Khối lượng hấp dẫn và quán tính được tính theo đánh giá hàm mục tiêu (fitness). Một khối lượng nặng hơn có nghĩa là agent hiệu quả hơn. Điều này có nghĩa là các agent tốt hơn sẽ hấp dẫn và di chuyển chậm hơn. Giả sử khối lượng hấp dẫn và quán tính như nhau, các giá trị được tính dựa vào bản đồ của fitness [20].
1.3 Bài tốn xác định cấu trúc khơi phục cung cấp điện
Trong những năm gần đây, vấn đề khôi phục lưới điện phân phối đã được các nhà quản lý, đơn vị quản lý vận hành hệ thống điện phân phối quan tâm và đặt lên hàng ưu tiên do nhu cầu cung cấp điện liên tục của khách hàng ngày càng nâng cao và là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến quyết định đầu tư sản xuất, đồng thời cũng do sự cố gắng từng bước hiện đại hóa của ngành điện. Do hệ thống điện phân phối có mợt số lượng rất lớn của các phần tử, cấu hình lưới phức tạp cũng như khả năng của các thiết bị để vận hành các mạng lưới, đặc biệt là các hệ thống SCADA, đã tăng lên đáng kể trong những năm gần đây cũng là yếu tố làm tăng sự quan tâm đến vấn đề khôi phục cung cấp điện cho lưới điện phân phối trong những năm gần đây. Mặt khác, theo các số liệu thống kê liên quan đến số phút trung bình nguồn cung cấp bị mất điện của mỗi khách hàng mỗi năm do các nguyên nhân khác nhau cũng đã thể hiện rất rõ ràng rằng sự cố mất điện trong hệ thống điện phân phối nhiều hơn trong mạng lưới phát và truyền tải [21].
23
Ngừng cung cấp điện cho khách hàng là việc không mong muốn, nếu khơng muốn nói là sự thất bại nghiêm trọng nhất của chức năng hệ thống điện, nó làm thiệt hại cho cả khách hàng và công ty cung cấp điện. Sau khi mất điện, mà nguyên nhân gây ra là do phần tử mạng bị sự cố hoặc q tải, đơn vị quản lý vận hành có mợt nhiệm vụ vơ cùng khó khăn là khơi phục lại việc cấp điện cho khách hàng một cách hiệu quả nhất [22].
Các sự cố thống qua có liên quan với đường dây trên khơng và chúng nằm dưới sự kiểm sốt của các thiết bị tự đợng đóng lại (Recloser). Các phần tử của lưới bị quá tải hoặc bị hư hỏng có thể khơng được cung cấp điện trở lại trước khi loại trừ nguyên nhân của vấn đề. Điều này có thể kéo dài trong vài giờ vì đơn vị quản lý vận hành cịn phải thực hiện mợt số hoạt đợng chun mơn. Bước đầu tiên là chẩn đốn sự cố. Dữ liệu có sẵn ở các trung tâm kiểm sốt về tình trạng mạng lưới và hệ thống báo động, thường được thu thập bởi hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition System), phải được xử lý và giải thích. Ngày nay, cơng nghệ thông tin cung cấp cho các trung tâm kiểm soát và đơn vị quản lý vận hành các thiết bị tự động mạnh mẽ và hệ thống hỗ trợ cho mục đích này. Trong mợt số trường hợp việc kết luận phải được xác nhận qua sự kiểm tra của các nhân viên trực vận hành. Khi một phần tử mạng bị sự cố, sau khi được chẩn đoán các phần tử này sẽ được định vị vị trí, ngồi ra các nhân viên trực vận hành vẫn sẽ điều tra thêm các phần tử khác trong khu vực đường dây bị sự cố để đảm bảo khơng cịn phần tử bị sự cố nào bị bỏ sót. Sau đó các phần tử lưới bị sự cố sẽ được cơ lập để các phần tử lân cận có thể được cung cấp dịch vụ trở lại và sửa chữa các phần tử bị sự cố. Tiếp theo là một giải pháp khôi phục lưới điện phân phối sẽ được đưa ra và thực hiện để khôi phục cung cấp điện càng nhiều càng tốt khách hàng cho đến khi hệ thống được trở về trạng thái bình thường. Mạng lưới hình tia cho phép tiết kiệm đáng kể số lượng các thiết bị bảo vệ và đóng/ngắt lưới, tuy nhiên cũng do cấu hình này nên khi các thiết bị bảo vệ cô lập các phần tử bị sự cố thì cũng cơ lập nhiều phần tử ở phía sau vị trí sự cố của lưới (các nhánh thuộc nguồn thấp hơn nhánh sự số). Sau khi các phần tử sự cố bị cô lập, một số phần tử đang khơng hoạt đợng có thể được khơi phục từ cùng điểm nguồn bằng cách đóng lại máy cắt mà đã ngắt, mợt số phần tử khác phải được cung cấp điện bằng
24
cách thay đổi tuyến dây (sử dụng các liên kết mạch vòng) và điều này chủ yếu phụ thuộc vào khả năng dự phịng cơng śt của các tuyến dây xung quanh.
Tất cả các hoạt động trên phải được đơn vị quản lý vận hành thực hiện trong thời gian sớm nhất có thể. Để hỗ trợ đơn vị quản lý vận hành trong những hành động khẩn cấp như vậy, trong quá khứ họ phải đưa ra trước kịch bản hành đợng kiểm sốt (kế hoạch ứng phó) đối với các trường hợp cụ thể. Tuy nhiên, phương pháp như vậy có mợt số nhược điểm, đó là khó khăn để đưa ra hết tất cả các trường hợp sự cố hay quá tải trên lưới mà có thể xảy ra. Tất cả các trường hợp chuẩn bị trước dựa trên dữ liệu đầu vào giả định về khía cạnh cấu hình mạng và tải thực tế hay cấu hình mạng và phụ tải tương lai. Mạng lưới phân phối linh hoạt theo hai cách và dữ liệu đầu vào này có thể dễ dàng khơng phù hợp các dữ liệu thực tế tại thời điểm vấn đề xảy ra: (i) tải thay đổi liên tục và các cấu trúc liên kết mạng thực tế thay đổi gần như mỗi giờ [18]; (ii) thậm chí cấu trúc liên kết mạng tương lai thay đổi theo việc đưa vào hay thu hồi các phần tử mạng cũ.
Vì vậy, đơn vị quản lý vận hành phải đối mặt với mợt nhiệm vụ khó khăn trong phân tích và điều chỉnh trước các kế hoạch ứng phó. Đây là mợt nhiệm vụ có cùng mợt mức đợ khó khăn như việc tìm kiếm mợt giải pháp ban đầu. Tất cả những công việc này phải được thực hiện dưới áp lực của tình trạng khẩn cấp thực sự. Trong [23] có thể được xem như là mợt nỗ lực kết nối giữa các phương pháp mô tả ở trên và các phương pháp tiếp cận hoàn tồn tự đợng gần đây hơn. Các tác giả đề xuất một phương pháp tìm kiếm tự đợng cho mợt kịch bản khơi phục được chuẩn bị trước bằng khả năng cải thiện thời gian thực. Tương tự như vậy, các tác giả trong [24] đề xuất xây dựng một cơ sở dữ liệu của kịch bản khôi phục thực tế trước đây, hoặc giải pháp thay thế kịch bản khôi phục sau khi mô phỏng sự cố mất điện, để sử dụng trong tương lai.
Khôi phục cung cấp điện là quá trình thực hiện các thao tác theo trình tự nhất định nhằm đưa các thiết bị của hệ thống điện vào vận hành sau sự cố mất điện. Công tác khôi phục cung cấp điện của đơn vị quản lý vận hành sau khi mất điện là một lĩnh vực nghiên cứu thụ động, tất nhiên nếu có mợt LĐPP tốt, đảm bảo cung cấp điện liên
25
tục thì vẫn hiệu quả hơn rất nhiều với việc thực hiện khôi phục cung cấp điện. Điều quan trọng là đơn vị quản lý vận hành phải có mợt kế hoạch khả thi và nhanh chóng để nhằm khôi phục cung cấp điện cho các khu vực, phần tử ngoài khu vực bị sự cố hoặc cắt điện. Kế hoạch khôi phục phải đáp ứng nhiều mục tiêu như: tối thiểu số lượng khách hàng không được cung cấp điện, tối thiểu số thao tác chuyển mạch, khơng có các thành phần q tải, cân bằng tải, điện áp nằm trong một phạm vi giới hạn cho phép… Do đó cơng tác khơi phục cung cấp điện là một vấn đề đa mục tiêu với một số mục tiêu thậm chí mâu thuẫn với nhau.
Khi mợt vị trí hay khu vực nào đó của LĐPP bị sự cố mất điện, đơn vị quản lý vận hành sẽ cô lập các phần tử bị sự cố bằng cách mở tất cả các khóa điện xung quanh. Do LĐPP được vận hành hình tia, tuy có cấu trúc liên kết mạch vịng, nên sẽ dẫn đến sự cô lập (mất điện) của các phần tử thuộc các nhánh nằm phía sau hoặc nhánh lấy nguồn từ khu vực bị cô lập (nhánh của nguồn ở cấp thấp hơn tính từ khu vực bị mất điện), vì vậy đơn vị quản lý vận hành phải khôi phục cung cấp điện bằng cách đóng/ mở các khóa điện có liên kết mạch vòng với các nguồn khác liền kề. Khi nguyên nhân sự cố đã được xác định và khắc phục thì sẽ khơi phục lại cấu hình vận hành ban đầu (cấu hình vận hành bình thường, thơng thường đã được đơn vị quản lý vận hành xác định là tối ưu).
Hình 1.4 cho thấy mợt ví dụ về mợt mạng lưới phân phối điện năng của Civanlar [24]. Mạch cơ bản của một hệ thống phân phối (Hình 1.4a.) Là mợt tập hợp các mạch khơng theo chu kỳ có 3 chính nguồn cung cấp năng lượng cho người tiêu dùng. Nó chứa các trạm biến áp (nút vuông) phục vụ như là nguồn năng lượng cho các phụ tải về phân phối, phụ tải (nút tròn) mà nhận được năng lượng, và các đường nhánh tải năng lượng giữa các trạm biến áp và người tiêu dùng. Trong trường hợp của một sự cố sảy ra, rơle tại trạm biến áp sẽ mở ra một quyết định ngắt tồn bợ mạch. Điều này khiến người tiêu dùng khơng có điện cho đến khi sửa chữa được thực hiện.
Để giảm thời gian mất điện (Hình 1.4b.), Mạch được thiết kế theo mạch vòng dự phịng tuyến chuyển đổi tải (đường chấm), và mợt số thiết bị bảo vệ, đóng cắt chuyển mạch (để đảm bảo độ tin cậy trong việc cung cấp điện). Các thiết bị chuyển mạch
26
trong mạch vòng là thường mở vì trong điều kiện vận hành bình thường nó được ngắt kết nối để đảm bảo phụ tải chỉ được cung cấp từ một nguồn duy nhất (để thỏa mản điệu kiện vận hành hở - hình tia).
a. Lưới điện cơ bản b. Lưới điện theo mạch vịng Hình 1.5 Lưới điện phân phối đơn giản của Civanlar [10]
Các thiết bị bảo vệ, chuyển mạch trong đường dây của các mạch cơ bản là thường đóng vì nó ln ở trang thái đóng mạch và tải năng lượng điện trong điều kiện hoạt đợng bình thường. Chức năng của các thiết bị bảo vệ, chuyển mạch là để chuyển đổi các cấu trúc liên kết mạng trong trường hợp tái cấu trúc, cô lập sự cố và khôi phục. Trường hợp cô lập sự cố và khôi phục cung cấp điện là bài tốn tái cấu trúc khơi phục cung cấp điện.
Đây là mục tiêu được các nhà khoa học đề cập trong các nghiên cứu của mình. Tuy có nhiều hướng nghiên cứu riêng biệt nhưng chủ yếu các giải thuật vẫn theo các trình tự như sau:
- Loại bỏ phần tử bị sự cố trên lưới;
- Tái cấu trúc lưới để cấp điện với số khách hàng tối đa mà không gây quá tải. Các giải thuật nghiêng về cách sử dụng hàm mục tiêu cân bằng tải và giảm số lần thao tác khố để khơi phục lưới;
27
Có nhiều phương pháp để khôi phục cung cấp điện trên LĐPP như các giải thuật thuần Heuristic được trình bày trong các nghiên cứu [4], [5] hay sử dụng cơ sở tri thức [6]. Các mạng nơron hay các thuật toán meta heuristic như giải thuật di truyền [25] cũng như lý thuyết mờ và hệ chuyên gia cũng được áp dụng để giải bài toán này [3], [9]. Tuy nhiên, việc đảm bảo số lần chuyển tải cũng như số lượng khách hàng bị mất điện là ít nhất để thời gian khơi phục lưới là ít nhằm giảm thiểu chi phí đền bù cho khách hàng chưa được đề cập rõ ràng trong các nghiên cứu trên.
Trong [24] chủ yếu là báo cáo về việc thực hiện một sản phẩm (R&D - Research & Development), có thể do tính chất thương mại của nó, cũng như sự quá phức tạp của nó mà bài báo chỉ mô tả một cách tổng quát các nguyên tắc và chỉ cung cấp các tính năng tổng thể của mợt hệ chun gia để kiểm sốt trực tuyến mạng lưới phân phối. Trong [3] là một báo cáo của một dự án đầy tham vọng liên quan đến một số tổ chức/cơng ty có uy tín. Có lẽ do sự tồn diện cao của các dự án này mà [26] bài báo thiếu chi tiết để các đợc giả tìm thấy sự hữu ích. Trong [27] cũng là mợt báo cáo về một dự án nghiên cứu rất phức tạp, bao gồm cả phân tích sự cố và lập kế hoạch bảo trì, khi mà việc khơi phục chỉ là mợt phần của nó. Trong [28], nói về các giải thuật khơi phục, nó giống nhiều như các bài báo trước của nó, do đó nó khơng được đưa vào xem xét đầy đủ; tuy nhiên, bài báo đã đề xuất cách xác định phụ tải trong hệ thống điện phân phối, đây là đóng góp có giá trị. Những bài báo tiếp theo, bài báo số, của cùng các tác giả này có ý nghĩa lý thuyết, bài báo đưa ra phương pháp Heuristic dựa trên cách tiếp cận lý thuyết mờ. Trong [29] xem xét việc thực hiện một giải pháp khôi phục liên quan đến các vấn đề tải lạnh (hoạt động khôi phục sự cố xảy ra trong thời tiết lạnh, khi mà nhu cầu sử dụng các thiết bị như: lị sưởi, máy điều hịa nhiệt đợ,…tăng cao và chúng được mở lên ngay sau khi được khôi phục cung cấp điện). Trong [30], trên cơ sở các nghiên cứu trước đây các tác giả đã phát triển một phương pháp tiếp cận mới trong việc sử dụng dữ liệu về các hoạt động khôi phục trước đây để tham khảo trong tương lai.
28
Các cấp điện áp có thể được tìm thấy trong các lưới phân phối có thể thay đổi đáng kể. Tuy nhiên, chúng có thể được phân thành ba nhóm cấp điện áp phổ biến nhất và đây không phải là một danh sách đầy đủ:
- Hạ áp (LV_Low voltage), phổ biến toàn cầu, là 220 V (lên đến 240 V), 400V và 110 V.
- Trung áp (MV_Medium voltage) có thể là 5kV hoặc 6kV, 6.6 kV (mạch cũ), 10, 11, 12.5, 15, 20, 25, và thậm chí là 30 kV.
- Cao áp (HV_High voltage) có thể là 22, 30, 33, 35, 36, 60, 110, 132, 150kV và thậm chí 220 kV, 500kV. Mợt số hệ thống có cấp điện áp này được cơng nhận là một phần của hệ thống truyền tải hoặc như là hệ thống truyền tải phụ.
Đối với các phương pháp tiếp cận Heuristic, là thước đo bằng trực giác, để hạn chế khơng gian tìm kiếm, chủ yếu dựa vào kiến thức và kinh nghiệm của các chuyên gia vận hành trên LĐPP thực tế được biên dịch thành các chương trình máy tính. Tuy nhiên, điều này cho thấy có những khó khăn lớn trong việc ứng dụng vào các LĐPP khác vì tính chun gia của chương trình và kích thước của phần mềm lớn cũng như thuật toán phức tạp.
Đối với các chương trình sử dụng hệ chuyên gia, về cơ bản bao gồm hai thành phần chính là cơ sở tri thức và phương pháp suy diễn. Mặc dù, cho đến nay, phương pháp tiếp cận hệ chuyên gia có thể được coi là phương pháp tiếp cận thành công để giải quyết vấn đề tái cung cấp điện trên LĐPP, nhưng không chắc rằng phương pháp này ln ln có thể tìm thấy mợt cấu hình tối ưu về số lần chuyển khóa. Hơn nữa bảo trì các hệ chun gia quy mơ lớn có chi phí tốn kém. Đối với các nghiên cứu tập trung vào các kỹ thuật như mạng nơron, thuật toán di truyền và lý thuyết mờ, mặc dù các phương pháp tính tốn dựa trên phần mềm, dường như đầy hứa hẹn, tuy nhiên khi giải quyết trên LĐPP có quy mơ lớn thì bài tốn tối ưu tổ hợp cần quá nhiều thời gian tính tốn để đưa ra lời giải không phù hợp với thực tiễn vận hành trong tình huống khơi phục cung cấp điện.
29
Về mặt lý thuyết có nhiều biện pháp để tái cấu hình khơi phục cung cấp điện cho lưới phân phối như: thiết kế thêm các lộ ra, nhánh rẽ dự phòng, lắp máy phát DG dự phòng. Tuy nhiên, các biện pháp này đều mang tính khả thi về kỹ thuật nhưng lại tốn các chi phí đầu tư và lắp thiết đặt thiết bị. Trong khi đó biện pháp tái cấu hình khơi