máy phát (mã 2) hoặc nút cân bằng (mã 3), công suất tác dụng và phản kháng phát ra và các giới hạn công suất phản kháng phát được khởi tạo từ dữ liệu mô hình tính toán trào lưu công suất thông thường. Nếu tổng giới hạn dưới của bất cứ nút nào bằng hoặc lớn hơn tổng giới hạn trên thì nút đó sẽ bị chuyển thành nút phụ tải. Các nút xa cho các nút điều khiển điện áp được duy trì cho mục đích tạo báo cáo và một cách tuỳ chọn, để điều khiển điện áp tại chỗ của các thiết bị không tối ưu. OPF thử tất cả các điều khiển tối ưu nhằm thoả mãn tất cả các ràng buộc và dựa trên đó tối thiểu hoá hàm mục tiêu. Công suất cơ bản MVA của máy phát, trở kháng nguồn, trở kháng của máy biến áp tăng áp và tỷ số biến áp bị OPF bỏ qua.
Trong tính toán trào lưu công suất thông thường, thao tác điều khiển của máy phát là không liên tục. Các máy phát điều khiển biên độ điện áp từng nút, điện áp này được xem như cố định và công suất phản kháng phát sẽ thay đổi cho đến khi đạt đến giới hạn công suất phản kháng phát, tại điểm đó thì điện áp bắt đầu thay đổi tự do theo một hướng và công suất phản kháng phát sẽ cố định ở giới hạn. Nếu điện áp điều khiển quay trở lại điểm đặt thì điện áp một lần nữa lại cố định và công suất
phản kháng phát tự do. Biên độ điện áp máy phát là biến điều khiển nó bị thay đổi bởi OPF đến giá trị tối ưu tương ứng với các giới hạn. Cách xử lý thích hợp nhất cho các máy phát không tối ưu là mô hình máy phát thông thường, nhưng mô hình không liên tục này cản trở nghiêm trọng đến độ tin cậy cảu lời giải OPF. OPF không trực tiếp chứa mô hình không liên tục, nhưng gần đúng nó thông qua một trong hai phương pháp:
a. Thông qua việc sử dụng chi phí bậc hai đối với bất cứ sai lệch của biên độ điện áp máy phát khỏi giá trị ban đầu. Mặc định hệ số phạt là 100 được sử dụng. Hệ số phạt này cũng có thể thay đổi thông qua tuỳ chọn giải OPF và một điện áp mong muốn có thể được gán như là sai lệch phạt cho các tổ máy điều chỉnh tại chỗ. hoặc
b. Thông qua sử dụng ràng buộc bất đẳng thức khống chế tổng lỗi trong điện áp máy phát không tối ưu chống lại đặc tính phát công suất phản kháng.
4. Dữ liệu điều khiển máy biến áp
Sắp xếp biến điều khiển được thực hiện cho tất cả các máy biến áp được địng nghĩa trong mô hình dữ liệu tính toán trào lưu công suất, được nhận biết qua nhánh có tỷ số biến áp khác không. Trạng thái tối ưu của máy biến áp được xác định phụ thuộc vào nhánh đó có nằm trong miền hay khu vực được chọn để tối ưu hoá hay không.
Các nhánh thuộc quyền sở hữu của miền hoặc khu vực tương ứng với nút không có điểm đo. Các giới hạn trên và dưới của nấc biến áp hoặc góc di pha, và nấc biến áp được thiêt lập như một phần dữ liệu điều chỉnh máy biến áp trong mô hình tính trào lưu công suất. Nút điều khiển và cờ cho phép điều khiển được sử dụng bởi OPF, nhưng các giới hạn giá trị điều khiển (điện áp, trào lưu MW hoặc MVar) chỉ được sử dụng để phân biệt loại mát biến áp, điều khiển nấc hoặc điều khiển góc pha, và sau đó bị bỏ qua. Trạng thái điều khiển được thực hiện theo dữ liệu như với PSS/E, các thao tác điều khiển tối ưu được điều chỉnh để đạt được tối ưu toàn cục, không đơn giản là mục tiêu địa phương.
Chương trình PSS/E sử dụng mô hình máy biến áp có nấc biến áp như một số phức trong hệ toạ độ cực: tỷ số biến áp là biên độ và di pha là góc. Chỉ có một trong hai thành phần của mỗi máy biến áp được chọn như là điều khiển có sẵn. Khi dải điều chỉnh của máy biến áp (chẳng hạn RMAX-RMIN) vượt quá 1.0 thì góc di pha là biến điều khiển, ngược lại tỷ số biến áp là biến điều khiển. Trong cả hai trường hợp, thành phần kia sẽ bị cố định. Độ nhạy chỉ được tính toán cho biến điều khiển. Do đó, một máy biến áp có góc di pha cố định nhằm biểu diễn tổ đấu dây sao-tam giác được thông báo trong báo cáo tổng kết tỷ số máy biến áp, ngược với báo cáo tổng kết góc di pha máy biến áp.
5. Dữ liệu trao đổi giữa các miền
Dữ liệu trao đổi giữa các miền chỉ được sử dụng nếu tuỳ chọn Điều chỉnh trao đổi giữa các miền? được chọn. Trong trường hợp này, một phương trình ràng buộc được sử dụng cho tất cả các bản ghi trao đổi giữa các miền như là một phần của dữ liệu trào lưu công suất trong trường hợp đang khảo sát.
6. Dữ liệu về kháng có đóng cắt
Các biến điều khiển shunt nút được nhận biết bởi cả mô hình dữ liệu shunt nút điều chỉnh được trong OPF và mô hình shunt có đóng cắt trong dữ liệu tính toán trào lưu công suất thông thường. Đối với shunt có đóng cắt đã được định nghĩa trong tính toán trào lưu công suất, số nút, phương thức điều khiển, giá trị ban đầu và thông tin đóng cắt cho tám khối được duy trì bởi chương trình. Các giới hạn điện áp mong muốn và số nút điều khiển xa bị bỏ qua. Theo mặc định điện dẫn của shunt có đóng cắt được điều chỉnh liên tục. Các shunt không có đóng cắt và thiết bị Var ở trong các hệ thống con không được chọn tính tối ưu hoá sẽ cố định ở giá trị ban đầu của nó (BINIT).
7. Dữ liệu hiệu chỉnh điện kháng máy biến áp
Việc hiệu chỉnh điện kháng máy biến áp như một hàm của vị trí nấc biến áp sẽ không có gì thay đổi trong PSS/OPF. Điện kháng của máy biến áp được bắt đầu từ điện kháng đã điều chỉnh và giữ cố định.
3.2.4.5 Mô phỏng các đại lượng điều khiển trào lưu công suất
Phần tính toán chế độ xác lập gắn với điện áp đầu cực máy phát, tỷ số biến áp của các máy biến áp. Những đại lượng điều khiển này sẽ chuyển sang phần tính toán toán OPF, nhưng không phải là cố định mà có thể thay đổi.
1. Các hệ số phạt bậc hai vô hướng
Một trọng số phạt bậc hai được sử dụng cho bốn loại điều khiển trào lưu công suất: biên độ điện áp đầu cực máy phát, tỷ số máy biến áp, góc di pha của máy biến áp và điện dẫn của kháng có đóng cắt. OPF sẽ điều chỉnh các điều khiển trên để tìm phương án khả thi và để cân bằng hệ số phạt với các thành phần khác của hàm mục tiêu được chọn. Chi phí bậc hai này chỉ có thể áp dụng tất cả hoặc không, nó không thể lựa chọn để chỉ áp dụng cho các tổ máy không tối ưu. Các hệ số phạt bậc hai toàn cục có dạng như sau:
( ) ∑ = − N i i i x x 1 2 0 ρ (3.2-25) Trong đó:
N = Số biến điều khiển bị phạt ρ = Trọng số phạt bậc hai vô hướng xi = Giá trị hiện tại của biến điều khiển
xi0 = Giá trị tham chiếu phạt của biến điều khiển
Theo mặc định, biên độ điện áp đầu cực máy phát không được tối ưu bị phạt với trọng số là 100 và trọng số phạt bậc hai đối với máy biến áp và kháng có đóng cắt là 0.0. Các giá trị này được áp dụng tổng thể đến tất cả các biến điều khiển không tối ưu và có thể thay đổi bằng cách sửa đổi phạt cho các điện áp cố định và giá trị hệ số phạt bậc hai, một cách tương ứng. Các tham số này có thể truy cập từ cửa sổ các tuỳ chọn giải cho OPF.