Chương 1. Giới thiệu
Chương 2. Tổng quan về tái cấu hình LĐPP
Chương 3. Tái cấu hình LĐPP sử dụng các giải thuật tìm kiếm tối ưu Chương 4. Tái cấu hình LĐPP cĩ xét đến máy phát điện phân tán Chương 5. Ứng dụng tái cấu hình LĐPP Chư Prơng - Điện lực Gia Lai Chương 6. Kết luận
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ TÁI CẤU HÌNH LĐPP 2.1. Giới thiệu
Hệ thống điện gồm cĩ bốn thành phần chính là nhà máy điện, lưới điện truyền tải, LĐPP và phụ tải. Trong bốn thành phần đĩ, hệ thống phân phối cĩ vai trị đặc biệt quan trọng, cĩ ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy, chất lượng và giá thành điện năng cung cấp [1].
LĐPP thường được vận hành hở hay cịn gọi là hình tia nghĩa là khơng cĩ bất kỳ vịng kín nào trong sơ đồ đơn tuyến. Việc vận hành hở LĐPP cĩ nhiều ưu điểm so với vận hành kín như là dễ dàng bảo vệ lưới, dịng sự cố nhỏ, dễ dàng điều chỉnh điện áp và phân bố cơng suất. Tuy nhiên, do vận hành ở mức điện áp thấp và dịng điện lớn, LĐPP thường cĩ tổn thất cơng suất và độ sụt áp lớn [2].
Mặc dù được vận hành hở nhưng để nâng cao độ tin cậy của hệ thống phân phối, trên các mạch hình tia thường cĩ các khĩa điện thường mở cĩ khả năng kết nối đến các mạch khác. Nếu cĩ sự cố xảy ra trên một nhánh, các khĩa điện thường mở cho phép khơi phục một phần phụ tải trong vùng cĩ sự cố. Ngồi ra, trên các mạch hình tia cũng cĩ các khĩa điện thường đĩng. Các khĩa điện này cĩ thể thay đổi trạng thái khi cĩ yêu cầu.
Hình 2.1 mơ tả một LĐPP đơn giản gồm cĩ hai nguồn và nhiều khố điện [3]. Khố SW1, SW5 và RC3 ở trạng thái mở để đảm bảo lưới điện vận hành hở. Các đoạn tải LN2 và LN6 nằm ở cuối lưới của nguồn điện SS2. Để cải thiện chất lượng điện năng ở cuối lưới, bộ tụ bù được lắp giữa LN4. Tất nhiên, các thiết bị này đều cĩ thể được vận hành ở chế độ thơng số khơng đổi trong thời gian vận hành hay thơng số thay đổi bằng cách điều khiển từ xa hay tại chỗ.
Khi vận hành hệ thống điện phân phối như Hình 2.1, cĩ thể giảm tổn thất cơng suất bằng cách chuyển một số tải từ nguồn SS2 sang nguồn SS1, chẳng hạn như đĩng RC3 và mở SW2 để chuyển các đoạn tải LN5 và LN6 từ nguồn SS2 sang SS1. Hơn nữa, trên LĐPP thực tế cĩ rất nhiều khĩa điện, việc tìm ra cách chuyển tải tốt nhất
trong tổ hợp các khố điện khi chuyển tải đáp ứng các điều kiện ràng buộc kỹ thuật sẽ trở nên phức tạp hơn. Việc phân tích lựa chọn các cách chuyển tải này là nội dung của bài tốn tái cấu hình LĐPP.
Hình 2. 1. LĐPP đơn giản.
Tái cấu hình LĐPP là quá trình thay đổi cấu trúc hình học của LĐPP bằng việc thay đổi trạng thái của các khĩa điện thường đĩng và thường mở trong khi vẫn đảm bảo thỏa mãn các ràng buộc tùy theo mục đích của nhà vận hành (Hình 2.2), trong đĩ cĩ các ràng buộc kỹ thuật như [1]:
- Kết nối của hệ thống phải luơn luơn được duy trì hay nĩi cách khác tất cả các nút tải phải luơn được cung cấp điện.
- Cấu hình hình tia của LĐPP luơn luơn được đảm bảo trong mọi điều kiện.
- Điện áp các nút phải nằm trong giới hạn cho phép.
- Dịng điện trên các nhánh nằm trong giới hạn định mức cho phép.
Bài tốn tái cấu hình LĐPP được đề xuất lần đầu vào năm 1975 bởi Merlin và Back [4]. Trong nghiên cứu này, kỹ thuật tối ưu nhánh và biên được sử dụng để xác định cấu hình lưới cĩ tổn thất bé nhất. Ban đầu tất cả các khĩa điện được đĩng lại để tạo thành lưới điện kín, sau đĩ các khĩa điện lần lượt được mở để khơi phục lại cấu hình hình tia. Civanlar và cộng sự [5] sử dụng phương pháp trao đổi nhánh để giảm tổn thất cơng suất dựa trên việc chọn lựa các cặp khĩa điện. Ý tưởng của phương pháp là trong một vịng kín, một khĩa điện đang mở sẽ được thay thế bằng một khĩa
đĩng để giảm tổn thất cơng suất. Khĩa được chọn là khĩa cĩ mức giảm tổn thất cơng suất lớn nhất. Shirmohammadi và Hong [6] đề xuất phương pháp tái cấu hình giảm tổn thất cơng suất dựa trên phương pháp của Merlin và Back. Trong phương pháp này, trên mơ hình mạng thuần trở, ban đầu tất cả các khĩa điện được đĩng lại sau đĩ lần lượt các khĩa điện cĩ dịng điện bé nhất được mở cho đến khi lưới điện trở thành hình tia. F1 F2 F3 4 5 13 14 2 3 9 7 6 8 12 11 10 s1 s4 s7 s3 s14 s11 s10 s9 s8 s16 s6 s5 s13 s12 s15 s2 F1 F2 F3 4 5 13 14 2 3 9 7 6 8 12 11 10 s1 s4 s7 s3 s14 s11 s10 s9 s8 s16 s6 s5 s13 s12 s15 s2 Hình 2. 2. Tái cấu hình LĐPP.
Những phương pháp trên cĩ đặc điểm chung là dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật và khơng sử dụng bất kỳ thuật tốn tối ưu nào nhưng cố gắng tìm ra một giải pháp tốt bằng các quy trình kỹ thuật. Sau hơn ba thập niên thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật máy tính, cho đến nay nhiều phương pháp heuristic tổng quát (metaheuristic) đã được áp dụng để giải bài tốn tái cấu hình LĐPP và đã đạt được nhiều kết quả. Đây là những phương pháp thường tiếp cận ngẫu nhiên dựa vào quần thể mà khơng cĩ các yêu cầu đặc biệt như tính liên tục của hàm mục tiêu và hiệu quả trong việc xử lý các bài tốn tối ưu cĩ ràng buộc [1]. Tuy nhiên, đối với các thuật tốn heuristic tổng quát thì vấn đề cần quan tâm là chúng cĩ thể rơi vào cực trị địa phương thay vì tồn cục và một số thuật tốn lại yêu cầu một số lượng lớn các thơng số cần điều chỉnh trong quá trình thực hiện. Vì vậy, trong lĩnh vực này, bài tốn ngăn ngừa sự hội tụ sớm vào cực trị địa phương của các thuật tốn heuristic tổng quát thu hút được nhiều sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu [1].
giải bài tốn tái cấu hình LĐPP để giảm tổn thất cơng suất. Trong [10], giải thuật GA đã được sử dụng để giải bài tốn tái cấu hình LĐPP cĩ nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG) để giảm tổn thất cơng suất và độ lệch điện áp. Trong [11], giải thuật GA đã được sử dụng để giải bài tốn tái cấu hình LĐPP nhằm giảm tổn thất cơng suất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống.
Trong [12]–[14], thuật tốn tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) được áp dụng vào bài tốn tái cấu hình LĐPP để giảm tổn thất cơng suất. Trong [15], PSO được sử dụng để tối ưu cấu hình lưới điện với hàm mục tiêu là giảm tổn thất cơng suất và chỉ số cân bằng tải (Load Balancing Index - LBI). Trong [16], [17], thuật tốn PSO nhị phân được sử dụng để tái cấu hình LĐPP giảm tổn thất cơng suất. Trong [18], mạng nơron nhân tạo đã được sử dụng để tìm ra cấu hình lưới cĩ tổn thất cơng suất bé nhất. Trong [19], thuật tốn tối ưu trọng trường được áp dụng giải bài tốn tái cấu hình LĐPP với hàm đa mục tiêu giảm tổn thất cơng suất, chi phí vận hành và độ tin cậy của LĐPP cĩ DG. Trong [20], lý thuyết đồ thị cây khung nhỏ nhất đã được áp dụng vào bài tốn tái cấu hình lưới để giảm tổn thất cơng suất. Ngồi ra, trong những năm gần đây một số thuật tốn tối ưu tổng quát mới được phát triển cũng đã được áp dụng thành cơng khi giải bài tốn tái cấu hình như thuật tốn pháo hoa (Fireworks Algorithm - FWA) [21], thuật tốn tìm kiếm Tabu cải tiến (Improved Tabu Search – ITS hay Modified Tabu Search – MTS) [22], [23], thuật tốn tìm kiếm hài hịa (Harmony Search Algorithm – HSA) [22], thuật tốn cạnh tranh đế quốc cải tiến (Improved Adaptive Imperialist Competitive Algorithm - IAICA) [24]. Trong đĩ, FWA là thuật tốn tối ưu dựa trên trí thơng minh bầy đàn được phát triển dựa trên khái niệm hĩa bằng cách sử dụng quy trình nổ pháo hoa để tìm kiếm vị trí tốt nhất của tia lửa. Quá trình nổ của pháo hoa được coi là một cách tìm kiếm trong khơng gian xung quanh điểm đặt pháo hoa qua các tia lửa phát sinh trong vụ nổ. HSA là thuật tốn tìm kiếm dựa trên quần thể lấy ý tưởng từ hành vi của các nhạc sĩ khi họ chơi chung nhạc cụ của họ để tạo ra sự hài hịa được đánh giá bởi một tiêu chuẩn thẩm mỹ. ITS hay MTS là thuật tốn tìm kiếm địa phương mở rộng thơng qua việc sử dụng một hệ thống bộ nhớ được gọi là danh sách Tabu để ghi lại các bước di
chuyển mới nhất. Thuật tốn này cĩ thể thốt khỏi cực trị địa phương bằng cách sử dụng thơng tin Tabu. IAICA là thuật tốn được lấy cảm hứng từ sự tiến hĩa chính trị xã hội của con người. Mỗi cá nhân của quần thể được gọi là quốc gia. Dân số được chia thành hai nhĩm, thuộc địa và đế quốc. Sự đồng thuận giữa các đế quốc để chiếm hữu các thuộc địa của nhau tạo thành ý tưởng chính của thuật tốn. Trong cuộc cạnh tranh này, các đế quốc yếu dần dần kết thúc và cuối cùng chỉ cĩ một đế quốc mà tất cả các quốc gia khác là thuộc địa của nĩ.
Quá trình tái cấu hình khơng chỉ ảnh hưởng đến tổn thất cơng suất mà cịn ảnh hưởng đến nhiều yếu tố khác của LĐPP. Vì vậy, bài tốn tái cấu hình đa mục tiêu đã thu hút được nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Trong [25], phương pháp heuristic cải tiến dựa trên phương pháp trao đổi nhánh [26] đã được sử dụng để giải bài tốn với mục tiêu giảm chi phí tổn thất, chi phí chuyển khĩa và cải thiện điện áp nút trong hệ thống. Trong nghiên cứu này, phương pháp trao đổi nhánh đã được cải tiến để chúng luơn tạo ra các cấu hình lưới hợp lệ tránh phải giải bài tốn phân bố cơng suất trên lưới điện kín. Trong [27], phương pháp heuristic đa mục tiêu (Fuzzy Multiobjective Approach - FMA) được đề xuất để giải bài tốn với hàm mục tiêu giảm tổn thất, độ lệch điện áp, cân bằng tải giữa các nhánh và giữa các xuất tuyến. Ngồi ra, một số nghiên cứu sử dụng các giải thuật heuristic tổng quát cũng đã được áp dụng thành cơng vào bài tốn tái cấu hình đa mục tiêu chẳng hạn như GA [28], giải thuật lai giữa giải thuật đàn kiến (Ant Colony Optimization - ACO) và PSO (hybrid PSO - HPSO) [29], giải thuật lai giữa đàn ong (Honey Bee Mating Optimization - HBMO) và PSO rời rạc (DPSO–HBMO) [30], giải thuật bước nhảy ếch (Shuffled Frog-Leaping - SFL) [31], đàn ong [32], tối ưu hĩa cỏ dại xâm lấn đa mục tiêu (Multi-Objective Invasive Weed Optimization - MOIWO) [33].
Ngồi ra, với sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo, cấu hình của LĐPP cũng đang dần được thay đổi. Một trong những thay đổi mạnh mẽ đĩ là sự xuất hiện của DG trên LĐPP. DG là nguồn phát điện được kết nối với LĐPP hoặc từ phía khách hàng sử dụng điện [34]. Một số cơng nghệ DG hiện nay bao gồm hệ thống pin mặt trời, hệ thống turbin giĩ, hệ thống pin nhiên liệu, turbin cơng suất nhỏ, hệ thống năng
lượng sĩng biển, thủy triều, hệ thống bio-gas, hệ thống máy phát dầu, hệ thống máy phát khí, hệ thống năng lượng địa nhiệt, máy phát điện động cơ đốt trong [35]. Do bởi các yếu tố an ninh năng lượng và lợi ích kinh tế, sự xuất hiện của DG trên LĐPP ngày càng được tăng lên nhanh chĩng [36], [37]. Ảnh hưởng của DG đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong thời gian gần đây. Trong [38], các phương pháp độ nhạy tổn thất cơng suất, chỉ số ổn định cơng suất (Power Stability Index - PSI), chỉ số ổn định điện áp (Voltage Stability Index - VSI) được so sánh trong việc tối ưu vị trí và cơng suất DG trên LĐPP. Trong [39], thuật tốn tối ưu hĩa tìm kiếm thức ăn của vi khuẩn (Bacterial Foraging Optimization Algorithm - BFOA) được đề xuất để tìm vị trí và cơng suất tối ưu của DG với hàm mục tiêu giảm tổn thất cơng suất, chi phí vận hành và ổn định điện áp. Trong [40], phương pháp dựa trên mạng thần kinh nhân tạo được sử dụng để tối ưu vị trí và cơng suất của các loại DG khác nhau. Kayal và cộng sự [41] đề xuất phương pháp dựa trên thuật tốn PSO để tối ưu cơng suất turbin giĩ và pin mặt trời để giảm tổn thất cơng suất và cải thiện độ ổn định điện áp của LĐPP. Trong [42], thuật tốn PSO được sử dụng để tối ưu vị trí và cơng suất DG và đơn giá hợp đồng phát điện của DG.
Gần đây, một số nghiên cứu đã xem xét giải quyết bài tốn tái cấu hình và đặt DG đồng thời để nâng cao hiệu quả của LĐPP [43], [44], [45]. Trong [44], tái cấu hình LĐPP với tối ưu cơng suất DG với hàm mục tiêu giảm tổn thất cơng suất và cải thiện điện áp các nút sử dụng thuật tốn tìm kiếm hài hịa (Harmony Search Algorithm - HSA). Trong [45], giải thuật pháo hoa (Fireworks Algorithm - FWA) được sử dụng để giải bài tốn tái cấu hình và đặt DG trên LĐPP giảm tổn thất cơng suất và nâng cao ổn định điện áp.
Ở Việt Nam, bài tốn tái cấu hình LĐPP cũng đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. Trong [46], thuật tốn GA đã được sử dụng trong bài tốn tái cấu hình LĐPP để giảm tổn thất cơng suất. Trong [47], phương pháp tái cấu hình LĐPP sử dụng giải thuật đàn kiến ACO để giảm tổn thất cơng suất. Trong nghiên cứu này, thơng qua kết quả mơ phỏng, tác giả đã chứng minh được những ưu điểm của thuật tốn ACO so với GA và giải thuật luyện kim (Simulated Annealing – SA).
Trong [48], thuật tốn ACO kết hợp với kỹ thuật logic mờ được sử dụng để giải bài tốn tái cấu hình LĐPP.
Dựa trên mục đích của bài tốn tái cấu hình LĐPP cĩ thể được chia thành các bài tốn nhỏ hơn như sau:
Bài tốn 1: Xác định cấu hình lưới điện tại một thời điểm để tổn thất cơng suất bé nhất [4], [5], [7], [20], [49], [50].
Bài tốn 2: Xác định cấu hình lưới điện thay đổi trong từng thời điểm của thời gian khảo sát để cực tiểu chi phí vận hành [51]–[53].
Bài tốn 3: Xác định cấu hình lưới điện khơng đổi trong thời gian khảo sát để cực tiểu chi phí vận hành [54]–[57].
Bài tốn 4: Xác định cấu hình lưới điện để khơi phục sự cố [58]–[63].
Bài tốn 5: Xác định cấu hình lưới điện cĩ xét đến ảnh hưởng của nguồn điện phân tán với các hàm mục tiêu như giảm tổn thất cơng suất, chi phí vận hành… [10], [43], [51], [64]–[66].
Bài tốn 6: Xác định cấu hình lưới điện đáp ứng nhiều mục tiêu vận hành [26], [27], [67]–[70].
Bài tốn 7: Xác định cấu hình lưới điện để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện [11], [68], [71]–[75].
Trong các bài tốn liên quan đến tái cấu hình LĐPP, mặc dù tổn thất điện năng là bài tốn thực tế trong vận hành LĐPP vốn được ngành điện quan tâm giải quyết nhưng rõ ràng bài tốn giảm tổn thất cơng suất là mơ đun lõi của bài tốn tái cấu hình. Trong trường hợp giải bài tốn tái cấu hình giảm tổn thất điện năng, nếu biết được đồ thị phụ tải tổn thất điện năng sẽ được xác định dựa trên tổn thất cơng suất trong từng khoảng đồ thị phụ tải hay trong trường hợp nếu khơng biết đồ thị phụ tải của các phụ tải trên lưới, một cách gần đúng cĩ thể xác định tổn thất điện năng dựa trên tổn thất cơng suất cực đại trong khoảng thời gian gian khảo sát và thời gian tổn thất cơng suất cực đại ().
S a b c e f g d 1 7 6 5 4 3 2 8 9 10 1 2 3
Hình 2. 3. LĐPP đơn giản 1 nguồn, 8 nút, 10 nhánh và 3 vịng.
Bảng 2. 1. Kỹ thuật mã hĩa biến điều khiển khi sử dụng các giải thuật heuristic tổng
quát giải bài tốn tái cấu hình LĐPP.
Tài liệu
Mã hĩa biến