LUẬN ÁN ĐƯỢC CẤU TRÚC NHƯ SAU: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1:CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN QUY HOẠCH VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHO BÀI TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN. CHƯƠNG 2:THUẬT TOÁN QUY HOẠCH NGUYÊN THỰC HỖN HỢP VÀ KHẢ NĂNG XÂY DỰNG NHỮNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU. CHƯƠNG 3:XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN GIẢI BÀI TOÁN PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT THUỶ NHIỆT ĐIỆN NGẮN HẠN CÓ XÉT ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG PHI TUYẾN VÀ GIỚI HẠN TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT GIỮA CÁC KHU VỰC. CHƯƠNG 4:XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH CHI PHÍ ĐẲNG TRỊ TỐI ƯU CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN CÓ GIỚI HẠN SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BÀI TOÁN KHAI THÁC TỐI ƯU CỤM TUA BIN KHÍ. CHƯƠNG 5:THU THẬP SỐ LIỆU, TÍNH TOÁN ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM. MỘT SỐ KẾT QUẢ BƯỚC ĐẦU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH.
Trang 1NỘI DUNG
MỞ ĐẦU 3
CHƯƠNG 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN QUY HOẠCH VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHO BÀI TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN 5
1.1 Mô hình bài toán vận hành tối ưu hệ thống điện 5
1.1.1 Hàm mục tiêu 5
1.1.2 Các ràng buộc: 5
1.2 Phân loại bài toán vận hành tối ưu HTĐ 6
1.3 Các phương pháp giải 6
CHƯƠNG 2: QHTT NGUYÊN THỰC HỖN HỢP VÀ KHẢ NĂNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG TÌM LỜI GIẢI TỐI ƯU TOÀN CỤC XẤP XỈ CỦA BÀI TOÁN QHPT 8
2.1 Đặt vấn đề 8
2.2 Bài toán QHTT nguyên thực hỗn hợp 8
2.3 Tự động xấp xỉ hàm phi tuyến trong chương trình 11
2.4 Phương pháp giải bài toán quy hoạch tuyến tính nguyên thực hỗn hợp 12
2.5 Kết luận chương 2 13
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN GIẢI BÀI TOÁN PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT THUỶ NHIỆT ĐIỆN NGẮN HẠN CÓ XÉT ĐẾN CÁC ĐẶC TRƯNG PHI TUYẾN VÀ GIỚI HẠN TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT GIỮA CÁC KHU VỰC 14
3.1 Mô hình bài toán 14
3.1.1 Hàm mục tiêu 15
3.1.2 Các ràng buộc 15
Trang 23.2 Xây dựng chương trình giải bài toán phân bố tối ưu công suất thuỷ
nhiệt điện ngắn hạn 17
3.3 Tính toán áp dụng cho hệ thống điện Việt Nam 18
3.3.1 Số liệu vào 19
3.3.2 Kết quả tính toán 19
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH CHI PHÍ ĐẲNG TRỊ TỐI ƯU CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN CÓ GIỚI HẠN SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU - BÀI TOÁN KHAI THÁC TỐI ƯU CỤM TUA BIN KHÍ 20
4.1 Mở đầu 20
4.2 Bài toán khai thác tối ưu cụm tua bin khí 20
4.2.1 Mô hình toán 20
4.2.2 Phương pháp giải 22
4.2.3 Tính toán áp dụng 22
4.3 Xây dựng đặc tính chi phí đẳng trị tối ưu các nhà máy nhiệt điện 24
CHƯƠNG 5: THU THẬP SỐ LIỆU TÍNH TOÁN, ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM MỘT SỐ KẾT QUẢ BƯỚC ĐẦU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH 25
5.1 Bài toán vận hành 25
5.2 Tính toán khi có mạch 500 kV Pleiku - Phú Lâm thứ hai 26
KẾT LUẬN CHUNG 27
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Đặt vấn đề
Mục tiêu giảm thiểu chi phí sản xuất điện năng luôn là mục tiêu kinh tế hàng
đầu của người sản xuất điện Sau khi hoàn thành đường dây 500 kV, hệ thống
điện (HTĐ) Việt Nam trở thành HTĐ liên kết nhiều khu vực, với một số
lượng lớn các nhà máy điện cùng hoạt động Bên cạnh những ưu thế nổi bật
của HTĐ lớn, cho phép khai thác nâng cao hiệu quả kinh tế, nâng cao độ tin
cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng, đã xuất hiện nhiều yếu tố phức
tạp, khó khăn hơn trong công tác quản lý, vận hành Điển hình là bài toán
phân bố tối ưu công suất cho các tổ máy, nhằm đạt chi phí vận hành thấp
nhất Hệ thống càng lớn, nguồn sản xuất điện năng càng đa dạng thì hiệu quả
tối ưu mà bài toán có thể đem lại càng cao Tuy nhiên, bài toán sẽ rất phức
tạp Đó là vì lời giải tối ưu chỉ có ý nghĩa khi bài toán được mô tả phù hợp với
các điều kiện thực tế hệ thống, xét đến đầy đủ các điều kiện giới hạn để có thể
vận hành theo lời giải tối ưu Đối với HTĐ hợp nhất Bắc-Trung-Nam của Việt
Nam, giới hạn truyền tải công suất giữa các khu vực là một yếu tố không thể
bỏ qua Đó cũng chính là giới hạn truyền tải công suất qua các mạch đường
dây siêu cao áp 500kV Giới hạn này có ảnh hưởng rất mạnh đến tính kinh tế
vận hành, bởi giới hạn trao đổi công suất càng lớn thì khả năng huy động
công suất các nguồn có chi phí thấp ở các khu vực càng cao Xét đến giới hạn
lượng nước cung cấp cho các nhà máy thuỷ điện, giới hạn cung cấp khí cho
các cụm tua-bin khí chu trình hỗn hợp cũng là những yêu cầu rất đặc trưng
của HTĐ Việt Nam Nói khác đi, cần giải bài toán vận hành tối ưu HTĐ Việt
Nam theo mô hình khá tổng quát
Về phương pháp tính, việc giải bài toán vận hành tối ưu HTĐ vốn rất phức
tạp, liên quan đến việc phải tìm lời giải của bài toán quy hoạch phi tuyến
(QHPT) Người ta thường tìm cách đơn giản hoá mô hình bài toán, dựa vào
những đặc điểm riêng xuất phát từ những điều kiện cụ thể, cho phép của HTĐ
đang vận hành Những cách đơn giản hoá này có thể áp dụng hiệu quả cho
HTĐ này nhưng lại có thể không áp dụng được cho HTĐ khác Chẳng hạn, bỏ
qua giới hạn truyền tải công suất trên các mạch (đường dây, máy biến áp) là
Trang 4điều kiện có thể áp dụng với rất nhiều HTĐ, khi phạm vi truyền tải công suất
không xa, khả năng tải các mạch luôn luôn thoả mãn Khi đó, với giả thiết
tính gần đúng tổn thất công suất trong lưới, có thể áp dụng mô hình HTĐ một
nút, như đã thấy trong các chương trình nước ngoài đang có ở Việt Nam
(WASP III, .) Các điều kiện này, rõ ràng không thích hợp áp dụng cho
HTĐ Việt Nam: với lưới điện có phạm vi lãnh thổ phát triển theo chiều dài,
với luồng công suất đáng kể tải qua các đoạn mạch đường dây siêu cao áp
(ĐDSCA) Đề tài được đặt ra xuất phát từ nhu cầu thực tế nói trên, nhằm tạo
lập một công cụ hiệu quả, thích hợp áp dụng trong vận hành HTĐ Việt Nam
2 Phương pháp nghiên cứu
Luận án đi theo hướng tìm lời giải xấp xỉ của bài toán QHPT tổng quát Cơ sở
của phương pháp là xấp xỉ hoá và chuyển đổi mô hình bài toán QHPT về qui
hoạch tuyến tính (QHTT) nguyên thực hỗn hợp Sau khi nhận lời giải, kết quả
được chuyển về bài toán ban đầu Hướng nghiên cứu này hiện nay có nhiều
thuận lợi do sự phát triển cao của kỹ thuật máy tính và xử lý thông tin Ưu
điểm của phương pháp là luôn tìm được lời giải tối ưu toàn cục, tuy xấp xỉ
nhưng sai số có thể khống chế được
3 Ý nghĩa khoa học và phạm vi ứng dụng
- Luận án đã nghiên cứu, phát triển phương pháp xấp xỉ hoá bài toán QHPT
cho trường hợp chung: hàm phi tuyến có chứa các điểm gián đoạn và rời rạc
Kết quả nghiên cứu này đã cho phép mở rộng ứng dụng của phương pháp đối
với nhiều bài toán tối ưu hoá, trong đó có bài toán vận hành HTĐ (chứa các
quan hệ phi tuyến, gián đoạn và rời rạc)
- Đã đề xuất thuật toán chuyển đổi tự động (bằng chương trình máy tính) mô
hình bài toán QHPT sang mô hình bài toán QHTT nguyên thực hỗn hợp xấp
xỉ Sai số của phép chuyển đổi có thể đánh giá và khống chế được Nhờ thuật
toán này đã xây dựng được chương trình tính toán phân bố tối ưu công suất
trong HTĐ có xét đến giới hạn truyền tải công suất giữa các khu vực Chương
trình có thể áp dụng trong công tác vận hành HTĐ Việt Nam (hiện đang được
áp dụng thử nghiệm tại Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia)
Trang 5CHƯƠNG 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN QUY
HOẠCH VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHO BÀI TOÁN VẬN
HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN
Bài toán vận hành tối ưu HTĐ cần được mô tả ở dạng qui hoạch toán học
(QHTH), có thể mô tả tổng quát như sau:
1.1.1 Hàm mục tiêu
Cực tiểu hoá chi phí sản xuất điện năng:
min )
) ( (
P C
Trong đó:
i = 1 k Khoảng thời gian tính toán, khảo sát
j = 1 m số tổ máy có trong hệ thống điện
Cji (Pji) - các hàm mô tả đặc tính chi phí theo công suất phát của tổ máy
phát điện
SUCji Chi phí khởi động của tổ máy j ở giờ i
SDCji Chi phí dừng máy của tổ máy j ở giờ i
1.1.2 Các ràng buộc:
- Cân bằng công suất tại mỗi nút của hệ thống điện (hệ phương trình)
- Ràng buộc về lượng nước sử dụng trong chu kỳ khảo sát của các nhà
máy thuỷ điện (hệ phương trình)
- Đảm bảo yêu cầu dự phòng công suất quay trong hệ thống (hệ bất
phương trình)
- Ràng buộc về biểu đồ cung cấp khí của các nhà máy điện tua- bin khí
(hệ phương trình)
- Giới hạn truyền tải công suất trên một số nhánh của lưới điện
Trang 6- Giới hạn công suất phát (tối đa, tối thiểu) của các tổ máy;
- Ràng buộc về tốc độ tăng giảm công suất của tổ máy;
- Ràng buộc về khởi động và dừng tổ máy: số giờ chạy máy tối thiểu, số
lần khởi động nhiều nhất, số giờ dừng máy tối thiểu, các tổ máy phải chạy,
phải dừng
Dễ nhận thấy rằng, bài toán đặt ra có dạng QHPT tổng quát, với một số lượng
lớn các quan hệ ràng buộc và giới hạn
Tính phi tuyến thể hiện ở các đặc tính chi phí tổ máy, đặc tính tổn thất công
suất trong lưới điện Khi đẳng trị đặc tính chi phí cho các nhà máy thuỷ điện
(NMTĐ) còn xuất hiện các điểm gián đoạn, vùng cấm vận hành v.v
Người ta thường phân loại bài toán theo khung thời gian khảo sát:
- Thời gian từ vài tháng đến vài năm là bài toán quy hoạch vận hành dài hạn
- Từ một ngày đến vài tuần là phương thức vận hành trung hạn
- Từ vài giờ đến vài ngày là bài toán phương thức vận hành ngắn hạn
- Từ một vài phút đến một giờ là bài toán vận hành kinh tế thời gian thực gắn
với hệ thống SCADA/EMS
1.3Các phương pháp giải
Bài toán QHPT hiện chưa có các phương pháp giải chung hiệu quả Trường
hợp riêng thuận lợi nhất là QHTT, có thể tìm được lời giải tối ưu toàn cục
(nếu có) nhưng nếu áp dụng trực tiếp vào bài toán vận hành tối ưu HTĐ sẽ
mắc phải sai số lớn do cần tiệm cận xấp xỉ các hàm về dạng đường thẳng đi
qua gốc toạ độ
Luận án đã tổng quan và đánh giá khả năng áp dụng các phương pháp khác
như phương pháp Lagrange, phương pháp gradient, nguyên lý cân bằng suất
tăng tương đối, phương pháp qui hoạch động .Mỗi phương pháp đều có
những ưu điểm và hạn chế riêng không thích hợp giải bài toán có đặc trưng
phi tuyến, xét đến các giới hạn dạng bất phương trình Một số phương pháp
Trang 7mới đang được nghiên cứu như phương pháp chuyên gia/mạng nơ-ron,
phương pháp Genetic, phương pháp mô phỏng quá trình tôi kim loại, phương
pháp tập mờ Các phương pháp này mang nhiều ý nghĩa bổ trợ và việc tìm
lời giải đòi hỏi dựa trên các phép xử lý song song, yêu cầu máy tính mạnh
Luận án đặt vấn đề đi theo hướng riêng: áp dụng phương pháp tìm lời giải xấp
xỉ bài toán QHPT Ý tưởng của phương pháp đã được các công trình toán đề
xuất từ rất sớm: xấp xỉ hoá các hàm phi tuyến bằng hàm tuyến tính từng khúc
Bổ sung thêm các biến mới và ràng buộc sẽ có thể thiết lập được bài toán
QHTT nguyên thực hỗn hợp xấp xỉ tương đương Phương pháp này tận dụng
được ưu thế của QHTT để tìm lời giải tối ưu toàn cục, sai số lại có thể khống
chế được Tuy nhiên, để có thể áp dụng cho HTĐ cần có những nghiên cứu và
phát triển bổ sung
Trang 8CHƯƠNG 2: QHTT NGUYÊN THỰC HỖN HỢP VÀ KHẢ
NĂNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG TÌM LỜI
GIẢI TỐI ƯU TOÀN CỤC XẤP XỈ CỦA BÀI TOÁN QHPT
2.1Đặt vấn đề
Để phát triển phương pháp giải xấp xỉ bài toán QHPT, trước hết cần nghiên
cứu mô hình và thuật toán chuyển đổi xấp xỉ bài toán QHPT về QHTT
nguyên thực hỗn hợp
Mô hình bài toán QHTT nguyên thực hỗn hợp:
=
=
⇒ +
q
1 j j j p
1 i i
q
1 j
k j jk p
1 i i
p+q = n ; k = 1,2, , m (2-2)
Trong đó:
x1, x2, ,xp- các biến thực, nhận các giá trị dương ;
y1,y2, , yq- các biến nguyên, trường hợp riêng phổ biến chỉ nhận các giá trị 0
và 1 (biến nhị phân)
n - tổng số biến (nguyên, thực); m - số ràng buộc
Như đã nêu trên, hiện nay có các thuật toán và chương trình giải rất hiệu quả
bài toán QHTT nguyên thực hỗn hợp
Xấp xỉ hoá bài toán QHPT với QHTT nguyên thực hỗn hợp
Từ khá sớm các nghiên cứu toán học đã chỉ ra khả năng xấp xỉ hoá bài toán
QHPT với bài toán QHTT nguyên thực hỗn hợp Thực chất là, khi xấp xỉ mỗi
hàm phi tuyến bằng hàm tuyến tính từng khúc, có thể chuyển tương đương
(xấp xỉ) toàn bộ bài toán QHPT thành QHTT nguyên thực hỗn hợp Khi số
đoạn tăng lên vô hạn sai số xấp xỉ có thể tiến dần tới không
Trang 9Về lý thuyết, khả năng này cho phép tìm được lời giải xấp xỉ của bài toán
QHPT với sai số có thể khống chế nhỏ tuỳ ý Lời giải luôn xác định (nếu có)
và là tối ưu toàn cục theo tính chất của QHTT Tuy nhiên, phương pháp
không chiếm được vị trí ứng dụng xứng đáng Các lý do chủ yếu là:
- Khi mô tả xấp xỉ sang bài toán QHTT một số lượng lớn các biến mới cần
được thêm vào so với bài toán QHPT ban đầu
- Cần thực hiện một số lớn các phép tính, ví dụ tính giá trị hàm tại các điểm
chia đoạn, trước khi thiết lập bài toán QHTT
Nói khác đi người sử dụng phải hiểu rất rõ thuật toán, tự thiết lập mô hình
tương đương, viết mô tả toán học để từ đó áp dụng thuật toán QHTT tìm lời
giải Chuyển kết quả nhận được về giá trị biến ban đầu Sai số yêu cầu càng
nhỏ thì tính phức tạp và kích cỡ của bài toán càng lớn Đóng góp chủ yếu của
luận án trong chương 2 là tìm được quy luật chung chuyển đổi mô hình bài
toán Nhờ đó có thể thực hiện phép chuyển đổi tự động bằng chương trình
Người sử dụng chỉ cần mô tả bài toán QHPT ban đầu, cho yêu cầu sai số
Toàn bộ quá trình xấp xỉ hoá, tìm lời giải và hoàn nguyên giá trị về các biến
ban đầu đều do chương trình thực hiện
Ngoài ra, để mở rộng phương pháp nhằm ứng dụng được cho HTĐ, luận án
cũng nghiên cứu phát triển thuật toán sang trường hợp chung: dạng hàm phi
tuyến có chứa điểm gián đoạn và rời rạc
Trên hình 2-1 biểu diễn dạng hàm fi(xi) bất kỳ (trong hàm mục tiêu hoặc ràng
buộc) cho trường hợp chung Với số đoạn tiệm cận xấp xỉ như trên hình vẽ,
mô tả toán học theo QHTT nguyên thực hỗn hợp viết được như sau:
∑∑∑
≈ i
) k ( ij
) k ( ij ) k ( i i
là các biến mới đưa vào để thực hiện tuyến tính hóa từng đoạn
Trang 10Các ràng buộc mới cần thêm vào:
k ij
x(2-5)Việc mở rộng này là cần thiết bởi đặc tính
chi phí các tổ máy trong HTĐ có chứa
điểm rời rạc Ví dụ, đặc tính tiêu hao nhiên
liệu của nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) chạy
than (hình 2-2) Điểm gốc toạ độ thể hiện
trạng thái nghỉ của tổ máy Chế độ vận
hành tối ưu cần lựa chọn không những
Hình 2-1
B
P 0
Hình 2-2
) 1 ( 0 ) 1 (
x ≤
) 2 ( 0 ) 2 (
i y
) 2 ( 1 ) 2 ( 0 ) 2 (
2 (
n i n
i y
) ( 1 ) ( 0 ) ( 1
n i n i n
) ( 1 )
Trang 11trong các đoạn của trạng thái vận hành (Pmin, Pmax) mà còn phải xét đến cả
trạng thái nghỉ Thay đổi số lượng các thiết bị phụ (bộ hâm, bộ sấy ) đặc tính
có chứa điểm gián đoạn
Hình 2-3 là sơ đồ khối thuật toán xấp xỉ hàm phi tuyến, trong đó:
Bước 1: Cho trước sai số e0và khoảng chia lớn nhất DXmaxcho phép
Bước 2: Nhận dạng hàm và tính giá trị hàm.
Bước 3: Với khoảng DX đã cho ta tính giá trị hàm tại một số điểm trong
khoảng (Xmin, Xmin + DX) theo biểu thức đúng của hàm, đồng thời tính giá
trị biểu thức theo hàm tuyến tính, từ đó đánh giá sai số lớn nhất e
Bước 4: Ghi nhận các điểm chia thoả mãn yêu cầu sai số tiệm cận hoá, các
điểm chia này chính là điểm chia của các hàm tuyến tính
Bước 5: Tiếp tục lặp lại các bước tính toán trình bày ở bước 2, bước 3 và
bước 4 cho đến khi X≥Xmax
Trang 12Việc tạo ra khối tự động xấp xỉ hoá hàm phi tuyến bằng chương trình có ý
nghĩa then chốt để xây dựng thuật toán tìm lời giải xấp xỉ cho bài toán QHPT
Bước lập trình công phu nhất trong khối này là nhận dạng và tính giá trị hàm
theo các biểu thức hàm (phi tuyến) cho trong file dữ liệu ban đầu (bước 2)
Nhờ bước này có thể tính được hàng loạt giá trị hàm tương ứng với trị số bất
kỳ của biến đã cho Mục đích là chọn được số các điểm chia hợp lý thoả mãn
yêu cầu về sai số Có giá trị hàm tại các điểm chia, tương ứng với (2-3), (2-4)
và (2-5) hình thành được file dữ liệu cho mô hình QHTT xấp xỉ
2.4 Phương pháp giải bài toán quy hoạch tuyến tính nguyên thực hỗn hợp
Trong luận án đã trình bày thuật toán nhánh-cận giải bài toán QHTT Cũng
xét khả năng sử dụng các chương trình có sẵn như một khối tính toán trong
chương trình tính phân bố tối ưu công suất cho các tổ máy của HTĐ
Trang 132.5Kết luận chương 2
- Có thể biểu diễn tổng quát quy tắc chuyển đổi mô hình bài toán QHPT thành
bài toán QHTT nguyên thực hỗn hợp xấp xỉ, kể cả trường hợp chung: hàm
chứa các điểm gián đoạn và giá trị rời rạc
- Bằng việc xử lý thông tin trong chương trình có thể tạo ra khối tự động xấp
xỉ hoá hàm phi tuyến và hình thành file dữ liệu cho mô hình QHTT xấp xỉ
Kết quả này đã mở ra khả năng xây dựng các chương trình ứng dụng tìm lời
giải tối ưu toàn cục của bài toán QHPT nói chung và tối ưu hoá chế độ vận
hành của HTĐ nói riêng
