Nghiên cứu thuật toán tái cấu hình lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng

Việc nâng cao chất lượng điện năng cũng có thể thực hiện bằng nhiều biện pháp hiệu quả nhưng yêu cầu vốn đầu tư lớn: nâng cao điện áp vận hành của lưới điện, tăng tiết diện dây dẫn, bù k

Hà Nội – Năm 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TRẦN TRỌNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

NHẰM GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG

Cuối cùng tác giả vô cùng biết ơn sự quan tâm, động viên của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian qua Nhờ đó, tác giả có thêm thời gian và nghị lực để hoàn thành luận văn

Tuy nhiên do hạn chế về kiến thức, tác giả rất mong nhận được sự quan tâm góp ý

và phê bình của các thầy cô, các đồng nghiệp và các bạn đọc

Xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Các kết quả tính toán trong luận văn này là do tôi tự thực hiện một cách trung thực và chưa từng được nêu ra trong bất kỳ bản luận văn nào khác

Hà Nội, tháng 09 năm 2014

Tác giả luận văn

Trần Trọng Nghĩa

LỜI MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề

Lưới điện phân phối điện là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng Lưới điện phân phối bao gồm lưới điện trung áp và lưới điện hạ áp

Cùng với tốc độ tăng trưởng kinh tế xã hội, tốc độ phát triển cả về quy mô và chất lượng hệ thống điện nói chung và lưới điện phân phối nói riêng đang diễn ra rất mạnh mẽ Dẫn đến công tác quản lý đầu tư xây dựng và quản lý vận hành đối với các đơn vị quản lý và vận hành điện ngày càng cao

Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện có thể thực hiện bằng các biện pháp cụ thể: thay thế các thiết bị cũ bằng các thiết bị tin cậy hơn, có đường dây dự phòng, có nguồn thay thế như máy phát… Các biện pháp này tuy đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cao nhưng yêu cầu vốn đầu tư lớn, chỉ thích hợp áp dụng cho các phụ tải quan trọng không được phép mất điện Trong thực tế để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, lưới phân phối thường sử dụng cấu hình mạch vòng nhưng vận hành hở Điểm

mở của mạch vòng được tính toán và lựa chọn sao cho tổn thất công suất hoặc tổn thất điện áp trên lưới là nhỏ nhất Do đó không những nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện mà chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng cũng được đảm bảo là tốt nhất

Việc nâng cao chất lượng điện năng cũng có thể thực hiện bằng nhiều biện pháp hiệu quả nhưng yêu cầu vốn đầu tư lớn: nâng cao điện áp vận hành của lưới điện, tăng tiết diện dây dẫn, bù kinh tế trên lưới điện, cải thiện cấu trúc và vật liệu để sản xuất các thiết bị điện có tổn thất nhỏ, …

Trong mạng phân phối điên, công suất tải trên mạng phân phối điện ngày càng tăng nhưng sự gia tăng công suất tải phải nằm trong giới hạn cho phép, trong khí đó cấu hình của mạng lại không thay đổi Từ đó sẽ làm cho tổn thất của mạng phân phối điện tăng nếu cấu hình mạng vẫn giữ nguyên Muốn giảm tổn thất người ta sẽ dùng các phương pháp như: đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lưới điện, … Nhưng nếu làm như thế sẽ đòi hỏi đầu tư rất nhiều mà hiệu quả giảm tổn thất điện năng lại không đáng kể

Một trong những biện pháp hiệu quả là ta có thể dùng phương pháp tái cấu hình để giảm tổn thất trên đường dây Có rất nhiều phương pháp để tái cấu hình trên lưới phân phối để tổn thất là nhỏ nhất đã được quan tâm nghiên cứu, áp dụng như được giới thiệu sơ bộ trong luận văn này thông qua các bài báo, tài liệu đã được công bố

II Mục tiêu và nhiệm vụ luận văn

Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu, xây dựng nội dung cho các vấn đề sau:

- Nghiên cứu tổng quan về bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối;

- Áp dụng kỹ thuật đổi nhánh – Branch Exchange trong bài toán tái cấu hình lưới điện;

- Áp dụng thuật toán trên một lưới điện mẫu của IEEE và lưới điện phân phối Thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh

III Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu vấn đề lựa chọn điểm mở tối ưu, tìm phương thức vận hành lưới điện phân phối theo hàm mục tiêu tổng tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện phân phối là nhỏ nhất và đảm bảo chất lượng điện năng (tái cấu hình lưới điện) Trình bày bài toán tái cấu hình và giới thiệu một số phương pháp cơ bản cho bài toán tái cấu hình lưới điện

Áp dụng cho bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối nhằm mục đích giảm tổn thất công suất

IV Bố cục luận văn

Luận văn được trình bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối

Chương 2: Tính toán trào lưu công suất

Chương 3: Áp dụng kỹ thuật đổi nhánh cho bài toán tái cấu hình lưới điện phân

phối; Ví dụ minh họa và áp dụng

Chương 4: Kết luận và định hướng nghiên cứu

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU iii

CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

CÁC BẢNG BIỂU viii

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN BÀI TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI PHÂN PHỐI 1

I.1 Giới thiệu chung về lưới điện phân phối 1

I.1.1 Khái niệm về lưới điện phân phối 1

I.1.2 Các đặc điểm và yêu cầu của lưới điện phân phối 1

I.1.3 Các thiết bị phân đoạn trên lưới phân phối trung áp 3

I.1.4 Tổn thất trên lưới điện phân phối 6

I.1.5 Các biện pháp giảm tổn thất công suất và bài toán tái cấu hình 7

I.2 Bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối 8

I.2.1 Mô hình toán học bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối 8

I.2.2 Các giả thiết trong bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối 10

I.2.3 Các mục tiêu khi xét đến bài toán tái cấu hình lưới điện 10

I.2.4 Tóm tắt một số phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối 11

I.2.5 Kết luận và nhận xét 24

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT 26

II.1 Xây dựng các hệ phương trình 26

II.1.1 Hệ phương trình cân bằng dòng nút 26

II.1.2 Hệ phương trình cân bằng công suất nút 28

II.2 Phương pháp Newton-Raphson 30

II.2.1 Cơ sở toán học 30

II.2.2 Ứng dụng trong giải tích lưới điện [9 ] 33

CHƯƠNG III: KỸ THUẬT ĐỔI NHÁNH TÁI CẤU HÌNH LƯỚI PHÂN PHỐI, VÍ DỤ MINH HỌA VÀ ÁP DỤNG 37

III.1 Kỹ thuật đổi nhánh trong tái cấu hình lưới điện phân phối [8] 37

III.2 Cấu hình chương trình 51

III.3 Ví dụ minh họa 54

III.4 Tính toán áp dụng 60

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ABC : Artificial Bee Colony

ACS : Giải thuật Ant Colony system

ACO : Giải thuật Ant Colony Optimization

BCO : Thuật toán tối ưu đàn ong

BE : Kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange

CDPT : Cầu dao phụ tải

CÁC BẢNG BIỂU

Bảng III.1.2 Ma trận nút – nhánh T 41

Bảng III.1.3 Dòng công suất trong ma trận 42

Bảng III.1.4 Ma trận khi đóng một nhánh 44

Bảng III.1.5 Ma trận mở một nhánh 45

Bảng III.1.6 Ma trận xác định được chiều dòng công suất 46

Bảng III.1.7 Ma trận mở nhánh C2 48

Bảng III.3.2 Thông số của lưới mẫu IEEE 33 nút 56

Bảng III.4.2 Thông số của lưới điện phân phối thành phố Hạ Long 62

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN BÀI TOÁN TÁI CẤU HÌNH LƯỚI PHÂN PHỐI

I.1 Giới thiệu chung về lưới điện phân phối

Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng

Một vài khái niệm về lưới điện phân phối:

- Lưới phân phối là phần lưới điện làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian (hoặc TKV hoặc thanh cái nhà máy điện) cho các phụ tải [14]

- Lưới điện phân phối là phần lưới điện bao gồm toàn bộ các đường dây và trạm biến áp có cấp điện áp từ 35kV trở xuống, các đường dây và trạm biến

áp có điện áp 110kV để thực hiện chức năng phân phối điện đến khách hàng

sử dụng điện [16]

Lưới phân phối trung áp ở Việt Nam có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối điện cho các trạm phân phối trung hạ áp, lưới hạ áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải

hạ áp

Một số đặc điểm chính của lưới điện phân phối:

- Mạng điện phân phối cung cấp trực tiếp đến các hộ tiêu thụ điện, dó đó so với mạng điện truyền tải thì mạng điện phân phối được trải rộng trên toàn bộ phạm vi phụ tải Số lượng các thiết bị, đường dây cũng nhiều hơn so với lưới truyền tải rất nhiều;

- Phương án vận hành của lưới điện phân phối thường được thay đổi thường xuyên khi có yêu cầu để đảm bảo cho phụ tải luôn được cấp điện Do đó trên lưới điện phân phối thường có nhiều các thiết bị đóng cắt hơn so với lưới truyền tải;

- Đặc điểm quan trọng của mạng điện phân phối đó là có cấu trúc hình tia, mạch vòng kín nhưng thường vận hành hở;

Việc lưới điện phân phối phải vận hành hở lưới phân phối xuất phát từ những đặc trưng của lưới phân phối:

- Số lượng phần tử như: lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù, phụ tải của lưới phân phối nhiều hơn lưới truyền tải từ 5-7 lần nhưng mức đầu tư chỉ hơn từ 2-2,5 lần;

- Tổng trở của lưới điện phân phối vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận hành vòng kín nên dòng ngắn mạch bé khi có sự cố Vì vậy chỉ cần chọn các thiết

bị đóng cắt có dòng ngắn mạch chịu đựng và dòng cắt ngắn mạch bé, nên mức đầu tư giảm đáng kể;

- Trên lưới phân phối, các khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ và

có phạm vi nhất định, nên khi có sự cố, mức độ thiệt hại do gián đoạn cung cấp điện ở lưới điện phân phối gây ra cũng ít hơn so với sự cố của lưới điện truyền tải;

- Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các loại relay đơn giản, giá thành thấp như relay quá dòng, thấp áp… mà không nhất thiết phải trang bị các loại relay phức tạp như có hướng, khoảng cách, so lệch… nên việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn, nên mức đầu tư cũng giảm xuống;

- Chỉ cần dùng cầu trì tự rơi (FCO: Fuse Cut Out) hay cầu trì tự rơi kết hợp cắt

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

- Khi sự cố, do vận hành hở, nên sự cố không lan tràn qua các phụ tải khác;

- Do được vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây dễ dàng hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố;

- Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới phân phối, thì phương án kinh tế là lưới hình tia

Từ các đặc trưng của lưới điện và yêu cầu kỹ thuật trong lưới phân phối, do đó lưới điện phân phối được thiết kế kín nhưng vận hành hở

(3) Các yêu cầu đối với lưới điện phân phối

Một số yêu cầu kỹ thuật cơ bản đối với lưới điện phân phối như sau:

- Đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật vận hành: Độ biến thiên điện áp, độ biến thiên tần số, sóng hài, độ tin cậy cung cấp điên, v.v… ;

- Đảm bảo điều kiện quá tải cho các thiết bị;

- Khi thiết kế lưới điện phân phối vận hành dễ dàng linh hoạt và phù hợp với việc phát triển lưới điện trong tương lai;

- Việc duy tu bảo dưỡng cho lưới phân phối phải đảm bảo chi phí nhỏ nhất

Để phân đoạn lưới phân phối nâng cao độ tin cậy, giảm thời gian gián đoạn cung cấp điện, ngoài các thiết bị cổ điển như dao cách ly, cầu dao phụ tải, người ta còn sử dụng một số thiết bị tự động để làm thiết bị phân đoạn như: máy cắt, dao cách ly tự động, máy cắt tự động đóng lại (Recloser) v.v

Việc quyết định sử dụng các thiết bị tự động cần phải xem xét từ nhiều khía cạnh của hệ thống cung cấp điện, phải phối hợp tốt nhiều mặt như chọn sơ đồ nối dây, chọn thiết bị, hình thức bảo vệ, trình độ vận hành và khai thác thiết bị tự động v.v với chi phí đầu tư tương ứng

DAS là hệ thống phân phối điện tự động điều hành bằng máy tính Trên lưới điện trung áp được phân đoạn bằng DAS có các ưu điểm nổi trội hơn so với các hệ thống lưới điện phân phối trung áp sử dụng các thiết bị phân đoạn nêu trên nhờ khả năng

tự động hóa, giám sát và điều khiển từ xa

DAS cung cấp chức năng điều khiển và giám sát từ xa các dao cách ly phân đoạn tự động, phối hợp giữa các điểm phân đoạn trên lưới điện phân phối trung áp, nhờ đó nhanh chóng cô lập được phân đoạn sự cố, khôi phục việc cung cấp điện năng cho các phần còn lại của hệ thống không bị sự cố

Lưới phân phối trung áp sử dụng hệ thống DAS có thời gian cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện cho các phân đoạn không bị sự cố rất nhỏ do đó độ tin cậy của lưới điện phân phối trung áp phân đoạn bằng DAS rất cao

Thực tế, do chi phí đầu tư khá cao cùng với hiện trạng của lưới điện phân phối trung

áp ở Việt Nam thường có tình trạng chắp vá, thiếu đồng bộ nên việc triển khai hệ thống DAS vẫn trong giai đoạn nghiên cứu khả thi Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ và yêu cầu về độ tin cậy của cung cấp điện, chất lượng điện năng của các phụ tải ngày càng cao thì xu hướng lắp đặt hệ thống DAS là tất yếu

Trên lưới điện phân phối phân đoạn bằng Recloser, khi xảy ra sự cố trên phân đoạn nào thì Recloser ở phân đoạn đó sẽ tác động cắt phân đoạn đó ra Sau một thời gian xác định Recloser tự động đóng trở lại Nếy là sự cố thoáng qua phân đoạn sự cố được khôi phục cấp điện trở lại Nếu là sự cố vĩnh cửu Recloser lại cắt và tách phân đoạn sự cố ra khỏi lưới điện Việc cung cấp điện được tiếp tục từ đầu nguồn đến phân đoạn nằm trước phân đoạn sự cố

Đối với đường dây trên không tỷ lệ sự cố thoáng qua rất cao như: phóng điện chuỗi

sứ khi quá điện áp, dây dẫn chạm nhau khi đung đưa do gió to, đường dây và thanh góp bị ngắn mạch bởi những vật khác nhau v.v… Vì vậy sử dụng Recloser có xác suất thành công cao, sử dụng hiệu quả với lưới trung áp trên không

Việc sử dụng Recloser, các sự cố thoáng qua sẽ được khôi phục cung cấp điện trong thời gian rất ngắn, do đó thiệt hại kinh tế do ngừng cung cấp điện được giảm đáng

kể Ngoài ra việc lắp đặt, thao tác và vận hành Recloser tương đối dễ dàng, do đó tuy giá thành cao nhưng hiện nay Recloser đã được sử dụng rộng rãi trên lưới điện phân phối của nước ta

DCLTĐ tại phân đoạn này sẽ tự động khóa lại, phân đoạn sự cố được cô lập, quá trình cung cấp điện cho các phân đoạn còn lại được tự động thực hiện sau đó Như vậy, ưu điểm của DCLTĐ làm giảm thời gian tìm kiếm xác định sự cố và thời gian gián đoạn cung cấp điện

Tuy nhiên, do DCLTĐ vẫn phải đóng cắt không tải nên khi chuyển tải, tái cấu hình lưới điện để cải thiện các thông số vận hành phải cắt nguồn cấp, gây ra tình trạng mất điện không cần thiết, làm giảm độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện Trong lưới điện phân phối trung áp của Việt Nam DCLTĐ chưa được sử dụng rộng rãi

Dao cách ly là loại cầu dao không có bộ phận dập hồ quang nên khi đóng hoặc cắt phải đảm bảo cầu dao không có điện hoặc không có dòng điện phụ tải Trên đường dây phân phối lắp đặt DCL, khi xảy ra sự cố máy cắt đầu nguồn sẽ cắt, quá trình cung cấp điện cho phụ tải bị ngừng Việc xác định điểm sự cố được thực hiện từ cuối đường dây ngược trở về đầu đường dây Trong khoảng thời gian không điện DCL ở phân đoạn cuối cùng của đường dây sẽ được cắt ra, việc thao tác này được thực hiện tại chỗ bằng tay Sau đó máy cắt đầu đường dây được đóng trở lại, nếu có

sự cố nằm ở phân đoạn cuối đường dây thì máy cắt sẽ không cắt ra nữa vì sự cố đã được loại trừ và các phân đoạn còn lại được khôi phục cung cấp điện Nếu sự cố không nằm ở phân đoạn này thì ta lại tiếp tục chu trình loại trừ sự cố bằng việc tiếp tục tách phân đoạn (n-1) ra khỏi đường dây, quá trình này được thực hiện cho tới khi tìm được phân đoạn sự cố k Máy cắt đầu đường dây đóng lại để cung cấp điện cho các phân đoạn còn lại

Do nhược điểm là đóng cắt không tải, không điều khiển từ xa được nên khi thao tác phải cắt điện đầu nguồn và phải thao tác DCL tại chỗ Do đó, thời gian thao tác lâu, đặc biệt khi xảy ra sự cố trên đường dây, nếu không phát hiện được bằng mắt thường phải đóng cắt thử từng DCL để phân đoạn cách ly điểm sự cố sẽ mất rất nhiều thời gian Đồng thời do phải đóng, cắt máy cắt nhiều lần sẽ làm giảm tuổi thọ của máy cắt và giảm độ ổn định cung cấp điện Tuy nhiên, vì các lý do kinh tế, tính chất, yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện của các hộ phụ tait thì DCL vẫn được sử dụng trên lưới, đặc biệt là các vùng ngoại thành, nông thôn

(5) Cầu dao phụ tải (CDPT)

Cầu dao phụ tải (CDPT) là thiết bị đóng và cắt được dòng điện phụ tải của lưới điện phân phối phù hợp với dòng định mức của nhà chế tạo Do khả năng đóng, cắt có tải nên khi thao tác không cần phải cắt điện, tránh hiện tượng mất điện không cần thiết của các phụ tải khi đổi nguồn, san tải v.v

Điểm hạn chế của CDPT là không kết hợp được với các thiết bị điều khiển từ xa, các thiết bị bảo vệ nên thời gian thao tác cô lập sự cố lâu do phải thao tác tại chỗ Tuy nhiên với ưu điểm đóng, cắt có tải, giá thành thấp, trong các trường hợp ngừng điện kế hoạch, CDPT có ưu điểm hơn hẳn so với DCL nên được sử dụng phổ biến trên lưới điện phân phối nước ta

Theo thống kê của các công ty điện lực trên cả nước, tổn thất điện năng trên lươi điện phân phối thông thường gấp từ 1,5-2 lần tổn thất trên đường dây truyền tải, lượng điện năng tổn thất tập trung trên hai loại tổn thất đó là tổn thất kỹ thuật và tổn thất thương mại

Tổn thất kỹ thuật: Tổn thất kỹ thuật trên lưới điện phân phối chủ yếu trên dây dẫn

và các máy biến áp phân phối Tổn thất kỹ thuật bao gồm tổn thất công suất tác dụng và tổn thất công suất phản kháng Tổn thất công suất phản kháng do từ thông

rò và gây từ trong các máy biến áp và cảm kháng trên đường dây Tổn thất công suất phản kháng chỉ làm lệch góc và ít ảnh hưởng đến tổn thất điện năng Tổn thất công suất tác dụng có ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất điện năng Thành phần tổn thất điện năng do tổn thất công suất tác dụng được tính như sau:

- Đường dây phân phối quá dài, bán kính cấp điện lớn;

- Tiết diện dây dẫn quá nhỏ, đường dây bị xuống cấp, không được cải tạo nâng cấp;

- Máy biến áp phân phối thường xuyên mang tải nặng hoặc quá tải;

- Máy biến áp là loại có tỷ lệ tổn thất cao hoặc vật liệu lõi từ không tốt dẫn đến sau một thời gian tổn thất tăng lên;

- Vận hành không đối xứng liên tục dẫn đến tăng tổn thất trên máy biến áp;

- Nhiều thành phần sóng hài của các phụ tải công nghiệp tác động vào các cuộn dây máy biến áp làm tăng tổn thất;

- Vận hành với hệ số cos thấp do thiếu công suất phản kháng

Tổn thất thương mại: Là tổn thất trong khâu kinh doanh điện năng, bao gồm:

- Trộm điện (câu, móc trộm);

- Không thanh toán hoặc chậm thanh toán hóa đơn tiền điện;

- Sai sót tính toán tổn thất kỹ thuật;

- Sai sót thống kê phân loại và tính hóa đơn khách hàng

Tổn thất phi kỹ thuật phụ thuộc vào cơ chế quản lý, quy trình quản lý hành chính,

hệ thống công tơ đo đếm và ý thức của người sử dụng Tổn thất phi kỹ thuật cũng một phần chịu ảnh hưởng của năng lực và công cụ quản lý bản thân các Điện lực, trong đó có phương tiện máy móc, máy tính, phần mềm quản lý

Như đã đề cập ở trên, tổn thất trên lưới phân phối bao gồm tổn thất kỹ thuật và tổn thất thương mại Để giảm tổn thất thương mại cần thực hiện song song với các nỗ lực giảm tổn thất kỹ thuật

Các biện pháp chính để giảm tổn thất kỹ thuật trong lưới điện phân phối có thể được liệt kê như sau:

1 Nâng cao điện áp vận hành của lưới điện;

2 Bù kinh tế trong lưới phân phối trung áp bằng tụ điện;

3 Tăng tiết diện dây dẫn, giảm bán kính cấp điện;

4 Chọn đúng dây dẫn để giảm tổn thất vầng quang;

5 Cải tiến cấu trúc và vật liệu để sản xuất các thiết bị điện có tổn thất nhỏ (vật liệu siêu dẫn cách điện có chất lượng cao…);

6 Một số các biện pháp kỹ thuật cần được thực hiện trong các giai đoạn thiết kế-quy hoạch hoặc cải tạo, đầu tư xây dựng công trình;

7 Áp dụng lưới điện linh hoạt cho lưới hệ thống và hệ thống phân phối điện có điều khiển tự động cho lưới phân phối trung áp;

8 Hạn chế vận hành không đối xứng;

9 Tái cấu hình lưới điện

Trong các biện pháp giảm tổn thất công suất và điện năng ở trên đều đòi hỏi phải có vốn đầu tư hoặc việc xác định và phân tích các phương án vận hành tìm ra phương

án tối ưu rất khó khăn Biện pháp tái cấu hình lưới điện thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng/mở các cặp thiết bị chuyển mạch không những không đòi hỏi vốn đầu tư mà còn giúp giảm tổn thất điện năng đáng kể khi cân bằng tải giữa các tuyến được thiết lập Vì vậy bài toán tái cấu hình lưới phân phối nhằm giảm tổn thất công suất đã và đang được quan tâm nghiên cứu, áp dụng mạnh mẽ

I.2 Bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối

Để giải quyết bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối, trước tiên phải xây dựng hàm mục tiêu Khi thay đổi tái cấu hình lưới điện có rất nhiều hàm mục tiêu khác nhau, như mục tiêu cực tiểu hóa tổn thất công suất trên toàn hệ thống, mục tiêu đảm bảo chất lượng điện áp, v.v…

Vấn đề tái cấu hình hệ thống cũng tương tự như nhiều bài toán tối ưu khác, như bài toán tính toán phân bố tối ưu công suất, tính toán tìm vị trí, dung lượng bù tối ưu, v.v… Tuy nhiên yêu cầu một khối lượng tính toán của bài toán tái cấu hình là lớn

do có nhiều biến số tác động đến trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành như: Lưới điện phân phối phải vận hành hở, không quá tải máy biến áp, đường dây, thiết

bị đóng cắt, v.v…và sụt áp tại các hộ tiêu thụ điện nằm trong giới hạn cho phép Mạng phân phối đặc trưng là mạng vòng nhưng vận hành hở có nghĩa là mạng vận hành phải là mạng hình tia Vấn đề tiếp theo là phải đóng mở các khóa trong mỗi vòng sao cho tổn thất công suất trên mạng phân phối đặc trưng là nhỏ nhất Để làm được điều này ta cần phải có hàm mục tiêu để có thể tìm kiếm cấu hình cho tổn thất công suất là nhỏ nhất

Về mặt toán học, tái cấu hình lưới điện là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc theo dòng công suất chạy trên các nhánh vấn đề này được trình bày như sau:

Hàm cực tiểu:

1

2 2 2 oss 1,

1

j n

(2.2)(2.3)(2.4)(2.5)

n

j i

n

ft

ft ft

- n : Số nút tải có trên lưới

- Sij : Dòng công suất trên nhánh ij

- Sj : Nhu cầu công suất điện tại nút j

- Vij : Sụt áp trên nhánh ij

- Sft : Dòng công suất trên đường dây ft

- ft : Các đường dây được cung cấp điện từ máy biến áp t

- ft : Có giá trị là 1 nếu đường dây ft làm việc, là 0 nếu đường dây ft không làm việc

Hàm mục tiêu (2.1) thể hiện tổng tổn thất công suất trên toàn lưới phân phối, có thể đơn giản hóa hàm mục tiêu bằng cách xét dòng công suất nhánh chỉ có thành phần công suất tải và điện áp các nút tải là hằng số Biểu thức (2.2) đảm bảo cung cấp đủ công suất theo nhu cầu các phụ tải Biểu thức (2.3) và (2.4) là điều kiện chống quá tải tại trạm trung gian và sụt áp tại nơi tiêu thụ Biểu thức (2.5) đảm bảo rằng các trạm biến thế hoạt động trong giới hạn công suất cho phép Biểu thức (2.6) đảm bảo mạng điện được vận hành với cấu hình tia Với mô tả trên, tái cấu hình lưới điện

phân phối là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc Hàm mục tiêu bị gián đoạn, rất khó để giải bài toán tái cấu hình bằng phương pháp giải tích toán học truyền thống

và điều này còn gặp khó khăn hơn khi lưới điện không cân bằng

a Không xét đến các thiết bị phản kháng

Để giảm tính phức tạp của bài toán, khi giải bài toán tái cấu hình không xét đến ảnh hưởng của các thiết bị bù trên lưới Sau khi tính cấu hình xong, bài toán lại quay lại tính toán bù và vị trí bù mới tương ứng với cấu hình mới là một trong những đề xuất được nhiều tác giả đề cập trong các bài báo đã được công bố

b Các thao tác đóng/cắt để trên lưới không gây mất ổn định của hệ thống điện

c Điện áp tại các nút tải không thay đổi và có giá trị xem bằng Uđm

d Độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối được xem là không đổi khi cấu hình lưới thay đổi

Khi xét đến bài toán tái cấu hình lưới điện, có rất nhiều mục tiêu tái cấu hình khác nhau, cụ thể như tái cấu hình để giảm tổn thất, tái cấu hình để đảm bảo chất lượng điện áp, tái cấu hình để giảm dòng ngắn mạch, … Các hàm mục tiêu này đều hướng đến các phương thức vận hành tốt nhất cho lưới phân phối

Lưới phân phối trung áp có đặc điểm là số lượng phụ tải nhiều, công suất sử dụng khá lớn đặc biệt là tại các khu vực đông dân cư, khu vực nội thành, do đó dòng công suất truyền tải trên đường dây lớn, điện sử dụng lại không cao nên dòng điện trên các dây dẫn có giá trị lớn gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt cao, nhiệt độ của dây dẫn trong những lúc cao điểm có thể tăng cao làm tăng tổng trở của dây dẫn, làm tăng tổn thất

và giảm khả năng tải của đường dây

Tổn thất công suất do quá tải cục bộ, trào lưu công suất trên đường dây không hợp

lý, có đường dây lại quá tải Lượng tổn thất công suất do phân phối trào lưu công suất không hợp lý hàng năm gây ra một lượng tổn thất điện năng đáng kể, làm giảm khả năng tải và chất lượng điện năng của lưới điện phân phối trung áp Vì thế bài toán lựa chọn điểm phân đoạn hợp lý trong thiết kế và vận hành để giảm tổn thất công suất luôn là bài toán quan trọng được quan tâm

Hiện nay, vấn đề giảm tổn thất trên lưới phân phối đang là vấn đề được quan tâm nghiên cứu, nhiều biện pháp để giảm tổn thất được đưa ra để nghiên cứu Tuy nhiên, trong các biên pháp giảm tổn thất thì biện pháp lựa chọn điểm phân đoạn hợp

lý tái cấu hình lưới phân phối theo các hàm mục tiêu khác nhau được đánh giá cao

và tốn kém ít kinh phí

Trong phạm vi luận văn này chỉ xét đến mục tiêu tiêu giảm công suất tác dụng cho bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối sử dụng kỹ thuật đổi nhánh – Branch exchange method

Giải thuật của Merlin và Back: “Đóng tất cả các khóa điện lại tạo thành 1 vòng kín, sau đó giải bài toán phân bố công suất và tiến hành mở lần lượt các khóa có dòng chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện trở thành hình tia” Ở đây Merlin và Back cho rằng với mạch vòng, lưới điện phân phối luôn có mức tổn thất công suất bé nhất Vì vậy, để có lưới điện phân phối vận hành hình tia, Merlin và Back lần lượt loại bỏ những nhánh có tổn thất công suất nhỏ nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi lưới điện đạt trạng thái vận hành hở Các giải thuật tìm kiếm nhánh và biên ứng dụng kỹ thuật heuristic này mất nhiều thời gian do có khả năng sẽ xẩy ra đến 2n cấu hình nếu có n đường dây được trang bị khóa điện Hình I.1 thể hiện giải thuật của Merlin

và Back, đã được Shirmohammadi bổ sung

Hình I.1 Giải thuật của Merlin và Back

Giải thuật này chỉ khác so với các giải thuật gốc của Merlin và Back ở chỗ có xét đến điện thế của trạm trung gian và yếu tố liên quan đến dòng điện

Giải thuật của Merlin và Back được Shirmhammad chỉnh sửa là tác giả đầu tiên sử dụng kỹ thuật bơm vào và rút ra một lượng công suất không đổi để mô phỏng thao tác thay đổi cấu hình của lưới điện phân phối hoạt động hở về mặt vật lý nhưng về mặt toán học là mạch vòng Dòng công suất bơm vào và rút ra là một đại lượng liên tục Sau khi chỉnh sửa kỹ thuật này vẫn còn bộc lộ nhiều nhược điểm như:

- Mặc dù đã áp dụng các kỹ thuật tìm kiếm kinh nghiệm, giải thuật này vẫn cần nhiều thời gian để tìm cấu hình giảm tổn thất công suất;

- Tính chất không cân bằng và nhiều nhiều pha chưa được mô phỏng đầy đủ;

- Tổn thất công suất của máy biến áp chưa được xét đến trong giải thuật

Phương pháp kỹ thuật đổi nhánh-Branch exchange method được bắt đầu với giả thiết là lưới phân phối vận hành với cấu hình hình tia, một khóa điện đóng lại và đồng thời một khóa điện khác trong mạch vòng mở ra đảm bảo cấu hình hình tia của lưới điện Cặp khóa điện được chọn nhờ kinh nghiệm và công thức xấp xỉ để đánh giá sự thay đổi của tổn thất trong mỗi lần thay đổi trạng thái đóng cắt của cặp khóa Phương pháp thay đổi nhánh sẽ dừng lại khi không thể giảm được tổn thất nữa Phương pháp này yêu cầu sự phân tích, đánh giá dòng công suất trên toàn bộ hệ thống tại thời điểm tính toán Sự thay đổi tổn thất công suất nhờ thay đổi trạng thái đóng cắt của cặp khóa điện được tính toán qua công thức:

2

*

oo( ) Re 2 i( M N) l p i

- D : là tập các nút tải được dự kiến chuyển tải

- Ii : dòng điện tiêu thụ của nút thứ i

- EM : tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút M

- EN : tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút N

- Rloop : tổng trở các điện trở trên vòng kín khi đóng khóa điện đang mở Giải thuật của Civanlar dựa trên kinh nghiệm (Heuristic) để tái cấu hình lưới điện phân phối, lưu đồ mô tả giải thuật được trình bày tại Hình I.2

Giải thuật của Civanlar được đánh giá cao nhờ xác định được 2 quy luật để giảm số lượng khóa điện cần xem xét;

- Nguyên tắc chọn khóa đóng: Việc giảm tổn thất chỉ có thể đạt được nếu như

có sự chênh lệch đáng kể về điện áp tại khóa đang mở;

- Nguyên tắc chọn khóa mở: Việc giảm tổn thất chỉ đạt được khi thực hiện chuyển tải ở phía có độ sụt áp lớn sang phía có sụt áp bé hơn

Hình I.2 Sơ đồ giải thuật Civanlar

Các ưu điểm của giải thuật:

- Nhanh chóng xác định được phương án tái cấu hình có mức tổn thất nhỏ hơn bằng cách giảm số liên kết đóng cắt nhờ các quy tắc luật Heuristic;

- Việc xác định dòng tải tương đối chính xác

Tuy nhiên, giải thuật cũng còn nhiều nhược điểm cần khắc phục:

- Mỗi bước tính toán chỉ xem xét 01 cặp khóa điện trong 01 vòng;

- Chỉ đáp ứng được nhu cầu giảm tổn thất, chứ chưa giải quyết được bài toán cực tiểu hóa hàm mục tiêu;

- Việc tái cấu hình hệ thống phụ thuộc vào cấu hình xuất phát ban đầu

Thuật toán – Backtracking – được Thomas E.MacDermott nghiên cứu và phát triển năm 1998, thuật toán này cũng là 1 trong những bài toán “mở lần lượt các thiết bị đóng cắt phân đoạn – sequential switch opening method” nhưng xuất phát điểm lại ngược lại so với thuật toán cắt vòng kín của Shirmohammadi

Thuật toán Backtracking gồm các bước như sau:

Bước 1: Mở tất cả các khóa điện, mỗi khóa điện được xem là một kết nối giữa các

phụ tải với nhau hay giữa nguồn với phụ tải

Bước 2: Tìm cách gắn lần lượt từng phụ tải vào hệ thống qua một khóa điện duy

nhất, khóa điện này sẽ có trạng thái đóng Các phụ tải có quyền lựa chọn xem việc nối với nguồn nào để có tổn thất công suất nhỏ nhất

Bước 3: Tải sau khi được nối vào hệ thống sẽ trở thành nguồn cho các tải kế tiếp

xem xét để kết nối ( điều này đảm bảo mỗi tải chỉ được cung cấp điện từ một nguồn duy nhất – điều kiện cấu hình vận hành hình tia)

Bước 4: Quá trình hình thành lưới điện sẽ kết thúc khi tất cả các phụ tải đều được

cung cấp điện Các khóa điện mở là các khóa còn lại trong hệ thống

Phương pháp này của Thomas E.MacDermott đã chứng minh được tính đúng đắn khi đi giải các bài toán mẫu đã được chứng minh như bài toán Civanlar hai nguồn,

ba nguồn, bài toán Glamocanin, bài toán Baran và Wu đều cho ra kết quả trùng lặp với các phương pháp khác, điều đó chứng tỏ sự đúng đắn của giải thuật

Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn bị hạn chế là khi lưới điện phân phối lớn với rất nhiều nút và nhiều nguồn cung cấp thì phương pháp này tính toán và phân tích kết quả của từng nhánh và từng nút trong lưới do đó khối lượng tính toán lớn, kết quả đưa ra còn chậm

(4) Thuật toán tìm kiếm cấu hình lưới điện phân phối có tổn thất công suất nhỏ nhất [4]

Thuật toán này được F.Vanderson Gomes nghiên cứu và phát triển năm 2004 Thuật toán này đặc biệt phù hợp với hệ thống lưới điện phân phối quy mô lớn Thuật toán bắt đầu với giả thiết tất cả các khóa điện đều đóng Việc quyết định mở một khóa dựa trên kết quả tính toán trào lưu công suất với tổng tổn thất công suất tác dụng trong lưới nhỏ nhất Phương pháp gồm hai giai đoạn:

Giai đoạn 1: Các khóa lần lượt được mở ra cho đến khi lưới trở thành hình tia,

đồng thời trong quá trình mở khóa, một danh sách các khóa liền kề với khóa được

mở sẽ được lưu lại

Giai đoạn 2: Trao đổi trạng thái các khóa được mở với hai khóa liền kề chúng và so

sánh tổng tổn thất trong 2 trường hợp, lựa chọn mở hoàn toàn khóa cho tổn thất công suất tác dụng nhỏ hơn

Phương pháp của F.Vanderson Gomes có những ưu điểm như : kết quả của việc tái cấu hình lưới không phụ thuộc vào trạng thái các khóa trong lưới ban đầu; phương pháp cho kết quả lưới phân phối hình tia tối ưu đồng thời tránh được việc đưa ra quá nhiều phương án và số lượng tính toán lớn trong việc lựa chọn

truyền (GA) [5]

Thuật giải di truyền (Genetic Algorithm) là một trong những kỹ thuật tìm kiếm lời giải tối ưu đã đáp ứng được yêu cầu của nhiều bài toán và ứng dụng Hiện nay, thuật toán di truyền cùng với logic mờ được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực phức tạp Thuật toán di truyền kết hợp với logic mờ chứng tỏ được hiệu quả của nó trong các vấn đề khó có thể giải quyết bằng các phương pháp thông thường hay các phương pháp cổ điển, nhất là trong các bài toán cần có sự lượng giá, đánh giá sự tối

ưu của kết quả thu được Chính vì vậy, thuật giải di truyền đã trở thành đề tài nghiên cứu thú vị và đem đến nhiều ứng dụng trong thuật tiễn

Ý tưởng chính của giải thuật di truyền là ban đầu phát sinh ra một lúc nhiều lời giải khác nhau song song Sau đó những lời giải được tạo ra, chọn những lời giải tốt nhất để làm cơ sở phát sinh ra những lời giải sau với nguyên tắc ‘càng về sau’ càng tốt hơn Quá trình đó cứ tiếp diễn cho đến khi tìm được lời giải tối ưu trong thời

gian cho phép Mục tiêu chính của giải thuật di truyền không nhằm đưa ra lời giải chính xác mà đưa ra lời giải tương đối chính xác trong thời gian cho phép Giải thuật di truyền tuy dựa trên tính ngẫu nhiên nhưng ngẫu nhiên có sự điều khiển Bài toán tái cấu hình mạng phân phối điện với số lượng khóa lớn nên không gian nghiệm của bài toán này rất lớn, bài toán này đòi hỏi phải tìm ra được cấu hình tối

ưu trong thời gian nhanh nhất Từ ý tưởng và đặc điểm của giải thuật di truyền, nhận xét giải thuật này rất thích hợp để giải bài toán tái cấu hình

Các bước quan trọng trong việc áp dụng giải thuật di truyền vào bài toán tái cấu hình:

- Bước 1: Chọn ra một số cấu hình ngẫu nhiên có thể tìm được trong mạng phân phối điện;

- Bước 2: Ký hiệu các khóa đóng (sectional switches) trong mạng phân phối là 1; các khóa thường mở (tie switches) là 0;

- Bước 3: Tìm hệ số thích nghi và hàm mục tiêu cho từng cấu hình đó được tạo ra ban đầu;

- Bước 4: Chọn ra được cấu hình tốt nhất dựa vào hàm mục tiêu, tiếp theo đem cấu hình này thay đổi một số vị trí hay còn gọi là đột biến để tạo ra cấu hình mới

Công thức để tính toán đột biến:

Bnp’(gen) = Bnp(gen)+S*k*delta (2.8) Trong đó:

o Bnp_ chuỗi nhị phân tạo ra ngẫu nhiên;

o Bnp’_chuỗi nhị phân tạo ra do đột biến;

o S(-1,1) cùng với xác suất GGAP đột biến, k là giá trị ngẫu nhiên 

(1,PRECI);

1

1

*2

- Bước 6: Nếu chưa hết thời gian cho phép thì lập lại bước 4 để tìm cấu hình mới;

- Bước 7: Nếu thời gian cho phép chấm dứt thì dừng chương trình tìm kiếm và báo cáo kết quả tính được

Việc áp dụng giải thuật GA được kiểm tra áp dụng trên các bài toán mẫu và cho kết quả chính xác và thời gian tìm kiếm không gian nghiệm nhanh

colony system (ACS) [6]

Ý tưởng của giải thuật ACS là dựa trên hành vi tìm đường đi ngắn nhất từ tổ tới các nguồn thức ăn, dựa vào việc trao đổi thông tin giữa các con kiến với nhau và chúng phát hiện ra các nguồn khả quan nhất trong số các nguồn thức ăn xung quanh tổ Ban đầu, số con kiến bắt đầu từ tổ kiến đi để tìm đường đến nơi có thức ăn Từ tổ kiến sẽ có rất nhiều con đường khác nhau để đi đến nơi có thức ăn, nên một con kiến sẽ chọn ngẫu nhiên một con đường đi đến nơi có thức ăn Quan sát loài kiến, người ta nhận thấy chúng tìm kiếm nhau dựa vào dấu chân mà chúng để lại trên đường đi (hay còn gọi là dấu chân kiến để lại) Sau một thời gian lượng dấu chân (pheromone) của mỗi chặng đường sẽ khác nhau Do sự tích lũy dấu chân của mỗi chặng đường cũng khác nhau đồng thời với sự bay hơi của dấu chân ở đoạn đường kiến ít đi Sự khác nhau này sẽ ảnh hưởng đến sự di chuyển của những con kiến khác di chuyển trên đường đi đó, những chặng đường còn lại do không thu hút được lượng kiến di chuyển sẽ có xu hướng bay hơi dấu chân sau một thời gian quy định Điều đặc biệt trong cách hành xử loài kiến là lượng dấu chân trên đường đi có sự tích lũy càng lớn thì cũng đồng nghĩa với việc đoạn đường đó là ngắn nhất từ tổ kiến đến nơi có thức ăn Quan sát và mô tả trong Hình I.3a là đường đi của đàn kiến

từ A-B, sau đó làm thử nghiệm đặt một vật chắn ngang đường đi (Hình I.3b) Tiếp theo đó quan sát (Hình I.3c) thì nhận thấy số lượng kiến sẽ tập trung đi bên đường

có khoảng cách ngắn nhất Việc tìm và xác định được đường đi ngắn nhất của loài kiến dựa vào việc quan sát, trao đổi thông tin, số lượng dấu chân kiến trên đường đi

Hình I.3 Giải thuật Ant colony system (ACS)

Từ khi giải thuật kiến trở thành một lý thuyết vững chắc trong việc giải các bài toán tìm kiếm tối ưu toàn cục đã có nhiều ứng dụng thực tế cho giải thuật này như: tìm kiếm các trang website cần tìm trên mạng, kế hoạch sắp xếp thời khóa biểu cho các

y tá trong bệnh viện, cách hình thành các màu khác nhau dựa vào các màu tiêu chuẩn có sẵn, tìm kiếm đường đi cho những người lái xe hơi… nói tóm lại phương pháp này đưa ra để giải quyết các bài toán có không gian nghiệm lớn để tìm ra lời giải có nghiệm tối ưu nhất trong không gian nghiệm đó với thời gian cho phép hay không tìm ra cấu hình tối ưu hơn thì dừng

Tác giả Charles Daniel L., Hafeezulla Khan và Ravichandran S đã đề xuất việc áp dụng giải thuật ACS này cho bài toán tái cấu hình Việc áp dụng giải thuật đã tìm ra trong các cấu hình có thể của mạng phân phối có một cấu hình tổn thất là nhỏ nhất Các tham số trong bài toán tái cấu hình được tham số hóa thành các thông số trong thuật toán đàn kiến, từ đó ý tưởng áp dụng thuật toán ACS vào bài toán tái cấu hình

ra đời, thuật toán đề xuất cho bài toán tái cấu hình như sau:

Bước 1: Một số cấu hình của mạng phân phối sẽ được tạo ra ban đầu;

Bước 2: Mỗi cấu hình tượng trưng cho một đoạn đường đi mà kiến đã đi này sẽ được tính toán hàm mục tiêu

Bước 3: Mỗi cấu hình này sẽ được cập nhật vào ma trận dấu chân, ban đầu các ma trận dấu chân này sẽ bằng nhau:

( )( 1) ( )

- T ij xy(0) : dấu chân ban đầu được tạo ra trên đoạn đường

Sau khi kế thúc, cấu hình ban đầu được tạo ra đã cập nhật vào ma trận dấu chân, ta

sẽ chọn ra được cấu hình tốt nhất trong số các cấu hình ban đầu, các cấu hình còn lại sẽ làm bay hơi dấu chân của các cấu hình xác định theo công thức:

Trong đó:

- T ij xy : cường độ dấu chân lớn nhất của con kiến thứ ix;

- T max : cường độ dấu chân lớn nhất của ma trận dấu chân;

- n

i

 : khả năng đóng mở các khóa trong từng vòng (giá trị 0, 1)

Bước 5: Nếu hết thời gian cho phép hay cấu hình được chọn không còn thì dừng chương trình

(7) Phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối sử dụng giải thuật Particle Swarm Optimization (PSO) [7]

Giải thuật PSO là một dạng tiến hóa của kỹ thuật di truyền (Genetic algorithm-GA)

và thuật toán đàn kiến (Ant colony algorithm) Tuy vậy PSO khác với GA ở chỗ nó thiên về sử dụng sự tương tác giữa các cá thể trong một quần thể để đi tìm kiếm thức ăn cho nên nó cũng được xếp và dạng thuật toán có sử dụng trí tuệ bầy đàn Xét bài toán tối ưu của hàm số F trong không gian n chiều Mỗi vị trí trong không gian là một điểm tọa độ n chiều Hàm F là hàm mục tiêu (fitness function) xác định trong không gian n chiều và nhận giá trị thực Mục đích là tìm ra điểm cực tiểu của hàm F trong miền xác định nào đó Ta bắt đầu xem xét sự liên hệ giữa bài toán tìm thức ăn với bài toán tìm cực tiểu của hàm hàm theo cách như sau Giả sử rằng số lượng thức ăn tại một vị trí tỷ lệ nghịch với giá trị của hàm F tại vị trí đó Có nghĩa

là ở một trí mà giá trị hàm F càng nhỏ thì số lượng thức ăn càng lớn Việc tìm vùng chứa thức ăn nhiều nhất tương tự như việc tìm ra vùng chứa điểm cực tiểu của hàm

F trên không gian tìm kiếm

PSO được khởi tạo bằng một nhóm cá thể (tập nghiệm) ngẫu nhiên và sau đó tìm nghiệm tối ưu bằng cách cập nhật các thế hệ Trong mỗi thế hệ, mỗi cá thể được cập nhật theo 2 giá trị tốt nhất Giá trị thứ nhất là nghiệm tốt nhất đạt được cho tới thời điểm hiện tại, gọi là Pbest Một nghiệm tối ưu khác mà cá thể này bám theo là nghiệm tối ưu toàn cục Gbest, đó là nghiệm tốt nhất mà cá thể lân cận cá thể này đạt được cho tới thời điểm hiện tại Nói cách khác, mỗi cá thể trong quần thể cập nhật

vị trí tốt nhất của nó và của cá thể trong quần thể tính tới thời điểm hiện tại như Hình I.4

Hình I.4 Sơ đồ giải thuật Particle Swarm Optimazation - PSO

- Gbesti : Vị trí tốt nhất của cá thể trong quần thể

Vận tốc và vị trí mỗi cá thể được tính như sau:

- rand1, rand2: số ngẫu nhiên trong khoảng 0 và 1

Lưu đồ giải thuật của thuật toán PSO được trình bày trên Hình I.5

Từ việc nghiên cứu giải thuật PSO và mô hình bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối, nhóm tác giả Xiaoling Jin, Jianguo Zhao, Ying Sun, Kenjun Li, Bqin Zhang

đã đề xuất việc áp dụng giải thuật PSO cho bài toán tái cấu hình lưới điện Giải thuật có thể được mô tả tóm tắt như sau:

- Bước 1: Khởi tạo một nhóm quần thể có kích thước m tương ứng với số nút trên lưới;

- Bước 2: Lựa chọn ngẫu nhiên trong m phần tử x, tính toán pm với mỗi giá trị

x, pg là giá trị nhỏ nhất trong các pi, khởi tạo giá trị ban đầu vi=0;

- Bước 3: Sử dụng công thức (2.13) để tính Vi tương ứng với các j;

- Bước 4: Sử dụng công thức (2.14) để tính các giá trị xi;

- Bước 5: Tính và đánh trị số các nhánh mang tải không cân bằng, nếu giá trị tối ưu của i là tốt nhất thì lấy pi và cài đặt giá trị pi Nếu p tốt hơn pg thì cài đặt giá trị pg Nếu giá trị pg sau m lần lặp là tốt nhất thì pg là giá trị tối ưu Nếu không quay lại Bước 3 In kết quả của lưới tương ứng;

Hình I.5 Giải thuật Particle Swarm Optimization - PSO

Thông qua việc tìm hiểu mô hình bài toán tái cấu hình lưới điện và nghiên cứu các giải thuật khác nhau cho bài toán tái cấu hình lưới điện Ta thấy đặc điểm của bài toán tái cấu hình lưới điện có không gian nghiệm lớn, số lượng bước giải nhiều, đặc biệt là ma trận trạng thái các khóa của lưới điện lớn Do đó việc giải bài toán tìm kiếm cấu hình lưới điện tối ưu cần tìm phương pháp sao cho vừa tìm được nghiệm tối ưu vừa có tốc độ giải nhanh chóng

Phương pháp giải cơ bản cho bài toán tái cấu hình lưới điện đó là phương pháp theo hướng giải tích, cải tiến các phương pháp giải gần đúng, ưu điểm của các phương pháp này sẽ cho ra nghiệm tối ưu, và kết quả tối ưu là tương đối chính xác Tuy nhiên các phương pháp này gặp khó khăn khi các bài toán thực tế có số lượng nút trên sơ đồ lớn, số lượng phương trình tăng, thời gian giải bài toán lớn

Một hướng khác giải quyết bài toán dựa vào các thuật toán của trí tuệ nhận tạo, giải quyết bài toán dựa vào các hành vi tự nhiên của loài vật, dựa vào các công thức kinh nghiệm để giải Ưu điểm của phương pháp này là có thể cho kết quả nghiệm tối ưu, thời gian giải quyết bài toán nhanh và độ chính xác nhất định

Trong luận văn này, tác giả trình bày thuật toán đổi nhánh – branch exchange áp dụng trong bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối và ví dụ minh họa với lưới điện mẫu IEEE và tính toán áp dụng với lưới điện phân phối trung áp thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT

Tính toán trào lưu công suất nhằm xác định điện áp tại các nút, dòng điện trên

nhánh và dòng công suất giữa các nút của hệ thống điện Đây cũng là những

thông số cơ sở để tính tổn thất công suât, kiểm tra các điều kiện ràng buộc trong

bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối

II.1 Xây dựng các hệ phương trình

Các giả thiết để các phương trình cân bằng dòng nút trở thành hệ phương trình

đại số tuyến tính:

- Các phần tử thụ động (điện trở, điện kháng…) trong hệ thống không thay

đổi giá trị;

- Sức điện động và điện kháng máy phát không đổi

Ta xét các thông số của hệ thống được qui đổi về cấp điện áp cơ sở

II.1.1 Hệ phương trình cân bằng dòng nút

I : dòng nút tại nút k, qui ước chiều đi từ ngoài vào là chiều dương Đây

là dòng phát bởi nguồn điện hoặc đi vào phụ tải điện ở nút k, Ik có thể tính

qua công suất và điện áp nút:

*

*

k k fk

S I U

 (2.1)

-

.

km

I : dòng chạy trong nhánh k-m (nối giữa nút k và nút m), có chiều từ k

tới m, dòng này có giá trị không đổi trên toàn nhánh, giả thiết chỉ có 1

İk = (∑m≠kẎkm)U̇k− ∑m≠kẎkmU̇m (2.5)

Đặt Ẏkk = ∑m≠kẎkm , Ẏkk gọi là tổng dẫn riêng của nút k

Ẏkm = - Ẏkm , Ẏkm gọi là tổng dẫn tương hỗ giữa nút k và m

ẎkkU̇k+ ∑m≠kẎkmU̇m = İk (2.6)

∑mẎkmU̇m = İk (2.7)

… Ẏn0 Ẏn1 … Ẏnn][

U̇0

U̇1

…U̇n]

= [

İ0

İ1

…İn] (2.9)

hay [Y][U] = [I]

Trong đó: [Y] là ma trận tổng dẫn nút

[U] là vector điện áp nút

[I] là vector dòng nút

Nhận xét: Tổng các phương trình trong hệ bằng 0, nên 1 phương trình trong hệ

là phụ thuộc, nên ma trận Y suy biến Ta bỏ qua phương trình của nút đất (I0),

đây là phương trình tương đương của các phương trình còn lại

Chọn nút đất là nút điện áp cơ sở, có U̇0 = 0

Ta được hệ:

(2.10)

[

Ẏ11 Ẏ12 … Ẏ1nẎ21 Ẏ22 … Ẏ2n

… Ẏn1 Ẏn2 … Ẏnn][

U̇1

U̇2

…U̇n]

= [

İ1

İ2

…İn] (2.11)

Vậy ma trận Y có cấp n×n

Đây là hệ phương trình tuyến tính, là cơ sở cho các phương pháp tính toán chế độ của HTĐ Hệ phương trình này đơn giản, dễ giải, tuy nhiên trong chế độ xác lập, các thông tin thường cho dưới dạng công suất, nên không áp dụng được hệ phương trình cân bằng dòng nút

II.1.2 Hệ phương trình cân bằng công suất nút

Trong tính toán chế độ xác lập, thường ta không biết dòng điện nút, mà chỉ biết công suất nút, do đó, hệ phương trình tính toán chế độ cần chuyển về dạng cân bằng công suất nút

Nếu tách riêng số hạng j = i ra ta được:

- Công suất tác dụng P;

- Công suất phản kháng Q;

- Module điện áp U;

- Góc pha điện áp δ

Bài toán chuẩn cho ta biết trước 2 biến thực ở mỗi nút Hai điều kiện cần có là:

- Cần cho trước góc pha điện áp ở một nút nào đó

- Không thể cho trước công suất P (hoặc Q) ở tất cả các nút (không kể nút trung tính - đất, tại đó công suất bằng 0), do vậy phải có ít nhất 1 nút không cho trước công suất, gọi là nút cân bằng công suất

Tùy vào các thông số đã cho trước, 1 lưới điện sẽ gồm 3 loại nút, ứng với 3 loại

dữ liệu về nút đó:

- Nút phụ tải hay nút PQ (cho trước P và Q): Nút PQ bao gồm các nút tải, thường biết được công suất tiêu thụ trong mọi chế độ làm việc, nó cũng bao gồm các nút trung gian (công suất nút bằng 0: P = 0, Q = 0); các nút nguồn phát bù, phát P và Q cố định theo yêu cầu; các nút bù công suất phản kháng (P = 0, Q = const);

- Nút nguồn điều khiển điện áp hay nút PV (cho trước P và mô đun điện áp U): Nút PV có nhiệm vụ giữ điện áp tại nó không đổi, nó thường bao gồm các nút nguồn điện lớn, được trang bị các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ; hoặc các nút bù công suất phản kháng, có nhiệm vụ giữ điện áp;

- Nút cân bằng (cho trước điện áp và góc pha, thường cho δ = 0): Nút cân bằng là một nút nhà máy điện có công suất lớn, có nhiệm vụ điều tần cho

hệ thống