Xác định dung lượng máy phát điện phân bố theo mục tiêu giảm tốn thất và giảm thay thế các thiết bị đóng cắt

Không chỉ dừng lại ở mục tiêu giảm tổn thất điện năng, việc lắp đặt máy phát điện phân bố trên lưới điện phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới v

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Lời cảm tạ iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các hình ix

Danh sách các bảng x

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 01

1 Đặt vấn đề 02

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 02

3 Phạm vi nghiên cứu 03

4 Phương pháp nghiên cứu 04

5 Điểm mới của luận văn 04

6 Giá trị thực tiễn 04

7 Bố cục của luận văn 05

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 06

1 Đặc điểm của lưới điện phân phối 07

1.1 nh hưởng của các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật đến hệ thống điện 08

1.2 Cấu trúc lưới điện phân phối 09

2 Hiện trạng và đặc điểm lưới điện phân phối ở Việt Nam 10

3.2 Các dạng DG 12

3.3 ́ng dụng của phát điện phân bố 16

3.4 u và khuyết điểm của phát điện phân bố 17

3.5 nh hưởng của máy phát phân bố lên hệ thống 17

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN 19

1 Bài toán đa mục tiêu 20

1.1 Giơi thiê ̣u 20

1.2 Công thức của bài toán 20

1.2.1 Hàm mục tiêu cho tổn thất năng lượng 21

1.2.2 Hàm mục tiêu cho khả năng cắt của các thiết bị 21

1.2.3 Các ràng buộc của bài toán 21

2 Lôgic mơ va giải phap tim ham mục tiêu chung của bai toan 23

2.1 Định nghĩa tập mờ 23

2.2 Các hàm thuộc (membership function) của bài toán 23

2.2.1 Hàm thuộc cho khả năng cắt của các thiết bị 24

2.2.2 Hàm thuộc cho tổn thất năng lượng 25

2.3 Giải pháp của bài toán đa mục tiêu 25

3 Thuâ ̣t toan GEN di truyên (GA) 27

3.1 Giới thiệu 28

3.2 Tối ưu bằng thuật toán gen di truyền trong Matlab 29

4 Lưu đô mô tả giải thuâ ̣t đê nghi ̣ va cac bươc thực hiê ̣n 45

CHƯƠNG IV: KIỂM CHỨNG GIẢI THUẬT ĐỀ NGHỊ 47

1 Xét mô hình mạng phân phối hình tia tổng quát 48

2.2 Mã hóa DG trên lưới 52

2.3 Khai báo trong GA của matlab 53

2.4 Mô phỏng và kết quả 55

2.4.1 Khi chưa co DG 55

2.4.2 Khi phat hêt công suât của DG 55

2.4.3 Khi phat công suât của DG giup tổn thât công suât nhỏ nhât 56

2.4.4 Khi dung lượng phat của DG ở mưc tôi ưu 57

2.5 Nhâ ̣n xet 64

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 66

1 Các nội dung đã thực hiện được 67

2 Điểm mới của luận văn 67

3 Phương hướng phát triển 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 70

Trang

Hình 2.1: Biểu đồ tổn thất điện năng của EVN 08

Hình 2.2: Sơ đồ lưới điện hình tia và lưới điện kín vận hành hở 09

Hình 2.3: Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp lưới điện phân phối 10

Hình 2.4: Các dạng phát điện phân bố 12

Hình 2.5: Cánh đồng pin năng lượng mặt trời 13

Hình 2.6: Cánh đồng turbin gió 14

Hình 2.7: Nguôn năng lượng tai ta ̣o biogas 15

Hình 3.1: Sơ đồ mạng lưới phân phối 20

Hình 3.2: Tập mờ và tập rõ 23

Hình 3.3: Giá trị của hàm thuộc cho khả năng cắt của thiết bị 24

Hình 3.4: Giá trị của hàm thuộc cho tổn thất năng lượng 25

Hình 3.5: Cấu trúc tổng quát của một thuật toán gen 29

Hình 3.6: Mở hộp công cụ toán học GAOT 31

Hình 3.7: Giao diê ̣n hộp công cụ toán học GAOT 32

Hình 3.8: Lưu đồ giải thuật đề nghị theo hàm đa mục tiêu 45

Hình 4.1: Sơ đô ma ̣ng phân phôi hinh tia tổng quat 48

Hình 4.2: Qui ước cách gọi tên các nút của mạng phân phối 49

Hình 4.3: Mạng điện phân phối áp dụng 50

Hình 4.4: Kêt quả tim được sau khi sử dụng chương trinh 57

Hình 4.5: DG gop phân cải thiê ̣n điê ̣n ap 64

Trang Bảng 2.1: Tỷ trọng các thành phần phụ tải năm 2011 của EVN 07 Bảng 2.2: Khối lượng lưới điện phân phối và tổng dung lượng trạm của EVN 10 Bảng 4.1: Bảng so sánh kết quả của các trường hợp 64

 CHƯƠNG I:

GIỚI THIỆU LUẬN VĂN

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện đến

hộ tiêu thụ Vì lý do kỹ thuật, nó luôn được vận hành theo kiểu hình tia, mặc dù được thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy trong quá trình cung cấp điện Theo thống kê của Điện lực Việt Nam thì tổng tổn thất điện năng khoảng từ 10-15% sản lượng điện sản xuất, trong đó tổn hao trên đường dây từ 5-7% Do đó nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối là một nhu cầu cấp thiết, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích về kinh tế

Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối như: nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối, tăng tiết diện dây dẫn, hoặc giảm truyền tải công suất phản kháng trên lưới điện bằng cách lắp đặt tụ

bù, tái cấu trúc lưới điện Ngoài ra, với sự phát triển của các nhà máy điện vừa và nhỏ như hiện nay thì phương pháp sử dụng các máy phát điện phân bố cũng đem đến nhiều lợi ích to lớn Không chỉ dừng lại ở mục tiêu giảm tổn thất điện năng, việc lắp đặt máy phát điện phân bố trên lưới điện phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới và giảm thiểu số lượng hộ tiêu thụ bị mất điện khi có sự cố hay khi cần sửa chữa đường dây

Trong quá trình vận hành, thực tế việc tính toán dung lượng phát của máy phát phân bố trong điều kiện phụ tải điện thường xuyên thay đổi cùng với việc phải đảm bảo số lượng các thiết bị đóng cắt không được thay thế nhiều trên hệ thống điện là điều vô cùng khó khăn đối với các vận hành viên Do đó luôn cần một phương pháp phân tích phù hợp với lưới điện phân phối thực tế và một giải thuật đủ mạnh để tính toán công suất phát của máy phát trong điều kiện thoả mãn các mục tiêu điều khiển của các vận hành viên Trong luận văn này sẽ nghiên cứu các vấn đề này và đưa ra một phương pháp giải có thể áp dụng để tính toán

2.1 M c tiêu c a lu n v n

Nghiên cứu tổng quan các tác dụng của máy phát điê ̣n phân bô trong lưới điện phân phối

Đưa ra một phương pháp hiệu quả để tìm công suât phat tôi ưu nhăm giup giảm tổn thât công suât va giảm thay thê cac thiêt bi ̣ đong căt co sẵn trong hê ̣ thông Viết được một chương trình MATLAB tổng quát cho việc tính toán công suất phát của máy phát điê ̣n theo giải thuật đề nghị

2 Đề nghị một giải thuâ ̣t để tim công suât phat tôi ưu nhât

3 Xây dựng hàm đa mục tiêu đạt mục đích đặt ra đồng thời cũng phải thỏa mãn các điều kiện ràng buộc

4 Kiểm chứng trên lưới điện phân phôi mẫu nhằm đánh giá tính đúng đắn của

ý tưởng đề xuất

5 Lập trình trên máy tính và chạy kiểm tra phương pháp đề nghị

6 Đánh giá lại phương pháp thực hiện và khả năng áp dụng phương pháp đề nghị vào thực tế Đồng thời đề xuất hướng nghiên cứu phát triển đề tài

Nghiên cứu xoay quanh bài toán xác định dung lượ ng may phat điê ̣n phân bô nhăm lam giảm tổn thât công suât va giảm thay thê cac thiêt bi ̣ đong căt hiê ̣n cotrong lươi phân phôi

Bài toán được nghiên cứu trong luận văn bao gồm các vấn đề sau:

1 Kết hợp nhiều mục tiêu với nhau vào trong một bài toán: Mục tiêu giảm tổn thất công suất và mục tiêu giảm thay thế thiết bị đóng cắt trong lươi phân phôi

2 ́ng dụng giải thuật gen trong MATLAB và logic mờ để giải bài toán đã

đề ra theo hàm đa mục tiêu

đây chúng ta sử dụng các phương pháp sau:

+ Xây dựng mô hình toán học của lươi điện phân phối có DG

+ Lập trình tính toán bằng giải thuật Gen di truyền trong Matlab để tìm dung lượng tối ưu của DG trên lưới điê ̣n phân phôi

+ Sử dụng lý thuyết logic mờ để xây dựng các hàm mục tiêu: Giảm tổn thất công suất và giảm thay thế các thiết bị đóng cắt

+ Bài toán đa mục tiêu với các mục tiêu và ràng buộc cụ thể

+ Áp dụng được giải thuật gen và Fuzzy cho bài toán đa mục tiêu

+ Chương trình của luận văn đề xuất cho phép 1 tiếp cận mở về mặt: đưa vào mục tiêu, tầm quan trọng khác nhau của mục tiêu và ràng buộc, đồ thị tải, đồ thị khả năng phát của DG

+ Đề xuất được việc tích hợp các dạng DG khác nhau, các mức công suất khác nhau cho bài toán đa mục tiêu tìm dung lượng tối ưu của DG

3 Bằng việc xây dựng chương trình mô phỏng lưới điện phân phối trên máy tính, có thể huấn luyện, nâng cao trình độ nghiệp vụ của các điều độ viên qua các bài toán giả lập

Luận văn bao gồm có 5 chương:

Chương I : Giới thiệu luận văn

Chương II : Nghiên cứu tổng quan

Chương III : Phương pháp tiếp cận

Chương IV : Kiểm chứng giải thuật đề nghị

Chương V : Kết luận và đề xuất

Tài liệu tham khảo và Phụ lục

 CH ƠNG II:

NGHIểN C U T̉NG QUAN

1 Đ C ĐI M C A L I ĐI N PHỂN PH́I

Lưới điện phân phối là lưới điện chuyển tải điện năng trực tiếp từ các trạm biến thế trung gian (thường là các trạm: 110/22 kV, 110/35/22 kV, 35/22 kV) đến các trạm khách hàng Chế độ vận hành bình thường của lưới điện phân phối là vận hành

hở, hình tia hoặc dạng xương cá Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện, mạng điện phân phối thường được thiết kế mạch vòng nhưng vận hành hở

Trong mạch vòng các xuất tuyến được liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc thiết bị nối mạch vòng (Ring Main Unit) Các thiết bị này vận hành ở trạng thái mở Trong trường hợp cần sửa chữa hoặc sự cố đường dây điện thì việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài, nhờ việc chuyển đổi nguồn cung cấp bằng thao tác đóng cắt dao cách ly phân đoạn hay tự động chuyển đổi nhờ các thiết bị nối mách vòng Một đường dây phân phối luôn có hai loại phụ tải là phụ tải dân dụng và phụ tải phi dân dụng Các phụ tải này được phân bố không đồng đều trên đường dây Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần

và trong tháng Vì vậy, đồ thị phụ tải của chúng không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ Điều này gây ra quá tải đường dây, ảnh hưởng tuổi thọ thiết bị và làm tăng tổn thất trên lưới điện phân phối

Bảng 2.1: Tỷ trọng các thành phần phụ tải năm 2011 của EVN

Công nghiệp,

Xây dựng Thương nghiệp, Nhà hàng, Khách sạn tiêu dùng Quản lý,

Hoạt động khác

Nông, lâm nghiệp, thủy sản

Qua kết quả nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành đã đưa đến kết luận nên vận hành lưới điện phân phối theo dạng hình tia bởi các lý do:

- Vận hành và bảo vệ mạng đơn giản

- Trình tự phục hồi lại kết cấu lưới sau sự cố dễ dàng hơn

- Ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt điện cục bộ

- Vấn đề kinh tế: chi phí cho các thiết bị bảo vệ thấp hơn

Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, vì vậy xuất hiện nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụ thể Tuy nhiên, các điều kiện vận hành lưới phân phối luôn phải thoả mãn các điều kiện sau:

- Cấu trúc vận hành là hình tia và hở

- Tất cả các phụ tải đều phải được cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép

- Các hệ thống bảo vệ relay, thiết bị đóng cắt phải thay đổi phù hợp với thực tế

- Các phát tuyến đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải

1.1 nh h ng ch tiêu kinh t - kỹ thu t đ n hệ thống điện

Tổn thất điện năng chiếm tỷ lệ lớn trong tổn thất của hệ thống bao gồm: tổn thất lưới truyền tải, phân phối, hạ áp

Hình 2.1: Biểu đồ tổn thất điện năng của EVN

Vốn đầu tư cho mạng phân phối cũng chiếm tỷ trọng lớn: nếu chia theo tỷ lệ vốn đầu tư theo thống kê cho thấy nếu đầu tư cho mạng cao áp là 1, thì mạng trung áp từ 1.5 ÷ 2 lần, hạ áp từ 2 ÷ 2.5 lần

Xác suất ngừng cung cấp do sự cố , sửa chữa bảo dưỡng theo kế hoạch cải tạo, lắp đặt trạm mới trên lưới điện trung áp cũng nhiều hơn so với lưới truyền tải

Là khu vực khó xác định phương áp vận hành so với lưới truyền tải, và là nơi chịu tác động nhiều nhất từ các điều kiện môi trường, thiết bị, nguồn dự phòng, v…v…

1.2 C u trúc l ới điện phơn phối

Chế độ vận hành lưới điện phân phối bình thường là vận hành hở Các sơ đồ lưới điện thường gặp là: hình tia, hình tia có nguồn dự phòng (lưới điện kín vận hành hở)

Thanh c¸i

Hình 2.2a: Sơ đồ lưới điện hình tia

Thanh c¸i

Hình 2.2b: Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở

Với các đặc điểm trên, việc nghiên cứu lưới điện phân phối rất phức tạp, đòi hỏi phương pháp, mô hình nghiên cứu phù hợp để giải quyết bài toán kinh tế - kỹ thuật

15kV 9%

35kV 1%

22kV 90%

15kV 40.2%

35kV 0%

22kV 59.8%

Lưới điện phân phối Việt Nam tồn tại 3 cấp điện áp (35, 22, 15)kV, trong đó

lưới 35kV có khối lượng rất nhỏ mà chủ yếu là lưới (15, 22)kV Đối với miền Nam trong thời gian vừa qua lưới 22kV các tỉnh phát triển mạnh mẽ, nếu không tính hai khu vực TP.Hồ Chí Minh và tỉnh Đồng Nai, lưới 22kV khu vực Tổng công ty điện lực Miền Nam quản lý chiếm 87,9% (theo dung lượng TBA), 81,9% (theo khối lượng đường dây) Mặt khác ở khu vực này lưới 15kV hầu hết được thiết kế theo tiêu chuẩn 22kV, do vậy ở khu vực này việc chuyển đổi lưới 15->22kV cơ bản là rất thuận lợi Trong một vài năm tới lưới 15kV cơ bản chuyển thành lưới 22kV

Hình 2.3: Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp lưới điện phân phối khu vực miền Nam Trong những năm gần đây, Tổng Công ty điện lực Miền Nam đã đẩy mạnh phát triển lưới điện phân phối, bình quân trong giai đoạn 5 năm từ 2007 đến 2011 phát triển trung bình hơn 1.500 km đường dây phân phối và công suất hơn 2.000 MVA

Bảng 2.2: Khối lượng LĐPP và tổng dung lượng trạm của EVN

3 Hệ̉ THỐNG PHÁT ĐIệ̉N PHỂN BỐ (DG)

3.1 Hệ thống DG lƠ gì?

Máy phát phân bố là máy phát công suất nhỏ (tư vai kW đên dưới 10MW) được đặt gần nơi tiêu thụ, để đáp ứng một nhu cầu đặc biệt của khách hàng, để vận hành kinh tế lưới điện phân phối hiện hữu hoặc cả hai trường hợp trên Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng đến với khách hàng, hiệu suất sử dụng nhiên liệu tăng nhờ tận dụng nhiệt năng từ các máy phát

Máy phát phân bố có khả năng kết nối với hệ thống điện hiện hữu hoặc cung cấp trực tiếp tại nơi tiêu thụ của khách hàng

Các nguồn phát tập trung theo kiểu truyền thống được thiết kế với công suất nhất định, rất khó thay đổi để đáp ứng với nhu cầu phụ tải thay đổi Nguồn tập trung truyền thống bao gồm nhà mát điện công suất rất lớn kết hợp với lưới truyền tải và lưới phân phối để phân phối điện năng Cả hai đòi hỏi vốn đầu tư lớn và mất nhiều thời gian khi muốn tăng khả năng tải Nguồn phát phân bố có những ưu điểm so với nguồn phát tập trung như sau:

+ Sự lựa chọn vốn đầu tư thấp để đáp ứng nhu cầu tăng cường phụ tải

+ Không cần nâng cấp mạng truyền tải cũng như mạng phân phối bằng cách đặt nguồn phát tại nơi có nhu cầu

+ Một số dạng nguồn phát có thể nâng thêm công suất một cách dễ dàng + Rất linh hoạt trong việc chuyển công suất thừa từ người sử dụng lên lưới điện để hỗ trợ công suất nhất là trong giờ cao điểm

Ngoài các ưu điểm về mặt kỹ thuật và kinh tế, máy phát phân bố còn ảnh hưởng rất ít đến môi trường, một số dạng nguồn phát sử dụng năng lượng sạch, hoàn toàn không có khí thải Máy phát phân bố đem đến cho các công ty cung cấp điện và khách hàng tiêu thụ một giải pháp cung cấp điện sạch, hiệu quả, tin cậy, linh hoạt và một quan điểm mới về năng lượng điện

Máy phát phân bố có khả năng nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng đến khách hàng băng cach giảm thiểu th ời gian ngừng cung cấp điê ̣n đên khach hang do sự cô vê điê ̣n cũng như tăng khả năng đap ưng công suât cho hê ̣ thông do thiêu điê ̣n

và làm quay tuabin máy phát Loại này có công suất từ vài KW đến vài chục KW

+ Pin quang điện (photo cell): Pin quang điện chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện Đây là một giải pháp lý tưởng cho việc cấp điện đến những vùng xa lưới điện phân phối cũng như dễ dàng phát triển tại nhiều chỗ Tuy nhiên, giá thành trên 1KW điện tạo thành khá đắt tiền

Các pin mặt trời được sắp xếp với nhau tạo thành khối pin quang điện và nhiều khối kết hợp với nhau tạo thành dãy pin quang điện Một số dãy pin quang điện được điều chỉnh bởi các thiết bị điều chỉnh tùy thuộc vào ánh sáng mặt trời trong ngày

Hình 2.5: Cánh đồng pin năng lượng mặt trời

Thực tê hiê ̣n nay ở Viê ̣t Nam một mă ̣t do ha ̣n chê vê kỹ thuâ ̣t , nguôn lực tai chính cũng như còn ỷ lại nhiều vào nguồn năng lượng thủy điện cũng là một dạng năng lượng sa ̣ch nên năng lượng mă ̣t trơi hâu như rât it được quan tâm Tuy nhiên viê ̣c phat triển nguôn năng lượng thủy điê ̣n la co giơi ha ̣n , phụ thuộc nhiều vào các yêu tô tự nhiên tac đô ̣ng nên vân đê phat triển nguôn năng lượng mă ̣t trơi vẫn cân nhâ ̣n được nhiêu sự quan tâm hơn nữa ngay tư bây giơ

b) Năng l ợng gió

Gió được sinh ra do những vùng có áp suất khác nhau trong khí quyển Năng lượng từ sức gió tỷ lệ với luỹ thừa bậc ba của tốc độ gió Do đó, các máy phát điện gió thường được đặt tại những vùng có tốc độ gió cao và ổn định Các máy phát điện gió thường được thiết kế ngày càng cao và to, vì ở trên cao tốc độ gió lớn và ổn định hơn so với gần mặt đất Tốc độ gió tại một điểm cho trước thay đổi liên tục

theo từng giây do đó nguồn điện phát ra không ổn định Nhưng các máy phát điện gió thường được kết nối nhiều máy thành một nhóm, điều này giúp làm tăng công suất phát điện của cánh đồng gió đồng thời làm tăng sự ổn định của hệ thống

Hiện nay năng lượng gió đang nhận được nhiều sự quan tâm của các nước trên thế giới do gió là một nguồn năng lượng dồi dào, thân thiện với môi trường và đặc biệt hơn nữa là cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nên chi phí đầu tư khai thác từ năng lượng gió đã giảm đi rất nhiều

Hình 2.3: Cánh đồng turbin gió

Mô ̣t sô vung trên lãnh thổ Việt Nam qua khảo sát của các nhà nghiên cứu có thể phat triển nguôn năng lượng gio nhưng vẫn chưa được quan tâm đung mưc Đây

là một trong những nguồn năng lượng quan trọng trong tương lai gần

Theo nghiên cứu chi tiết của tổ chức Ngân hàng thế giới (WB) trong chương trình năng lượng Châu Á thì thì tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam ước đạt khoảng 513.360MW, tức bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn

10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020, chiếm khoảng 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió Trong đó, 2 vùng giàu tiềm năng nhất là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát

phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận), theo khảo sát thì vào những tháng gió mùa tỷ lệ gió đạt 98% với vận tốc gió vào khoảng 6~7m/s, tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công suất vào khoảng 3~3,5MW

Mặc dù để có thể chuyển từ tiềm năng trên lý thuyết này thành tiềm năng có thể khai thác, đến tiềm năng kỹ thuật và cuối cùng là tiềm năng kinh tế là cả một câu chuyện dài nhưng điều này không thể ngăn cản chúng ta xem xét một cách thấu đáo về một tiềm năng năng lượng to lớn và thân thiện này

c) Năng l ợng sinh học

Việc sử dụng dầu mỏ hay than làm ảnh hưởng nhiều đến môi trường Hiện nay, việc sử dụng nhiên liệu sinh học như bio-gas hay metanol để làm nhiên liệu đang được chú ý vì đây là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh Các máy phát nhiệt điện loại nhỏ sử dụng nhiên liệu này

Hình 2.7: Nguôn năng lượng tai ta ̣o biogas

Ngoài ra, việc sử dụng các máy phát điện diesel hay các nguồn pin năng lượng dự phòng (fuel cells) cũng là một trong những phương án cần được xem xét

trong hệ thống điện hiện nay

3.3 ng dụng của phát điện phơn bố

a) Công su t dự phòng

Được áp dụng với các khách hàng cần cung cấp điện liên tục, không thể bị ngắt điện như các bệnh viện và các khu an ninh hoặc những khu vực có mức phí phạt mất điện là rất cao

Các máy phát được lắp đặt ở cá khu vực như bệnh viện, trạm bơm nước, các nhà máy sản xuất linh kiện điện tử,…để có thể cung cấp điện trong trường hợp hệ thống truyền tải và phân phối bị sự cố do bão hoặc các tai nạn nghiêm trọng,…

b) K t hợp nhiệt năng vƠ điện năng

Máy phát phân bố tạo ra một lượng nhiệt năng rất lớn khi chuyển nhiên liệu thành điện Nếu nguồn phát nằm gần người sử dụng, nhiệt năng từ các nguồn phát

có thể được tận dụng bởi khách hàng Mô hình này sẽ có hiệu suất khá lớn nếu áp dụng trong các khu công nghiệp, các tòa nhà lớn, các bệnh viện,…

c ) San bằng đ nh t i

Khi giá điện thay đổi theo giờ và phụ thuộc vào nhu cầu công suất và khả năng đắp ứng công suất, khách hàng có thể sử dụng máy phát dự phòng trong những lúc cao điểm để giảm chi phí sử dụng điện Việc này cũng mang lại lợi ích cho các nhà cung cấp điện năng trong điều kiện mà giá điện bằng với mức phạt do gián đoạn cung cấp điện

được sử dụng trong trường hợp khách hàng cần cung cấp điện với chất lượng điện năng cao, ví dụ trong những nhà máy sản xuất chip điện tử

3.4 u vƠ khuy t đi m của phát điện phơn bố

+ Việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt,… sẽ làm giảm thiểu được các tác động xấu gây ô nhiễm môi trường

+ Cung cấp một giải pháp cung cấp điện cho các tải tiêu thụ điện

 Khuy t đi m:

+ Phát điện phân bố sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo sẽ phụ thuộc vào

vị trí địa lí của từng vùng, từng quốc gia đồng thời sẽ chịu ảnh hưởng nhiều do các yếu tố của tự nhiên nên không ổn định

+ Do chịu ảnh hưởng từ các yếu tố tự nhiên nên các nguồn phát điện phân bố

có thể gây tác động xấu đến chất lượng điện năng như sự dao động điện áp, phát sinh các nhiễu sóng hài từ các bộ biến đổi hay máy phát điện,…

+ Việc thêm các nguồn phát phân bố vào trong mạng lưới làm ảnh hưởng đến cấu trúc của hệ thống, đến phân bố công suất,… làm ảnh hưởng đến dòng ngắn mạch từ đó ảnh hưởng đến việc phối hợp bảo vệ rờ-le trong mạng điện

+ Chi phí đầu tư cao

3.5 nh h ng của máy phát phơn bố lên hê ̣ thống

Máy phát phân bố ngoai nhiều ưu điểm như lam tăng đô ̣ tin câ ̣y của hê ̣ thông , giảm thiểu ô nhiễm môi trường do hạn chế sử dụng các nguồn năng lượng hóa

thạch, tuy nhiên nó ṽn có một số ảnh hưởng không tốt đối với hệ thống:

Hệ thống điện tập trung, công suất được xem là vô cùng lớn nên khi xảy ra các nhiễu trong hệ thống thì bản thân hệ thống có thể tự phục hồi Đối với hệ thống có quá nhiều máy phát phân bố thì khi có xảy ra nhiễu loạn có thể d̃n đến mất ổn định

vì hệ thống yếu

Máy phát phân bố được nối vào hệ thống , khi có xảy ra sự cố , ngoài dòng sự

cố từ nguồn còn có dòng từ máy phát phân bố điều này có thể d̃n đến sự kho khăn trong viê ̣c tinh toan bô tri cac may căt , recloser cũng như co thể gây ra sự tác động sai của bảo vệ rơle Mặt khác, công suất của các máy phát phân bố không ổn định

mà thay đổi theo yêu cầu của tải , điều này càng gây khó khăn hơn trong chỉnh định rơle

Một số dạng máy phát phân phối có sử dụng nhiên liệu như là Diesel hay là khí biogas,… đòi hỏi phải tốn thêm chi phí nhiên liệu để vận hành

Việc vận hành máy phát phân bố đòi hỏi phải có đội ngũ nhân viên vận hành, điều này

có thể gây tăng chi phí

 CH ƠNG III:

PH ƠNG PH́P TI P C N

1 BÀI TOÁN ĐA MỤC TIểU

1 1 Giới thiệu

Bài toán đặt ra là những mục tiêu khác nhau phải được hoàn thành cùng lúc

và đồng thời không vi phạm các ràng buộc để tạo ra sự tối ưu trong hoạt động và sự phát triển của hệ thống điện Trong nhiều trường hợp, những mục tiêu này có thể mâu thũn với nhau và không thể tính toán thủ công bằng những kỷ thuật tối ưu đơn

lẻ thông thường Công thức đa mục tiêu sử dụng logic mờ xác định vị trí và kích cỡ

DG được đề xuất Phương pháp cho phép người làm quyết định sự thỏa hiệp tốt nhất giữa các mục tiêu, khả năng chọn lựa quyết định cuối cùng trên nền tảng quan điểm xem xét của họ về việc cân bằng tốt nhất những giải pháp thỏa đáng trong một diện rộng mà không vi phạm các ràng buộc bài toán

1.2 Công thức của bƠi toán

Hình 3.1: Sơ đồ mạng lưới phân phối

1.2.1 HƠm mục tiêu cho tổn th t năng l ợng

Mục tiêu của hàm tổn thất năng lượng chính là tìm lượng năng lượng mất mát trên lưới trong 1 năm sẽ giảm đi lớn nhất so với trường hợp không có DG khi

có DG theo kiểu i trên lưới

Max  i 

loss loss i

(3.1)Trong đó:

A0

loss: tổn thất năng lượng trong năm khi mạng lưới không có DG

Ai

loss: tổn thất năng lượng trong năm khi mạng lưới có DG theo kiểu i

1.2.2 HƠm mục tiêu cho kh năng cắt của các thi t ḅ

Việc chúng ta gắn thêm các DG trên lưới có thể làm tăng dòng ngắn mạch, vì vậy nó có thể vượt quá khả năng cắt bảo vệ của các thiết bị trên lưới Do đó khi gắn thêm DG trên lưới cần phải tính lại dòng ngắn mạch lớn nhất qua các thiết bị, và xem xét khả năng cắt của chúng để thay thế cho phù hợp Tuy nhiên, trong thực tế chỉ có một số thiết bị được phép thay thế, một số thiết bị không được phép thay thế

Vì vậy, chúng sẽ được thể hiện qua các ràng buộc cứng (cho phép hay không cho phép), hay là một hàm mục tiêu

Như vậy ràng buộc ở đây chính là các thiết bị không được phép thay thế sẽ không được phép vi phạm cắt khi có DG

Đồng thời hàm mục tiêu cho khả năng cắt của các thiết bị chính là hạn chế

số lượng những thiết bị được phép vi phạm cần phải thay thế khi mạng lưới có gắng thêm DG Hàm mục tiêu có dạng sau:

Bên cạnh những mục tiêu trên, bài toán còn có những ràng buộc riêng Nếu chúng bị vi phạm thì bài toán ngay lập tức dừng và không thỏa Dưới đây là các ràng buộc của bài toán trong luận văn này:

+ Tổng công suất các DG có trong mạng lưới không được vượt quá một lượng tổng công suất phụ tải

+ Không được vi phạm khả năng tải của dây (dòng cho phép chịu đựng của dây) + Không được vi phạm về ràng buộc khả năng cắt của các thiết bị không được phép thay thế

+ Mỗi nhánh phụ chỉ có tối đa 1 vị trí có DG và nhánh đó chỉ có 1 loại DG

+ DG được gắn vào lưới phải đúng với loại DG mà nút đó cho phép có

2 LÔGIC MƠ VA GIẢI PHÁP TIM HAM MỤC TIểU CHUNG CỦA BAI TÓN

Một cách tổng quát, một hệ thống mờ là một tập hợp các quy tắc dưới dạng

If … Then…Việc thiết kế một hệ thống mờ mang rất nhiều tính chất chủ quan, nó phụ thuộc vào kinh nghiệm và kiến thức của người thiết kế Ngày nay, tuy kỹ thuật

mờ đã phát triển vượt bậc nhưng ṽn chưa có một cách thức chính quy và hiệu quả

 : gọi là hàm thuộc, X gọi là tập nền

Hàm liên thuộc F (x) lượng hóa mức độ phần tử x thuộc về tập cơ sở X Nếu hàm cho kết quả 0 đối với một phần tử thì phần tử đó không có trong tập đã cho, kết quả 1 mô tả một thành viên toàn phần của tập hợp Các giá trị trong khoảng

mở từ 0 cho đến 1 đặc trưng cho các thành viên mờ

Hình 3.2: Tập mờ và tập rõ

Hàm liên thuộc F (x) thỏa mãn các điều kiện sau

)

(x

F

 0 xX supxX[F (x)] = 1

2.2 Các hƠm thuộc (membership function) của bƠi toán

Dưới đây là những đề xuất của chúng tôi về các hàm thuộc cho các hàm mục tiêu trên, tức là các hàm mục tiêu trên được làm mờ

2.2.1 Hàm thuộc cho kh năng cắt của các thi t ḅ:

1

Trong đó:

Equipn: Là số thiết bị đong căt được phep thay thê

Equipi: Là số thiết bị cần phải thay thế khi mạng lưới có mắc thêm DG

Hình 3.3: Giá trị của hàm thuộc cho khả năng cắt của thiết bị

Như vâ ̣y: µ1( �� ) =

0, ê � � � � �

1− � �� � , ê � 0 < � � < � �

1, ê � � � = 0

(3.3)

(3.4)

2.2.2 HƠm thuộc cho tổn th t năng l ợng:

Hình 3.4: Giá trị của hàm thuộc cho tổn thất năng lượng

Như vâ ̣y:

min max

min

min

2

01

1)

(

U S khi

S S S

khi S

S

S S

S S khi

S

Vơi:

 : Tổn thât công suât lơn nhât trong ma ̣ng điê ̣n

2.3 Gi i pháp của bƠi toán đa mục tiêu

Như vậy các hàm mục tiêu đã được làm mờ thành các giá trị nhỏ hơn 1, vấn đề bây giờ là dùng giải pháp nào để đạt được sự thỏa thuận giữa các hàm mục tiêu này, tìm ra giải pháp tối ưu cho bài toán mà không vi phạm các điều kiện ràng buộc Ý tưởng cơ bản ở đây chính là kết hợp tất cả các hàm mục tiêu đơn lẻ ở trên thành một hàm mục tiêu duy nhất

Theo đề xuất của Bellman – Zadeh, khi các hàm mục tiêu có cùng vai trò tác động như nhau trong bài toán, không có mục tiêu nào quan trọng hơn mục tiêu nào, thì giải pháp đưa ra là:

(3.5)

��� �� � � � (3.6) Trong đó:

�� : Hàm thuộc cho mục tiêu thứ k

� � : Hàm mục tiêu thứ k cho cấu trúc mạng thứ i

Tuy nhiên, bài toán của chúng ta lại có các mục tiêu có mức độ quan trọng khác nhau, cho nên một giải pháp được biết đến đó là tính tổng các hàm các hàm mục tiêu trên Nhưng có thêm vào mỗi trọng số cho từng hàm mục tiêu Dưới đây là giải pháp của tôi đưa ra cho bài toán này:

1 + 2 = 1 0 1, 2 1 (3.8) Như vậy là ta đã xây dựng xong một hàm đa mục tiêu theo hướng mở

3 THUỆ̉T TÓN GEN DI TRUYểN (GA)

3.1 Giới thiệu

Thuật toán di truyền là một phương pháp giải quyết vấn đề bài toán dựa trên

mô phỏng quá trình tiến hóa thích nghi của sinh vật, chủ yếu được sử dụng như các phương pháp tối ưu Trong thuật toán này, tập các chuỗi (hay nhiễm sắc thể) được sinh ra theo một quá trình chọn lọc, tương tự như “chọn lọc tích cực của” Darwin Thuật toán gen hoàn toàn đơn giản, chỉ việc sao chép các chuỗi và thay đổi các phân chuỗi bằng 3 toán tử gen Sự tiến hóa của dân số được thực hiện bằng sự tái sinh của các cá nhân theo độ thích nghi tương ứng của chúng Thuật toán sử dụng một tập hợp (quần thể) các chuỗi, có nghĩa là có nhiều điểm tìm kiếm Vì vậy nó là một phương pháp tìm kiếm song song Nó hiệu chỉnh các chỉnh (các điểm tìm kiếm)

sử dụng các chọn lọc tự nhiên và các phép toán gen

 Tính ch t đặc thù của thu t toán gen

- Thuật toán gen lập luận mang tính chất ng̃u nhiên (stochastic) thay vì mang tính xác định như trong toán học giải tích

- Thuật toán gen tiến hành xét duyệt tất cả các giải pháp, sau đó lựa chọn các giải pháp tốt nhất dựa trên hệ số thích nghi

- Thuật toán gen chỉ tập trung vào giải pháp mà không quan tâm tới chi tiết vấn đề

- Thuật toán gen thích hợp cho việc tìm điều kiện tối ưu cho việc điều hành và phân nhóm những giải pháp có được

- Khi giải các bài toán cực đại hóa (maximization) hay cực tiểu hóa (minimization), thuật toán gen cần được biến đổi khi giải các bài toán có hàm mục tiêu trái ngược

 Các thu t toán của thu t toán gen

a Phép tái sinh (Reprodution)

Tái sinh là quá trình chọn lọc để hình thành nên quần thể mới dựa trên độ thích nghi của từng cá thể, trong đó cá thể nào có độ thích nghi cao hơn sẽ có nhiều bản sao hơn trong quần thể mới, còn các các thể có độ thích nghi kém hơn thì dần dần bị chết đi

Có nhiều cách lựa chọn tái sinh khác nhau, trong đó có hai cách phổ biến nhất là lựa chọn kiểu bánh xe Roulette (Roulette selection) và lựa chọn kiểu cuộc đấu vòng tròn (Tournament selection)

Có nhiều cách lai ghép, trong đó có hai cách thông dụng nhất là lai ghép kiểu mặt nạ (Mask Crossover) và lai ghép hai điểm (Two Points Crossover)

d Hàm thích nghi (Fitness Function)

Hàm thích nghi là một hàm toán học biểu diễn, đo lường, đánh giá giá trị đặc trưng độ thích các cá thể trong quần thể

 Hàm thích nghi f(x) cho bài toán tìm cực đại hàm g(x):

=

� − � ( ) < �

0 � ( ) �

(3.9)

C max có thể lấy giá trị lớn nhất trong quần thể hiện tại

 Hàm thích nghi f(x) cho bài toán tìm cực tiểu hàm u(x):

=

� + � � + > 0

0 � � + 0

(3.10)

C min có thể lấy giá trị tuyệt đối của u bé nhất trong quần thể hiện tại

 C u trúc tổng quát của một thu t toán gen có dạng:

Bắt đầu

Phát sinh quần

thể ban đầu

Xác định độ thích nghi các cá thể trong quần thể v

Có cá thể nào đạt đến lời giải tối ưu chưa?

Kết quả

3.2 Tối u bằng thu t toán gen di truy n trong Matlab 7.0

3.2.1 Giới thiệu v Matlab

Ngôn ngữ lập trình MATLAB được giới thiệu vào giữa những năm 1980 và được phát triển bởi tập đoàn The Mathworks, Inc of Natick, Massachusetts – Hoa

Kỳ từ những năm 1970 Đây là một trong những cải tiến quan trọng nhất trong việc ứng dụng máy tính vào khoa học và kỹ thuật

Ban đầu Matlab được dùng chủ yếu để giải các bài toán về ma trận, đại số tuyến tính, giải tích số … Hiện nay phạm vi tính toán của Matlab rất lớn, bao trùm nhiều lĩnh vực khác nhau Matlab bao hàm nhiều tính năng của một cỗ máy tính toán hiệnt đại như các phép toán học thông thường như cộng, trừ, nhân, chia, số căn, mũ, số phức, logarithm, các phép toán lượng giác, khả năng lập trình, lưu trữ

dữ liệu, so sánh logic, điều khiển thực hiện lệnh,… cùng với tính năng biểu diễn một cách đa dạng từ các biểu diễn thông thường, ma trận đại số, các hàm tổ hợp và

có thể thao tác với dữ liệu thường hay ma trận

Ngoài những tính năng kể trên, Matlab cùng với việc cung cấp môi trường phong phú cho việc biểu diễn dữ liệu và khả năng mạnh mẽ về đồ họa có thể giúp ta tạo ra các giao diện riêng cho người sử dụng (GUIs) Thêm vào đó, Matlab còn cung cấp cho chúng ta rất nhiều các công cụ để giải quyết những vấn đề đặc biệt, được gọi là Hộp công cụ (hay Toolbox) Ví dụ như GAOT (Genetic Algorithms for Optimization Toolbox, tạm dịch là Hộp công cụ tối ưu dùng giải thuật gen di truyền) là một tập hợp của các hàm toán học liên quan đến thuật toán gen di truyền

và được tích hợp trong những module để thuận tiện cho ngưởi dùng trong quá trính tính toán và mô phỏng Hơn nữa, chúng ta cũng có thể tạo ra các Toolbox cho riêng mình để phục vụ cho các mục đích riêng khác nhau

Với những tính năng kể trên, Matlab đã và đang được ứng dụng một cách rất rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống

3.2.2 Tối u bằng thu t toán gen di truy n trong Matlab 7.0

a/ Dùng Hộp công cụ toán học GAOT

Cách truy cập vào GAOT bằng cách như sau: Start menu >Toolboxes

>Genetic Algorithm and Direct Search >Genetic Algorithm Tool Hay bằng

cách truy nhập từ cửa sổ Matlab:

Hình 3.6: Mở hộp công cụ toán học GAOT Giao diện của GAOT có dạng:

Hình 3.7: Giao diê ̣n hộp công cụ toán học GAOT

Trong đó:

* Các thông số đầu vào:

- X là chuỗi (cá thể) tôt nhât, nghĩa là kết quả cuối cùng

- FVAL là giá trị cuối cùng của hàm thích nghi (Final VALue)

- REASON là Lý do dừng quá trình tính toán tìm tối ưu, lý do có thể là do: qui

định số lần lặp, thời gian lặp, giá trị của hàm thích nghi cực tiểu,

- OUTPUT cho ta các giá tri tổng quan chung của quá trình tính toán tối ưu như

số lần lặp, lý do dừng lặp, số lượng hàm đã thực hiện,…

- POPULATION là giá trị của quần thể cuối cùng

- SCORES là giá trị thích nghi của các cá thể trong quần thể cuối cùng

* Các thông số đầu ra: