nghiên cứu phương pháp chống quá tải lưới điện bằng giải thuật tái cấu trúc

Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm cân bằng tải trongđiều kiện phải thoả mãn các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khoá điện trên hệthống điện phân phối là điều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CHỐNG QUÁ TẢI LƯỚI ĐIỆN BẰNG GIẢI THUẬT TÁI CẤU TRÚC

MÃ SÔ: B2005 - 19 - 49

Tp Hồ Chí Minh, 2006

S 0 9

S KC 0 0 1 9 6 8

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG

PHÁP CHỐNG QUÁ TẢI

LƯỚI ĐIỆN BẰNG GIẢI THUẬT TÁI CẤU TRÚC

ĐỀ TÀI CẤP BỘ CHUYÊN NGÀNH: ỨNG DỤNG MÃ SỐÕ: B2005 - 19 - 49

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2006

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

MỤC LỤC

I Đặt vấn đề

II Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

III Phạm vi nghiên cứu

IV Điểm mới của đề tài

V Giá trị thực tiễn của đề tài

VI Bố cục của đề tài

I Giới thiệu

1 Đặc điểm của lưới điện phân phối

2 Các lý do vận hành hở lưới điện phân phối

3 Các bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ở góc độ vận hành

4 Thực trạng lưới phân phối hiện nay của Việt Nam

II Các phương pháp giải bài toán 4 - Tái cấu trúc lưới cân bằng tải

1 Quy tắc Heuristic

2 Phương pháp hệ chuyên gia

3 Các phương pháp khác

III Kết luận

1 Các kỹ thuật giải bài toán tái cấu trúc lưới

2 Phương án giải quyết của đề tài

Chương II : Giải thuật Heuristic Mờ tái cấu trúc lưới cân bằng tải (trang 24 45)

I Giới thiệu

II Mô tả lưới điện phân phối

1 Các quy ước của lưói điện phân phối

2 Ví dụ minh hoạ

3 Mô tả toán học thao tác chuyển tải

III Xây dựng hàm mục tiêu cân bằng tải

IV Giải thuật Heuristic Mờ

1 Trình tự giảm hàm S

3 Các điều kiện vận hành quan hệ mờ

4 Lưu đồ giải thuật

V Ví dụ kiểm tra

VI Kết luận

Chương III : Ứng dụng trên lưới điện phân phối ĐL Phú Thọ - TP.HCM

(Trang 46 54)

I Đặc điểm lưới điện phân phối của Điện Lực Phú Thọ

1 Đặc điểm:

2 Nguồn và Lưới điện

3 Công tác vận hành

II Giải thuật Heuristic Mờ

1 Khả năng

2 Môi trường - cấu hình máy tính

III Kết quả sử dụng giải thuật Heuristic mờ trên LĐPP ĐL Phú Thọ

1 Chế độ vận hành bình thường

2 Chế độ vận hành sau sự cố

IV Kết Luận

Chương IV : Kết luận & phụ lục

This research presents a Heuristic fuzzy algorithms for load balancing oftransformers and feeders of a distribution system by network reconfiguration Thegoals and new points of this thesis read follows:

1 The goals ofresearch:

1.1 Generally reseaching on the methods of network reconfiguration forload balancing in distribution system

1.2 Bringing out a new algorithms for network reconfiguration for loadbalancing

Chi Minh City

2.1 Useing Heuristic algorithms with fuzzy approach to the problem “ networkreconfiguration for load balancing”

2.2 Applying algorithms to calculated and operate the distribution system in HoChi Minh City (Phu tho power sector)

CHƯƠNG 0:

GIỚI THIỆU NGHIÊN CỨU

I ĐẶT VẤN ĐỀ

II MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA NGHIÊN CỨU

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU.

IV ĐIỂM MỚI CỦA NGHIÊN CỨU

V GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU

VI BỐ CỤC CỦA NGHIÊN CỨU

I Đặt vấn đề

Hệ thống điện phân phối đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện đếnhộ tiêu thụ Vì lý do kỹ thuật, nó luôn được vận hành hình tia, mặc dù được thiết kếtheo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy trong quá trình cung cấp điện Sự cố quá tảitrên lưới phân phối thường xuyên xảy ra do sự thay đổi tải liên tục Do đó nghiêncứu các biện pháp để khôi phục lưới cân bằng tải khi có sự cố quá tải xảy ra trênlưới phân phối là nhu cầu cấp bách và có thể mang lại nhiều lợi ích kinh tế

Do có nhiều cấp điện áp phân phối khác nhau (6.6, 10, 15, 22, 35 kV) nên cấu trúclưới điện phân phối trong vận hành ít thay đổi Các thiết bị đóng cắt Recloser vàmáy cắt có tải (LBS) không được điều khiển từ xa và có số lượng không đáng kể,các tổ đấu dây của máy biến áp tại các trạm trung gian không thống nhất cho nênđể tái cung cấp điện cho khách hàng:

+ Khi có sự cố xảy ra: sau khi loại bỏ phần tử bị sự cố cần phải tái cấu trúc lướiđể cung cấp điện do đó cần phải chống quá tải và cân bằng tải

+ Khi phụ tải tăng đột biến cần phải chuyển tải để chống quá tải, cân bằng tải.+ Khi phụ tải tăng nhanh hơn mức đầu tư của lưới: để đảm bảo khả nẳng tải củahệ thống cần phải tạo được cân bằng tải trên toàn hệ thống Do đó việc tái cấutrúc lưới là rất cần thiết để chống quá tải, cân bằng tải

Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm cân bằng tải trongđiều kiện phải thoả mãn các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khoá điện trên hệthống điện phân phối là điều vô cùng khó khăn đối với các điều độ viên Do đóluôn cần một phương pháp phân tích phù hợp với lưới điện phân phối thực tế và mộtgiải thuật đủ mạnh để tái cấu trúc lưới trong điều kiện thoả mãn các mục tiêu điềukhiển của các điều độ viên

Các giải thuật tái cấu trúc lưới luôn được xem xét ở hai góc độ thiết kế và vậnhành Ở góc độ thiết kế, cần phải chỉ ra vị trí đặt khoá điện và sử dụng loại khoá gì

(máy cắt, máy cắt có tải, dao cách ly …) để có thể nhanh chóng cân bằng tải saocho số lần thao tác đóng cắt nhỏ nhất, giúp điều độ viên có không gian điều khiểnđủ lớn đáp ứng nhu cầu phụ tải ngày càng tăng trong tương lai Ở góc độ vận hành,dựa vào các vị trí khoá điện có sẵn, điều độ viên phải chỉ ra cấu trúc vận hành saocho lưới điện cân bằng tốt nhất Khi có sự cố hay cần sửa chữa lưới điện, cần phảitái cấu trúc lưới điện sao cho giảm thiểu số lượng khách hàng bị mất điện, chốngquá tải các phần tử trên lưới, đảm bảo chất lượng điện năng.

II Mục tiêu và nhiệm vụ của nghiên cứu

1 Nghiên cứu tổng quan các phương pháp Heuristic, Hệ chuyên gia tái cấu trúclưới phân phối cân bằng tải trong hệ thống điện

2 Đề nghị giải thuật mới tái cấu trúc lưới cân bằng tải

3 Ưùng dụng lưới điện phân phối điện lực Phú Thọ - TP Hồ Chí Minh

III Phạm vi nghiên cứu

Dựa trên nghiên cứu tổng quan các phương pháp tái cấu trúc lưới cân bằng tải, đưa

ra phương pháp mới giải quyết

đóng/ cắt các khoá điện ( Recloser, LBS, DS ….) để đạt trạng thái vận hànhcân bằng nhằm giảm thiểu khả năng xảy ra sự cố quá tải khi tải thay đổi hoặckhi tái cấu trúc sau sự cố

IV Điểm mới của nghiên cứu

lưới cân bằng tải

V Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

pháp tái cấu trúc lưới cũng như ưu nhược điểm của từng phương pháp

- Thuật toán đề nghị giải bài toán tái cấu trúc lưới cân bằng tải có thể áp dụngđể đưa ra cấu trúc lưới điện vận hành ít xảy ra sự cố nhất Điều này có thểđược ứng dụng để vận hành lưới điện phân phối TP.HCM trong những ngàylễ khi mà tải liên tục thay đổi.

VI Bố cục của nghiên cứu

Luận văn được trình bày trong 5 chương

Chương 0 : Giới thiệu nghiên cứu

Chương I : Tổng quan lưới phân phối và phương pháp tiếp cận của luận văn

Chương II : Giải Thuật Heuristic Mờ tái cấu trúc lưới cân bằng tải

Chương III : Ứng dụng trên lưới điện phân phối điện lực Phú Thọ - TP.HCM

Chương IV : Kết Luận

Phụ Lục Và Tài Liệu Tham Khảo

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN LĐPP VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN CỦA ĐỀ TÀI.

CẤU TRÚC LƯỚI CÂN BẰNG TẢI

I Giới Thiệu

1 Đặc điểm của lưới điện phân phối

Hệ thống điện phân phối là lưới điện chuyển tải điện năng trực tiếp từ các trạmbiến thế trung gian đến khách hàng Đường dây truyền tải thường được vận hànhmạch vòng hay mạch hở, còn các đường dây phân phối điện luôn được vận hành hởtrong mọi trường hợp Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cầnsử dụng loại relay quá dòng Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầuhết các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đường dây kế cận đượccấp điện từ một trạm biến áp trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đườngdây bị sự cố Việc khôi phục lưới được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắtcác cặp khoá điện nằm trên các mạch vòng, do đó trên lưới phân phối có rất nhiềukhoá điện

Một đường dây phân phối luôn có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh hoạt,thương mại dịch vụ, công nghiệp …) và các phụ tải này được phân bố không đồngđều giữa các đường dây Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luônthay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa Vì vậy, trên các đường dây, đồthị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ Điềunày gây ra quá tải đường dây và mất cân bằng trên lưới điện phân phối

Để chống quá tải đường dây, các điều độ viên sẽ thay đổi cấu trúc lưới điện vậnhành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khoá điện hiện có trên lưới Vì vậy, trongquá trình thiết kế, các loại khoá điện (Recloser, LBS,DS…) sẽ được lắp đặt tại các

vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng/cắt các khóa này vừa có thể tăng không gianđiều khiển Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, vì vậyxuất hiện nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụthể Tuy nhiên, các điều kiện vận hành lưới phân phối luôn phải thoả mãn các điềukiện:

- Cấu trúc vận hành hở

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

- Các hệ thống bảo vệ relay phải thay đổi phù hợp

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải

Hình 1.1 Mô tả một lưới điện phân phối đơn giản gồm có 3 nguồn và nhiều khoáđiện

Khoá 10, 21, 11 và 22 ở trạng thái mở để đảm bảo lưới điện vận hành hở Tất cả tảitrong hệ thống phân phối chỉ được cung cấp bởi một nguồn thông qua mạng phânphối Những khoá điện 10, 11, 21 và 22 là những khoá điện thường mở giữa haituyến dây khác nhau, có thể đóng để chuyển tải đến những tuyến dây khác Nhữngkhoá điện 19, 15, 14 và 18 là những khoá điện thường đóng dọc theo tuyến dây, cóthể mở để cô lập sự cố Để đảm bảo cấu trúc hình tia có thể điều khiển bằng cáchthay đổi các trạng thái đóng mở của các khoá điện Bằng cách đóng các khoá điệnthường mở và mở các khoá điện thường đóng thì tải có thể được chuyển từ tuyếndây này đến tuyến dây khác hoặc từ máy biến áp (MBA) này đến máy biến ápkhác Ví dụ như đóng khoá điện 10 mở 14 để chuyển tải 11 từ MBA 2 sang MBAsố 1, đóng 21 mở 15 để chuyển tải 12 từ MBA 2 sang MBA 3 hoặc đóng 22 mở 19để chuyển tải 16 từ MBA 2 sang MBA số 3 Việc phân tích lựa chọn các cáchchuyển tải này là nội dung của các giải thuật tái cấu lưới cân bằng tải tức là phân

11 10

Nút tải

18 10

11 3

1

5

6 7 8

9

13

14 15

26

27

30

28 29 31

6

2

4 5

22 7

8

9

Hình 1.1

bố công suất tải trên các đường dây và máy biến áp sao cho phù hợp với khả năngmang tải của chúng

2 Các lý do vận hành hở lưới điện phân phối

Lý do vận hành hở lưới phân phối xuất phát từ nét đặc trưng của lưới phân phối:

nhiều hơn lưới truyền tải từ 5-7 lần nhưng mức đầu tư chỉ hơn từ 2-2.5 lần

rộng, nên khi có sự cố, mức độ thiệt hại do gián đoạn cung cấp điện ở lưới điệnphân phối gây ra cũng ít hơn so với sự cố của lưới điện truyền tải

Do những nét đặc trưng trên, lưới điện phân phối cần vận hành hở dù có cấu trúcmạch vòng vì các lý do như sau:

vòng kín nên dòng ngắn mạch bé khi có sự cố Vì vậy chỉ cần chọn các thiết bịđóng cắt có dòng ngắn mạch chịu đựng và dòng cắt ngắn mạch bé, nên mức đầu

tư giảm đáng kể

rẻ tiền như relay quá dòng, thấp áp … mà không nhất thiết phải trang bị các loạirelay phức tạp như định hướng, khoảng cách, so lệch … nên việc phối hợp bảovệ relay trở nên dễ dàng hơn, mức đầu tư cũng giảm xuống

tải (LBFCO: Load Break Fuse Cut Out) để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trêncùng một đoạn trục và phối hợp với Recloser để tránh sự cố thoáng qua

hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố

lưới hình tia

3 Các bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ở góc độ vận hành

a Bài toán thiết kế

b Bài toán vận hành

c Bài toán bù công suất

Trong phạm vi luận văn này, chỉ quan tâm đến bài toán vận hành Các vấn đề đặt ratrong vận hành lưới điện phân phối:

Trong trường hợp bình thường:

- Vận hành sao cho cấu trúc lưới điện có tổn thất năng lượng nhỏ nhất

- Vận hành sao cho tải cân bằng để giảm thiểu khả năng quá tải trạm biến ápvà đường dây

Trong trường hợp sự cố:

- Nhanh chóng cô lập vùng bị sự cố

- Khôi phục cung cấp điện kịp thời cho các phụ tải bị ảnh hưởng

- Cân bằng tải giữa các đường dây và máy biến áp

Các vấn đề trên có thể được giải quyết bằng các thao tác đóng cắt các cặp khoáđiện hay còn gọi là tái cấu trúc lưới Do các yêu cầu trên đòi hỏi khi vận hành lướiđiện phân phối, cho nên đã xuất hiện nhiều bài toán vận hành lưới điện phân phốivới các hàm mục tiêu được mô tả như sau:

để chi phí vận hành bé nhất

sát để tổn thất năng lượng bé nhất

bé nhất

- Bài toán 4: Tái cấu trúc lưới điện cân bằng tải (giữa các đường dây, máybiến thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của lưới điện.

suất bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt ápcuối lưới bé nhất cùng đồng thời xảy ra (Hàm đa mục tiêu)

4 Thực trạng lưới phân phối hiện nay của Việt Nam:

Nhìn chung, cấu trúc lưới phân phối hiện nay của Việt Nam ít thay đổi, chi phíchuyển tải lớn và phải cắt điện khi chuyển tải vì:

giữa các miền các cấp điện áp này cũng khác nhau (6.6 , 10, 15, 22, 35 kV)

không đáng kể nên chí phí đóng/cắt lớn và thời gian chuyển tải lâu

phải cắt điện khi chuyển tải, điều này làm gián đoạn việc cung cấp điện và gâythiệt hại cho khách hàng sử dụng điện

việc chuyển tải sao cho cấu trúc có tổn thất năng lượng là bé nhất

cung cấp điện cho nên cần phải có cấu trúc chống quá tải và cân bằng tải

bằng tải

thống cần phải chọn mục tiêu là cân bằng tải

Vì các lý do trên trong luận văn này đề nghị mục tiêu vận hành lưới điện phân phốiphù hợp với điều kiện việt Nam hiện này là:

“Tái cấu trúc lưới điện chống quá tải, cân bằng tải ( giữa các đường dây vàmáy biến thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của lướiđiện – bài toán 4”.

II) Các phương pháp giải bài toán – tái cấu trúc lưới phân phối cân bằng tải

Để giải quyết bài toán tái cấu trúc lưới hệ thống điện phân phối, trước tiên phải xâydựng hàm mục tiêu Ví dụ mục tiêu là cân bằng tải trên toàn hệ thống

Vấn đề tái cấu trúc hệ thống cũng tương tự như việc tính toán phân bố công suất tối

ưu Tuy nhiên, tái cấu trúc yêu cầu một khối lượng tính toán lớn do có nhiều biến sốtác động đến các trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành như : Lưới điện phânphối phải vận hành hở, không quá tải máy biến áp, đường dây, thiết bị đóng cắt…

Về mặt toán học, tái cấu trúc lưới là bài toán qui hoạch phi tuyến rời rạc theo dòngcông suất chạy trên các nhánh, tại [32] vấn đề tổn thất liên quan với cân bằng tảiđược trình bày như sau:

 

n 1 i

n 1

 Vij : Sụt áp trên nhánh ij

t

f

t

f

không làm việcHàm mục tiêu (1-1) thể hiện mức quá tải trên toàn lưới phân phối, có thể đơn giảnhoá hàm mục tiêu bằng cách xét dòng công suất nhánh chỉ có thành phần công suấttải và điện áp các nút tải là hằng số Biểu thức (1-2) đảm bảo cung cấp đủ côngsuất theo nhu cầu của các phụ tải Điều kiện chống quá tải tại trạm trung gian vàsụt áp tại nơi tiêu thụ được trình bày qua (1-3) và (1-4) Biểu thức (1-5) đảm bảorằng các trạm biến áp hoạt động trong giới hạn công suất cho phép, trong khi mạngphân phối hình tia được đảm bảo qua (1-6)

Với mô tả trên, tái cấu trúc hệ thống lưới điện phân phối là bài toán qui hoạch phituyến rời rạc Hàm mục tiêu bị gián đoạn, rất khó để giải bài toán tái cấu trúc bằngphương pháp giải tích toán học truyền thống [34,35,36] Do đó khi tiếp cận bài toántái cấu trúc lưới cân bằng tải các nhà khoa học đều cho rằng phương pháp giải tíchtoán học không hiệu quả bằng các phương pháp tìm kiếm

Các phương pháp tìm kiếm sử dụng trong bài toán tái cấu trúc lưới lưới điện phânphối cân bằng tải thường là: Quy tắc Heuristic [12], Hệ chuyên gia[41]

1 Quy tắc Heuristics

Bản chất phi tuyến rời rạc của bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối đã tạo tiềnđề cho các nỗ lực nghiên cứu theo hướng sử dụng kỹ thuật chỉ thuần túy dựa trêngiải thuật heuristics Các giải thuật này có cùng đặc điểm là sử dụng các công thứcthực nghiệm để đánh giá mức độ cân bằng tải liên quan đến thao tác đóng cắt vàgiới thiệu một số qui luật nhằm giảm số lượng xem xét các khóa điện Tiêu biểucho các qui tắc Heuristic trong bài toán xác định cấu trúc lưới điện là qui tắc của

Yuan – Yih Hsu[12] Tác giả đưa ra giải thuật áp dụng luật Heuristic để chỉ ra đượctrạng thái các khoá điện nhằm đạt đựơc cân bằng tải trong vận hành.

Thuật toán này đề nghị nên vận hành tải cân bằng theo khả năng tải của máy biếnáp và đường dây Nếu vận hành lưới điện phân phối theo mô hình này thì mỗi máybiến áp và đường dây đều có khả năng tải dự phòng như nhau ( theo khả năng tảiđịnh mức) Do đó có thể hạn chế được tình trạng quá tải khi tải thay đổi

Các điều kiện vận hành

 Tất cả các tải trên đường dây đều biết

 Cấu trúc của lưới phân phối giữ cố định Chỉ có thể thay đổi trạng thái đóng/mở của các khoá điện

 Phải duy trì cấu trúc mạng hình tia

 Không có bộ phận đường dây nào bị mất điện

 Giả thiết tải ba pha là cân bằng

Hình 1.2

Sw18 se16

f5

T2

Sw7 Se8

Sw9 Se9

Se5

Sw5 Se6

f3

Sw11 Sw10

T4 Se17 se11 f6

f 1

se15 Sw17Sw16

Sw13

Sw4 Se4

Sw3 Se3

T1

Sw1 Sw2 f1

Se2 se1

Sw8

f4

Máy biến áp chính TiKhoá điện đóngKhoá điện mở

fi Đường dây fi

se Đoạn dây sei

sw Khoá điện

Các thông số trong [12] được định nghĩa như sau:

thống)

thức sau:

Tuy nhiên lưới phân phối luôn được vận hành hở và vấn đề tồn tại sự cân bằng nêutrên hầu như không xảy ra Nên vấn đề đặt ra là giảm độ lệch giữa các công suất

phương pháp bình phương cực tiểu được tác giả đề nghị Độ lệch giữa các hệ số lầnlượt là:

Hàm mục tiêu J như sau:      

fi

2 fi Tj

1 Nhập công suất định mức, giá trị tải và trạng

thái khoá điện

6 Thực hiện chuyển tải giữa hai lộ này

7 Tính lại công suất P và Q, các độ lệch LTjvà

Lficủa các phần tử

9 Kiểm tra quá tảiDừng

2 Xác định tập nguồn đường dây

5 Chọn lộ ra có LTj > 0 và Lfi< 0 cho chuyển tải

3 Tính toán công suất tải thực, hữu ích, hệ sốmang tải của hệ thống và dòng công suất đềnghị

4 Chọn lộ ra có LTj< 0 và Lfi> 0 để chuyển tải

Bắt đầu

Khôngho

Có

8 Cần chuyển tảinữa không

Giải thuật Yuan – Yih – Hsu có những ưu điểm sau:

hành với tải gần định mức

Tuy nhiên giải thuật cũng còn nhiều nhược điểm:

các nhánh dây

2 Phương pháp hệ chuyên gia

Có nhiều nghiên cứu giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối bằng cách sửdụng hệ chuyên gia Có thể nói, hệ chuyên gia đã phối hợp được cách sử dụng cácgiải thuật kết hợp Heuristics và tối ưu hóa cũng như các giải thuật thuần túyHeuristic với các luật bổ sung dựa trên các điều kiện ràng buộc trong vận hành

Taylor và Lubkeman [41] đưa ra một hệ chuyên gia tái cấu trúc hệ thống phân phốidựa trên sự mở rộng các luật của Civanlar [8] Taylor và Lubkeman mô tả các mụctiêu cơ bản của họ như tránh quá tải máy biến áp, quá tải đường dây và độ sụt ápkhông bình thường Tác giả cho rằng việc sử dụng chiến lược tìm kiếm ưu tiên cóthể giảm được thời gian giải Năm tập luật khác nhau được đưa ra, sau mỗi quyếtđịnh cần phải chạy phân bố công suất để cập nhật trạng thái vận hành của mạng.Xét mô hình tái cấu trúc hệ thống phân phối và các điều kiện vận hành được Taylorvà Lubkeman đề nghị như sau

Các điều kiện vận hành khi tái cấu trúc lưới điện phân phối

trung gian qua các đường dây phân phối

điện với trạng thái có thể là đóng hoặc mở

nhau, khóa điện này có thể đóng để chuyển tải đến các tuyến dây khác

nó có thể mở để cô lập các sự cố hoặc bảo dưỡng cấu trúc hình tia của một hệthống phân phối Cấu trúc và cách chuyển tải của mạng hình tia có thể đượcđiều khiển bằng cách thay đổi các trạng thái đóng - mở của những khóa điệnnày

Như vậy, bằng cách đóng một khóa điện liên kết và mở một khóa điện cách ly, tảicó thể chuyển từ tuyến dây này sang tuyến dây khác hoặc từ máy biến áp này sangmáy biến áp khác

11 10

Nút tải

18 10

11 3

1

5

6 7 8

9

13

14 15

26

27

30

28 29 31

6

2

4 5

22 7

8

9

Hình 1.4

Mục đích của chiến lược tìm kiếm Heuristic được Taylor đề nghị nhằm loại bỏ mộtcách hiệu quả nhất các vấn đề quá tải máy biến áp và các vi phạm ràng buộc vềquá điện áp / nhiệt bằng cách xác định các trạng thái đóng mở các khoá điện tronghệ thống.

Để giải quyết các vấn đề tái cấu trúc đường dây, Taylor đề nghị một cấu trúc hìnhcây ( Hình 1.5) với mỗi nút của cây là một nguồn của một số nhánh tương ứng vớikhoá điện mở được kết nối đến các tuyến dây máy biến áp Mục đích cuối cùng làtìm ra được cấu trúc hình cây mà sẽ loại bỏ quá tải và các ràng buộc của hệ thống

Với cách tiếp cận tìm kiếm hình cây này, chỉ có hiệu quả ở mạng hình cây khôngqúa lớn Khi sơ đồ tìm kiếm hình cây lớn, cần phải tốn rất nhiều thời gian và nănglượng để tìm ra lời giải tối ưu và gần tối ưu Số lần vận hành khoá điện có thể xemxét để loại bỏ các vi phạm hệ thống trở nên rất lớn Do đó, nếu chiến lược này đượcthực hiện trong thực tế có thể tốn rất nhiều thời gian để tìm ra lời giải

Để giảm thời gian tìm kiếm, đảm bảo lời giải tối ưu Taylor đã đề nghị một cây tìmkiếm Exhaustive để đánh giá tất cả các nút của hình cây và đồng thời kết hợp vớitìm kiếm Heuristic để có thể giảm số đường dẫn Ưu điểm của chiến lược này là cóthể chỉ ra lời giải tối ưu hoặc gần tối ưu Cấu trúc lưới điện cuối cùng được tìm thấyđã dựa trên kỹ thuật tìm kiếm ưu tiên và tìm kiếm Exhaustive tức là tìm cả chiềusâu và chiều rộng Taylor đã coi bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối như là bài

Trạng thái ban đầu

c11 018

c21 015

c10

014

Hình 1.5 Cây tìm kiếm loại bỏ quá tải

toán tối ưu Để tìm ra đường ngắn nhất thoả mãn hàm mục tiêu, Taylor đã đề xuất ýtưởng như sau:

Từ điểm khởi đầu, liệt kê tất cả các khoảng cách từ điểm xuất phát đến đích, rồichọn khoảng cách nào ngắn nhất ( nút con cấp 1) Tiếp tục liệt kê tất cả các khoảngcách từ (nút con cấp 1) đến nút đích rồi chọn khoảng cách nào ngắn nhất Quá trìnhnày được lập lại cho đến khi tìm được nút đích (Hình 1.6)

Trong đó A là nút đầu và G là nút đích Bắt đầu từ A không phải là nút đích pháttriển ra các nút B và C Lúc đó đo khoảng cách từ B đến nút đích ngắn hơn hơnkhoảng cách từ nút C đến nút đích, thì B được lựa chọn để phát triển Khi đó cả Dvà E đều là nút đích Tiếp tục đo khoảng cách từ mỗi nút này đến nút đích được tínhtoán Khoảng cách đo được từ nút E đến nút đích lớn khoảng cách từ nút D đến đíchbởi vậy E được chọn để khai triển và từ E tìm tới nút đích G, quá trình tìm kiếmđược xác định

Vơi chiến lược tìm kiếm Heuristic trong cấu trúc hình cây có ưu điểm: giảm khônggian tìm kiếm mà vẫn tiến tới một giải pháp tối ưu hoặc gần tối ưu đồng thời kếthợp với trí tuệ nhân tạo để tìm ra cấu trúc tốt nhất, có thể chỉ ra được giải pháp đếnđích giải pháp nào không cần thiết thì loại bỏ Nhưng vẫn còn tồn tại một số nhượcđiểm: Do phải xét trên từng nhánh của hình cây nên lời giải lâu, giải lại bài toán

A B

D I

E

C

H F

10 0 4.0

3.0

3 0

5 0

6.0 7.0 2.0

0.0 1 0 Hình 1.6 cây tìm kiếm ưu tiên -

phân bố công suất nhiều lần, có thể rơi vào cực tiểu địa phương, phụ thuộc vào cấutrúc ban đầu.

Để khắc phục được các nhược điểm trên Taylor đã đề nghị một hàm mục tiêu kếthợp với các luật Heuristic trong hệ chuyên gia để tìm ra được cấu trúc lưới điện tốtnhất

n 2

NC

TAL: Tổng tải thực (KVA) trong hệ thống dưới điều kiện xem xét Đây là tổng tấtcả tải thực của MBA

TNC: Tổng công suất định mức (KVA) trong hệ thống dưới điều kiện xem xét Đâylà tổng của tất cả các dung lượng định mức của MBA

dịch chuyển qúa tải và các điều kiện ràng buộc trong hệ chuyên gia do Taylor đềnghị như sau

1) Bắt đầu với máy biến áp quá tải nhất(OLT) Xác định các MBA có đoạn nốitrực tiếp tới OLT Những MBA này được xem xét đầu tiên, gọi là FLTs

2) Nhận dạng tất cả các khoá điện liên kết giữa OLT và FLTs

3) Loại bỏ các khoá điện liên kết được chọn có khả năng gây quá nhiệt trên đoạndây khi chuyển tải Điều này biết được từ sự so sánh một biểu thức toán học đơngiản giữa khả năng nhiệt (KVA) của đoạn thường mở với tải(KVA) chuyển quakhoá điện này

4) Xem xét mỗi khoá điện liên kết được chọn; đóng khoá điện này và mở khoáđiện cách ly để chuyển tải kết nối từ OLT đến FLT Cập nhập KVA tổng trênOLT và FLT trong việc chuyển tải theo các luật sau đây:

RULE(1) IF khoá điện này tác động, quá tải MBA được loại trừ và không tạo quátải trên MBA FLT THEN đây là một giải pháp chọn cho vấn đề quá tải MBA.RULE(2) IF khoá điện này tác động, quá tải MBA không được loại trừ nhưngkhông tạo ra quá tải mới trên MBA FLT THEN ứng dụng khoá điện này; thay đổimô hình của OLT và FLT; lặp lại RULE(1) -(4) cho tất cả việc chọn một khoá điệntiếp theo

RULE(3) IF khoá điện này tác động, quá tải MBA không được loại trừ nhưng tạo

ra một quá tải mới trên MBA OLT THEN không chọn khoá điện này

RULE(4) IF khoá điện này tác động, quá tải MBA được loại trừ nhưng một MBAmới quá tải được tạo ra trên FLT THEN chỉ chọn khoá điện này Nếu không có giảipháp nào thu được kết quả như các luật trên Sau đó áp dụng khoá điện này, lặp lạiRULE(1) -(4) cho tất cả việc chọn khoá điện mới

RULE(2) và RULE(4) là nguyên nhân tạo ra cấu trúc hình cây Trong trường hợpcó nhiều hơn một giải pháp về vấn đề quá tải MBA thì cần phải chọn một giải phápcó tiêu chuẩn tối ưu Trong chiến lược tìm kiếm này một giải pháp mà có thể phânphối tải trên MBA cân bằng nhất thì được chọn là giải pháp tối ưu

Các nguyên tắc của Taylor và Lubkeman có nhiều ưu điểm

Tuy nhiên vẫn còn một số nhược điểm

3 Các phương pháp khác.

Có nhiều phương pháp khác đã được đề xuất nhưng đều dựa trên kỹ thuật Heuristic.Các phương pháp này chủ yếu tập trung theo hướng tìm ra các giải pháp, công thứctinh tế hơn

Shirmohammadi và Hong [8] đề nghị một phương pháp đơn giản bằng cách đóng tấtcả các khoá điện lại tạo thành một lưới kín, sau đó giải bài toán phân bố công suấtvà tiến hành mở lần lượt các khoá có dòng chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điệnhình tia

Aoki [1] đề nghị một giải pháp gồm 2 giai đoạn: Phân bố các tải trên máy biến áptrước tiên, sau đó cân bằng tải giữa các tuyến dây Chuyển tải giữa các tuyến dâyvà các trạm biến áp thông qua các nối tuyến Công việc chuyển tải này được lặp lạicho đến khi đạt được cân bằng tải

Mahmoud Moghavvemi [23] đã trình bày mối quan hệ giữa cực tiểu tổn thất và cânbằng tải Mahmoud Moghavvemi cho rằng có thể cân bằng tải bằng cách sử dụnggiải thuật đổi nhánh để cực tiểu tổn thất Một hệ số cân bằng tải được đề nghị

2 i 1

i imax

i index

Hệ số tải này dùng để đánh giá mức độ cân bằng tải của hệ thống Nếu tải đượcchuyển mà làm cho hệ số này giảm thì hệ thống cân bằng tải, ngược lại nếu tảiđược chuyển mà làm cho hệ số này tăng thì hệ thống không cân bằng tải Do sửdụng giải thuật đổi nhánh nên phương pháp này có những ưu điểm: Nhanh chóngxác định được phương án tái cấu trúc có mức cân bằng tải nhỏ nhất xác định dòngtải tương đối chính xác Tuy nhiên vẫn còn một số nhược điểm: Mỗi bước tính chỉxem xét một cặp khoá điện trong một vòng, phụ thuộc vào cấu trúc ban đầu

M.A Kashem [24] đề nghị một phương pháp hình học để cân bằng tải Yù tưởng củaphương pháp là xác định vận hành khoá điện sao cho vòng tròn cân bằng tải lớn

nhất khi đó mức độ cân bằng tải là cao nhất Phương pháp này thực hiện bằng cáchxác định và so sánh bán kính của vòng tròn ( tương ứng với các dòng công suấttrong các nhánh) Mỗi mạch vòng của lưới điện là một vòng tròn Nếu không có sựthay đổi cân bằng tải nào thì các vòng tròn được ký hiệu là ( 0,0 ) và được gọi làvòng tròn thay đổi cân bằng tải zero Mức độ cân bằng tải tốt nhất tương ứng vớivòng tròn cân bằng tải kích cở lớn nhất Bằng cách so sánh bán kính của các vòngtròn thay đổi cân bằng tải zero, bán kính nào lớn nhất thì đó là vòng tròn cân bằngtải lớn nhất Sau đó xác định nhánh thay đổi trong vòng tròn cân bằng tải lớn nhấtbằng cách so sánh với nhánh thay đổi trong mỗi vòng tròn Nếu nhánh thay đổi nàomà làm cho tải cân bằng thì kích cở của vòng tròn sẽ giảm Vì vậy vòng tròn nàonhỏ nhất tương ứng có độ cân bằng tải cao nhất và nhánh được xem xét thay đổi lànhánh ưu tiên chọn lựa lớn nhất để cân bằng tải Ưu điểm của phương pháp có thểchỉ ra được lời giải tối ưu hoặc gần tối ưu, thời gian giải nhanh do không cần tìm tấtcả các nhánh trong tất cả các vòng tròn Nhưng vẫn còn một số nhược điểm: Rấtkhó thực hiện được đối với hệ thống lớn.

Tiểu biểu trong các phương pháp này là Bran – wu [4] khi đưa ra hàm mục tiêu cânbằng tải cho toàn bộ các phần tử trên lưới điện Hàm mục tiêu cân bằng tải có dạngnhư sau:

2 i 2 i i N

1 i

2 i 2 i 2 max i N

1 i

2 max i

2 i 2 i N

1 i

2

max i

i

S

1 S

Q P S

S C

ứng Với lý luận này, Baran [4] đã chuyển bài toán tái cấu trúc cân bằng tải thànhbài toán tái cấu trúc giảm tổn thất công suất

Baran và Wu [4] cố gắng cải tiến giải thuật của Civanlar bằng cách giới thiệu haiphép tính gần đúng cho dòng công suất và sụt áp trong quá trình chuyển tải Côngsuất tính toán trên nhánh theo Bran và Wu chỉ gồm thành phần công suất phụ tải, bỏqua thành phần tổn thất của các nhánh trước đó Thông qua việc sử dụng phươngpháp này, các khó khăn liên quan đến quá tải đường dây và sụt áp được xác địnhngay trong giải thuật chứ không phải sau khi kết thúc bài toán Baran còn cố gắngvượt qua nhược điểm lớn trong kỹ thuật “đổi nhánh” là dễ bị rơi vào cực tiểu địaphương bằng cách chỉ ra các trình tự đóng/mở khoá điện Tuy nhiên, giải thuật củaBaran và Wu dễ bị rơi vào các cực tiểu địa phương vì trình tự thay đổi nhánh có tínhchất tổ hợp Ngoài ra có nhiều giải thuật Heuristic [6,44] hệ chuyên gia [7,22] vàgiải thuật tối ưu [3,17] đã được đề nghị

III Kết luận:

1 Các kỹ thuật giải bài toán tái cấu trúc lưới cân bằng tải

cho rằng phương pháp giải tích toán học không hiệu quả bằng các giải thuật tìmkiếm

phối cân bằng tải có thể chia thành các hướng chính như sau: giải thuật tìm kiếmHeuristic kết hợp với giải thuật tối ưu; giải thuật chỉ dùng qui tắc Heuristic tronghệ chuyên gia…

nên tốn rất nhiều thời gian

Taylor và Lubkeman [41] Nhưng đơn giản và hiệu quả nhất là hàm mục tiêucủa Bran – wu [4]

2 Phương án giải quyết của nghiên cứu

Như đã trình bày, việc tìm ra cách giải tốt bài toán tái cấu trúc lưới cân bằng tải sẽlàm Module cho việc giải bài toán chống quá tải khi tải thay đổi Vì vậy mục tiêu

đầu tiên của luận văn là tập trung khắc phục các nhược điểm còn tồn tại của cácgiải thuật hiện có trong bài toán 4 Từ đó xây dựng giải thuật mới để nhanh chóngtìm ra được cấu trúc lưới cân bằng tải tốt nhất.

Sử dụng hàm mục tiêu tương tự như hàm mục tiêu của Bran – Wu [4]

CHƯƠNG II :

GIẢI THUẬT HEURISTICMỜ TÁI CẤU TRÚC LƯỚI CÂN BẰNG TẢI.

I GIỚI THIỆU

II MÔ TẢ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

III XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU CÂN BẰNG TẢI

IV GIẢI THUẬT HEURISTIC MỜ

IV VÍ DỤ KIỂM TRA

VI KẾT LUẬN

I Giới thiệu

Trong vận hành hệ thống điện phân phối, việc cân bằng tải giữa các đường dây vàmáy biến áp là một vấn đề rất quan trọng bởi vì nó có thể giảm rủi ro quá tải khi tảithay đổi hay khi khôi phục lưới sau sự cố Để chống quá tải xảy ra trên lưới, cácđiều độ viên sẽ thay đổi cấu trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/mở cáccặp khoá điện hiện có trên lưới quá trình này gọi là tái cấu trúc lưới Đã có nhiềuphương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối chống quá tải được đề nghị như: Quytắc Heuristic [5], Hệ chuyên gia [6] và giải thuật tối ưu [9]

Bên cạnh những ưu điểm như :

- Có thể giảm không gian tìm kiếm

- Kết quả tương đối chính xác

- Chỉ ra được trình tự đóng mở khoá điện

Nhưng vẫn còn tồn tại một số nhược điểm sau:

- Dể rơi vào cực tiểu địa phương

- Phụ thuộc vào cấu trúc lưới điện ban đầu

- Thời gian giải lâu, số vòng lặp nhiều

Trong chương này sẽ giới thiệu một giải thuật Heuristic Mờ có thể nhanh chóng chỉ

ra được cấu trúc cân bằng tải khi tái cấu trúc lưới trong thời gian ngắn

II Mô tả lưới điện phân phối tổng quát

1 Các qui ước của lưới điện phân phối tổng quát

Xét lưới điện phân phối tổng quát như hình 2.1, có các qui ước như sau:

- Gọi n là số nhánh của lưới điện phân phối Trên nhánh thứ i (i=1 n) gọi :

- Đoạn : Là tập hợp của các nhánh liên thông, giới hạn bởi các nút ngã 3 trở lên

Hình 2.1

Như vậy trong lưới điện sẽ có K vòng độc lập Ở đây qui ước chọn tập các vòngđộc lập sao cho thoả mãn:

+ Chiều dương (+) là chiều ngược chiều kim đồng hồ như hình 2.1

suất tự nhiên của nhánh thứ i trong lưới điện hở:

2 Ví dụ minh họa

Lưới điện 32 nút 37 nhánh [12] như hình2.2 trạng thái khoá điện và các vòng độclập trình bày tại bảng 2.1

Bảng 2.1: Tên khoá mở và tên các nhánh có trong từng vòng

Đoạn Nhánh thuộc đoạn

30

31

32

17 16 15 14

13

12 11

10

9

8 7

13 14

3 Mô tả toán học thao tác chuyển tải

Xét lưới điện phân phối đơn giản gồm: một nguồn và một vòng đơn đang có khoá

Hình 2.3 : Lưới điện phần phối một nguồn và một vòng đơnViệc chuyển tải đoạn NB thuộc tuyến dây ON sang tuyến dây OM tương ứng thaotác đóng khoá MN và mở khoá AB trên nhánh AB Sau khi chuyển tải, đoạn AB có

một lượng công suất Pj,Qj từ nhánh OM, đồng thời bơm vào nhánh MN cùng một

= 0

- Nhận xét: Bài toán tái cấu trúc lưới cân bằng tải được thay thế bằng bài toán tìmgiá trị công suất bơm vào/rút ra tại khoá điện mở để cực tiểu hàm mục tiêu cân

III Xây dựng hàm mục tiêu cân bằng tải:

Có nhiều hàm mục tiêu đề nghị giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối cânbằng tải Trong [6], Tim Taylor đề nghị một hàm mục tiêu chỉ xem xét đến cânbằng tải giữa các máy biến áp nguồn của lưới điện phân phối

n 2

A B

P AB ,Q AB

ALi : Tải thực của MBA thứ i

TAL: Tổng tải thực (KVA) trong hệ thống dưới điều kiện xem xét Đây là tổng tấtcả tải thực của MBA

TNC: Tổng công suất định mức (KVA) trong hệ thống dưới điều kiện xem xét Đâylà tổng của tất cả các dung lượng định mức của MBA

H.Yuan-Yih Hsu [5] cũng sử dụng hàm mục tiêu tương tự ở [41] nhưng áp dụngcho toàn bộ phần tử lưới điện gồm máy biến thế, khoá điện, đường dây

2

L

J

biến áp và đường dây

Nhưng đơn giản và hiệu quả nhất có lẽ là Baran [4], đã thành lập được mối quan hệgiữa cân bằng tải và cực tiểu tổn thất Baran [4] cho rằng khi tổn thất công suất nhỏnhất thì tương ứng với cân bằng tải tốt nhất Baran đề nghị hàm mục tiêu cân bằngtải như sau:

2 i 2 i i N

1 i

2 i 2 i 2 max i N

1 i

2 max i

2 i 2 i N

1 i

2

max i

i

S

1 S

Q P S

S C

ứng Do đó có thể sử dụng hàm F gần đúng [55] sau khi đã thay

2 h 2 h cb

( 2.1)

Nhận xét:

1 Nếu cấu trúc lưới điện hở nào có dòng công suất bơm vào/rút ra làm cho độ

P Q

P

h

moi h

moi h

cu h

cu h

loop 2

2 2

2 h

, cb

(2.2)

Độ lệch công suất trong vòng h

2 Dòng công suất bơm vào rút/ ra tại các khoá mở là dòng công suất nhánh tươngứng của lưới điện phân phối kín

3 Ưùng với một cấu trúc lưới điện hở bất kỳ có thể xác định dòng công suất bơm

tương ứng của lưới điện phân phối kín đã bỏ qua thành phần trở kháng củađường dây

giá trị này được tính trên cơ sở công suất nhánh của lưới điện kín

các cặp khoá điện đề nghị đóng mở

IV Giải thuật Heuristic Mờ:

2 h 2 h cb

h= 1….k) trong cùng một vòng bằng các giá trị khác bé hơn sao cho khi chấm dứt

- Đảm bảo khi mở các nhánh này, lưới điện phải có cấu trúc hình tia

- Trong K vòng của lưới phân phối, vòng h được chọn là vòng có mức độ giảm

Lý do phải chọn các cặp giá trị cùng vòng để giảm tối đa không gian tìm kiếm,

a Điều kiện đảm bảo lưới điện có cấu trúc hình tia

Để lưới điện có cấu trúc hình tia sau khi chuyển tải, cần phải xác định các cặp

khoá đóng/mở tương ứng trong mỗi vòng độc lập Với

có khả năng thực hiện thao tác mở Điều này đảm bảo cấu trúc hình tia và giảmđáng kể các cặp khoá cần quan tâm

vòng độc lập

- Cùng một lúc phải xem xét K vòng độc lập của lưới điện phân phối để có thểchọn được cặp khoá đóng/mở có độ chênh lệch công suất lớn nhất theo công

P Q

P

h

moi h

moi h

cu h

cu h

loop 2

2 2

2 h

, cb

Độ lệch công suất của vòng h (2-2)

2 Biến Ngôn Ngữ

a Mức độ cân bằng tải

Nếu một cấu trúc lưới điện có độ lệch công suất theo công thức (2.2) mà lớn nhấtthì cấu trúc lưới đó có mức độ cân bằng tải tốt Điều này được thể hiện bằng hàmquan hệ mờ như Hình 2.4

b Lượng công suất chuyển tải:

Nếu một cấu trúc lưới điện có khả nằng chuyển tải một lượng công suất lớn nhất

nhánh khác thì cấu trúc đó nhanh chóng cân bằng tải khi tái cấu trúc lưới sau sự cố

Điều này được thể hiện bằng hàm quan hệ mờ như Hình 2.5