4. Phƣơng pháp nghiên cứu
1.8.Nhận xét và kết luận chƣơng 1
Xóa bỏ mô hình độc quyền tích hợp dọc của ngành điện và hƣớng tới TTĐ cạnh tranh đang đƣợc nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứu và áp dụng. Tùy theo các đặc điểm về thể chế chính trị, kinh tế và lịch sử của mỗi quốc gia khác nhau nên có sự khác nhau khi áp dụng các mô hình của TTĐ. Tuy nhiên, nhìn ở góc độ tổng quát, có thể phân loại TTĐ thành ba mô hình là thị trƣờng phát điện cạnh tranh, thị trƣờng bán buôn điện cạnh tranh và thị trƣờng bán lẻ điện cạnh tranh.
Tại Việt Nam, từ ngày 01 tháng 01 năm 2012 đã chính thức khởi động thị trƣờng phát điện cạnh tranh, mở ra một trang mới trong tiến trình phát triển của ngành điện. Trong điều kiện TTĐ, việc nghiên cứu để HTĐ vận hành an toàn và TTĐ vận hành kinh tế là vấn đề rất quan trọng và cần thiết.
Xuất phát từ những cơ sở lý luận đã trình bày cũng nhƣ việc tổng quan các công trình khoa học đã đƣợc công bố cho thấy có mối liên hệ chặt chẽ giữa các chỉ tiêu của HTĐ và TTĐ. Vấn đề này cũng đã đƣợc luận án công bố trong 4 công trình khoa học có liên quan: [5. Journal ISSN 1859-1531], [7. Journal ISSN 2311-2662], [10. IEEE Conf. IGBSG 2014], [11. IEEE Conf. IGBSG 2014]. Do đó, cần có những nghiên cứu về phƣơng pháp phân tích và điều các chế độ HTĐ phù hợp hơn trong điều kiện TTĐ, qua đó nâng cao hiệu quả hoạt động TTĐ. Trong đó, các chế độ HTĐ cần đƣợc quan tâm là nghẽn mạch trên các đƣờng dây và ổn định điện áp tại các nút, hiệu quả hoạt động TTĐ cần đƣợc quan tâm là phúc lợi của các đơn vị và phúc lợi của toàn thị trƣờng.
Nghiên cứu các vấn đề phân tích, điều khiển nghẽn mạch và ổn định điện áp HTĐ trong điều kiện TTĐ cho phép tiếp cận đến các lợi ích kỹ thuật và kinh tế đối với HTĐ và TTĐ. Tổng quan từ các công trình khoa học có liên quan đã đƣợc công bố cho thấy hƣớng nghiên cứu áp dụng các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo cũng nhƣ các thiết bị FACTS để giải quyết các vấn đề vừa nêu đang là hƣớng nghiên cứu chủ đạo. Đây cũng sẽ là hƣớng tiếp cận để nghiên cứu và phát triển của luận án.
CHƢƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG HOẠT ĐỘNG
THỊ TRƢỜNG ĐIỆN 2.1. Đặt vấn đề
Vấn đề phân tích và đánh giá HTĐ trong TTĐ một mặt sẽ đảm bảo an HTĐ vận hành đƣợc an toàn, mặt khác sẽ đảm bảo TTĐ vận hành đƣợc kinh tế. Trong các vấn đề phân tích và đánh giá HTĐ (ổn định điện áp, tắc nghẽn…) trong hoạt động TTĐ thì vấn đề phân tích và đánh giá ổn định điện áp thông qua các chỉ số độ nhạy phải tiến hành một khối lƣợng tính toán lớn và phức tạp trong việc giải hệ phƣơng trình trạng thái của hệ thống bằng các phƣơng pháp lặp để tìm nghiệm. Điều này sẽ là trở ngại trong phân tích và đánh giá trong TTĐ giao ngay hay còn đƣợc gọi là TTĐ thời gian thực (mục 1.3.2). Mặt khác, khi HTĐ vận hành trong điều kiện TTĐ sẽ chịu ảnh hƣởng không nhỏ từ các yếu tố do thị trƣờng quy định (chào giá, đấu giá, lập lịch huy động, phân bố tối ƣu công suất…), các yếu tố này sẽ tác động đến các ràng buộc cũng nhƣ thông số vận hành của HTĐ. Do đó, cần có những nghiên cứu để tìm ra phƣơng pháp phân tích và đánh giá ổn định điện áp HTĐ phù hợp hơn trong điều kiện TTĐ.
Do đó, chƣơng này sẽ nghiên cứu tìm ra một phƣơng pháp phân tích và đánh giá ổn định điện áp HTĐ phù hợp khi vận hành trong điều kiện TTĐ giao ngay.
2.2. Ổn định điện áp hệ thống điện
Ổn định điện áp gắn liền với khả năng giữ cân bằng công suất các nút tải, đặc biệt là cân bằng công suất phản kháng.
Sơ đồ HTĐ đơn giản nhƣng khá tổng quát nhƣ hình 2.1a thƣờng đƣợc sử dụng để giải thích khái niệm ổn định điện áp [65], [67]. Ở đây, xét một nút phụ tải lớn đƣợc cung cấp điện từ các nguồn xa. Điều kiện để hệ thống có thể làm việc bình thƣờng là tổng công suất từ các nguồn đƣa đến nút, phải cân bằng đƣợc với công suất tiêu thụ của phụ tải. Trƣờng hợp chung hơn, công suất tải đƣợc hiểu nhƣ tổng công suất lấy ra khỏi nút (kể đến lƣợng công suất đƣa đi nơi khác).
Vấn đề cần đƣợc quan tâm ở chỗ, đặc tính công suất nguồn đƣa đến nút phụ thuộc thông số của lƣới, trong khi đặc tính công suất tiêu thụ lại phụ thuộc hoạt động của các thiết bị dùng điện. Trạng thái cân bằng có tồn tại hay không phụ thuộc vào các đặc tính có điểm cắt nhau. Hơn nữa khi nguồn hoặc tải thay đổi điểm cân bằng dịch chuyển có thể tiến đến vị trí giới hạn tồn tại. Đó cũng chính là vị trí giới hạn hệ thống chuyển sang mất ổn định. Để đơn giản ta bỏ qua điện trở, gọi điện kháng các nhánh từ nguồn đến nút tải là X1, X2, X3. Khi đó công suất phản kháng tổng của các nguồn cung cấp đến nút tính đƣợc theo biểu thức:
2 3 1 cos ( i i) F i i i E U Q U X X (2.1)
Ta xem xét điều kiện đảm bảo cân bằng công suất phản kháng cho nút:
F t
Q Q (2.2)
Giả thiết CSTD đƣợc giữ nguyên. Khi đó các góc δi cũng rất ít thay đổi và QF∑ có dạng bậc 2 thay đổi theo điện áp (hình 2.1b). Đặc tính Qt của phụ tải, trong trƣờng hợp chung cũng thay đổi theo điện áp. Các đặc tính có thể cắt nhau tại 2 điểm a và b. Đây là trƣờng hợp đảm bảo đƣợc điều kiện cần cho hệ thống làm việc ổn định (tồn tại điểm cân bằng). Phân tích kỹ hơn còn thấy chỉ có điểm b mới là điểm cân bằng ổn định. Thật vậy, khi hệ thống đang nằm ở điểm cân bằng b nếu có một kích động nhỏ (nhiễu loạn) làm điểm cân bằng dịch chuyến về phía U > U02
a)
Hình 2.1: Điều kiện cân bằng công suất nút
Q2 U Qt E1/δ1 E2/δ2 E3/δ3 Q1 Q3 ~ ~ ~ Q U a b 0 U01 U02 Qt QF 1 2 b)
(làm tăng điện áp) thì tƣơng quan theo đặc tính công suất trở thành QF∑<Qt (thiếu nguồn) điện áp sẽ giảm về U02 khi hết kích động. Ngƣợc lại khi kích động về hƣớng làm điện áp U < U02, tƣơng quan công suất trở thành QF∑>Qt (thừa nguồn) điện áp
sẽ tăng lên U02. Nhƣ vậy với điểm b, sau các kích động điểm cân bằng luôn trở về
điểm ban đầu, là điểm cân bằng "bền" đảm bảo cho hệ thống làm việc ổn định. Xét với điểm a, với kích động làm U>U01 sẽ dẫn đến QF∑>Qt điện áp sẽ tiếp tục tăng. Ngƣợc lại với kích động làm U<U01 dẫn đến QF∑<Qt điện áp tiếp tục giảm. Nhƣ vậy điều kiện cần và đủ để hệ thống có thể làm việc bình thƣờng là tồn tại điểm cân bằng ổn định. Với hệ thống vừa nêu nếu các điện kháng đều lớn (nguồn đều ở xa) đặc tình QF∑ sẽ thấp, lúc đó nếu tải tiêu thụ nhiều làm đặc tính Qt dâng cao thì sẽ không có điểm cân bằng nào. Khi cấu trúc hệ thống thay đổi, ví dụ nghỉ sửa chữa một nhánh đƣờng dây, đặc tính nguồn sẽ giảm thấp cũng có thể là hệ thống mất ổn định (hình 2.1b). Khi chế độ vận hành thay đổi từ từ các điểm cân bằng sẽ liên tục thay đổi. Trạng thái giới hạn tƣơng ứng với các đặc tính công suất chỉ còn 1 điểm tiếp xúc nhau. Một kích động nhỏ ở trạng thái này sẽ làm hệ thống sụp đổ điện áp. Khi phụ tải có đặc tính cứng (không phụ thuộc điện áp) trị số giới hạn CSPK phụ tải có thể nhận về theo điều kiện ổn định tĩnh, chính là trị số cực đại theo đƣờng cong QF∑.
Với sơ đồ HTĐ phức tạp nhiều nút, xét đến sự thay đổi đồng thời của CSTD và CSPK các biểu thức đặc tính công suất sẽ phức tạp hơn. Tuy nhiên, hiện tƣợng và diễn biến dẫn đến mất ổn định điện áp vẫn hoàn toàn tƣơng tự [67].
2.3. Phân tích và đánh giá ổn định điện áp hệ thống điện trong hoạt động thị trƣờng điện giao ngay
Hiện nay có trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo (mạng nơron, tối ƣu bầy đàn, kỹ thuật di truyền…) để đánh giá ổn định điện áp HTĐ thời gian thực. Tuy nhiên, đối với TTĐ thì việc nghiên cứu áp dụng các giải thuật mới nói trên trong đó có mạng nơron để đánh giá ổn định điện áp HTĐ trong hoạt động TTĐ giao ngay là điều còn khá mới mẻ.
2.3.1. Sự tác động của yếu tố chào giá thị trường điện đến phân tích và đánh giá ổn định điện áp hệ thống điện
Từ mục 1.4.3, khi hệ thống có đủ độ dự trữ công suất phát (công suất yêu cầu của tất cả các phụ tải đƣợc đảm bảo) thì thị trƣờng sẽ mua hết công suất của các phụ tải (DisCo). Hàm mục tiêu trở thành cực tiểu tổng chi phí cung cấp điện của các bản chào giá của các GenCo từ TTĐ ngày tới (D-1) [57], [59], [60]:
2 1
(CGi D) ai b Pi Gic Pi Gi (2.3)
Hàm mục tiêu trong quá trình phân bố tối ƣu công suất là cực tiểu tổng chi phí cung cấp điện [57], [59], [60]: 2 1 1 1 ( ( )) ( ) g g n n Gi Gi D i i Gi i Gi i i Min C P Min a b P c P (2.4)
Sau quá trình phân bố tối ƣu công suất, chỉ số độ nhạy V-Q sẽ đƣợc xác định thông qua hệ phƣơng trình trạng thái của hệ thống. Hệ phƣơng trình trạng thái của hệ thống đƣợc xác định từ phƣơng pháp Newton-Raphson [63], [64]:
(2.5)
Trong đó:
P: vectơ độ thay đổi CSTD tại các nút; Q: vectơ độ thay đổi CSPK tại các nút; θ: vectơ độ thay đổi góc pha tại các nút;
V: vectơ độ thay đổi điện áp tại các nút.
Khi giữ P không đổi và xét mối liên hệ giữa Q và V thì hệ phƣơng trình tuyến tính 2.5 sẽ đƣợc viết lại:
(2.6) Trong đó:
(2.7) Cuối cùng ma trận JR-1 đƣợc viết lại:
(2.8) V J J J J Q P QV Q PV P Q J V R 1 1 R QV Q P PV J J J J J Q V JR 1
Các phần tử đƣờng chéo của là độ nhạy V-Q (dV/dQ) tại các nút, cũng chính là thể hiện độ dốc của đƣờng cong Q-V tại điểm vận hành cho trƣớc. Độ nhạy V-Q dƣơng thể hiện cho trạng thái vận hành ổn định, giá trị độ nhạy V-Q càng nhỏ thì hệ thống càng ổn định và ngƣợc lại.
Xét HTĐ đơn giản gồm 4 nút nhƣ hình 2.2. Với trƣờng hợp GenCo 1 và GenCo 3 chào giá theo chi phí biên, độ nhạy dV/dQ tại các nút tải 2 và 4 có các giá trị nhƣ hình 2.2.
Hình 2.2: HTĐ 4 nút
Với trƣờng hợp GenCo 1 giữ nguyên chiến lƣợc chào giá và GenCo 3 giảm 1/2 giá chào trên tất cả các dải chào công suất, nhận thấy đã có sự tăng lên về công suất đƣợc huy động của GenCo 3, dẫn đến công suất huy động của GenCo 1 đã giảm xuống, độ nhạy dV/dQ tại các nút tải 3 và 4 đã có sự thay đổi và có các giá trị nhƣ hình 2.3.
Hình 2.3: HTĐ 4 nút với GenCo 3 thay đổi chiến lược chào giá
1
R
Qua các phân tích ở trên nhận thấy cùng với các thông tin về mặt vật lý nhƣ công suất và điện áp thì các bản chào giá của các GenCo đã có ảnh hƣởng rất lớn đến các thông số của HTĐ trong TTĐ giao ngay trong đó có thông số về độ nhạy dV/dQ tại các nút. Vì các nút nguồn có tự động điều chỉnh kích từ nên điện áp ít biến động, ngƣợc lại các nút tải có giá trị điện áp biến động nhiều theo các kịch bản của TTĐ, do đó quá trình phân tích và đánh giá ổn định điện áp sẽ đƣợc tập trung chủ yếu ở các nút tải.
2.3.2. Mạng nơron nhân tạo đối với kỹ thuật phân tích và đánh giá
Ví dụ đơn giản trong mục 2.3.1 đã cho thấy ảnh hƣởng của hoạt động TTĐ đến chỉ tiêu ổn định HTĐ, đồng thời cũng cho thấy tính phức tạp của quá trình giám sát điều khiển để đảm bảo ổn định của HTĐ trong điều kiện hoạt động của TTĐ. Thật vậy, đồng thời với hoạt động tính toán nhằm thiết lập lịch huy động công suất, tính giá biên... thì SMO còn thƣờng xuyên phải tiến hành phân tích tính toán kịp thời chỉ tiêu ổn định hệ thống. Mục đích là cảnh báo các nguy cơ giảm thấp chỉ tiêu ổn định dƣới mức cho phép, đƣa ra các phƣơng án về phƣơng thức huy động nguồn nhằm nâng cao tính ổn định, thiết lập thông tin cho hệ thống điều khiển thiết bị FACTS (nếu có)... Các tính toán cần thực hiện trong mỗi chu kỳ giao dịch bao gồm các bƣớc:
- Trên cơ sở giá chào, SMO giải bài toán phân bố tối ƣu công suất và xác định giá biên nút, xác định phụ tải (trong trƣờng hợp không đủ nguồn).
- Dựa vào lịch huy động công suất (cho giờ tới, ngày tới - tùy theo mục đích tính toán) và nhu cầu phụ tải để giải bài toán CĐXL nhằm kiểm tra khả năng tải và điện áp các nút. Trên cơ sở đó đƣa ra những điều chỉnh vận hành hợp lý (điều chỉnh đầu phân áp, điều chỉnh CSPK nguồn, đóng cắt thiết bị bù...).
- Trong điều kiện mới, tính toán chỉ tiêu ổn định điện áp nhằm đánh giá chung mức độ ổn định hệ thống, xác định các nút yếu về phƣơng diện ổn định. Trong trƣờng hợp chỉ tiêu ổn định thấp, cần tính toán thêm các phƣơng án đối chứng với phƣơng thức huy động nguồn đƣợc thay đổi nhằm nâng cao ổn định, đƣa ra các yêu cầu kỹ thuật cho SMO.
Có thể nhận thấy các quá trình thực hiện nói trên đều là những bài toán lớn (tính CĐXL, phân bố tối ƣu công suất, đánh giá ổn định) đặc biệt là bài toán đánh giá ổn định điện áp cần xác định chỉ tiêu độ nhạy cho mọi nút phụ tải. Mỗi bài toán đều cần thiết lập trên cơ sở mô hình hệ thống bằng các quan hệ giải tích rất phức tạp. Bài toán sau nhận thông tin từ kết quả của bài toán trƣớc để thực hiện nối tiếp.
Một trong những hƣớng nghiên cứu nhằm vƣợt qua những rào cản của các vấn đề phân tích và đánh giá có nghiệm từ các phƣơng trình toán học phức tạp nhƣng có mối quan hệ logic giữa các biến đầu vào và đầu ra là kỹ thuật mới về trí tuệ nhân tạo, trong đó có mạng nơron. Do đó, luận án đặt vấn đề nghiên cứu áp dụng mạng nơron nhân tạo để tính toán phân tích ổn định điện áp HTĐ trong hoạt động TTĐ. Hiệu quả của mô hình mạng nơron có nhận đƣợc hay không (hội tụ và đảm bảo độ chính xác) phụ thuộc vào việc lựa chọn cấu trúc mạng và phƣơng pháp tính toán huấn luyện mạng theo các bƣớc thực hiện từ mô hình giải tích hệ thống.
2.3.2.1. Khái niệm về mạng nơron nhân tạo
Mạng nơron nhân tạo là một mô hình toán học hay mô hình tính toán đƣợc xây dựng dựa trên các mạng nơron sinh học. Mỗi nơron sinh học thƣờng có 3 phần chính (hình 2.4): các nhánh, thân và sợi trục (axon). Các nhánh là mạng các sợi thần kinh có dạng cây dùng để chuyển tín hiệu điện vào thân tế bào. Thân là nơi đặt nhân của nơron có chức năng cộng các tín hiệu và xác định ngƣỡng cho các tín hiệu đó. Sợi trục (axon) là một sợi thần kinh đơn dùng để truyền tín hiệu từ nơron này sang nơron khác. Điểm tiếp xúc giữa một axon và một nhánh đƣợc gọi là khớp.
Hình 2.4: Sơ đồ mạng nơron sinh học
Thân
Nhánh Khớp
Một nơron nhân tạo có một đầu vào đƣợc mô tả nhƣ hình 2.5:
Hình 2.5: Mạng nơron nhân tạo 1 đầu vào
So sánh với nơron sinh học ta thấy w tƣơng ứng với độ lớn của khớp nối, thân của tế bào tƣơng ứng với bộ tổng và hàm truyền còn a là tín hiệu trên axon. Đầu ra của nơron đƣợc tính:
a = f(wp+b) (2.9)
Ngoài ra, nơron có thể có nhiều đầu vào và tạo nên một vectơ đầu vào, lúc đó