Xây dựng mô hình toán, giải bài toán quy hoạch nguồn, xét ảnh hưởng của các thông số đến kết quả bài toán

Trong luận văn này, một mô hình toán học mới được đề xuất, phương pháp quy hoạch nguyên, quy hoạch động được áp dụng để giải quyết bài toán quy hoạch nguồn tối ưu trong dài hạn.. 4/ Ch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

  

PHẠM HOÀNG NAM MÂN

Đề tài:

QUY HOẠCH NGUỒN TỐI ƢU

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

  

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài:

QUY HOẠCH NGUỒN TỐI ƢU

CBHD : TS HUỲNH CHÂU DUY

HVTH : PHẠM HOÀNG NAM MÂN

MSHV : 11180112

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng và nhà máy điện

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Huỳnh Châu Duy

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Tp.HCM ngày 23 tháng 12 năm 2012 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHẠM HOÀNG NAM MÂN MSHV: 11180112

Ngày/tháng/năm sinh: 28/02/1968 Nơi sinh: Sài Gòn

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số : 605250

1/ Tên đề tài: Quy hoạch nguồn tối ưu

2/ Nhiệm vụ và nội dung: Xây dựng mô hình toán, giải bài toán quy hoạch nguồn, xét

ảnh hưởng của các thông số đến kết quả bài toán

3/ Ngày giao nhệm vụ: (Ghi trong QĐ giao đề tài) 4/ Ngày hoàn thành: (Ghi trong QĐ giao đề tài) 5/ Cán bộ hướng dẫn: TS HUỲNH CHÂU DUY

LỜI CẢM ƠN

Quyển luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của tiến sĩ Huỳnh Châu Duy, giảng viên khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM; sự đóng góp ý kiến của một số Thầy Cô trong bộ môn Hệ thống điện cũng như của một số anh em đồng nghiệp

Xin cảm ơn một số anh em đồng nghiệp ở Công ty Tư vấn Thiết kế điện 2 và Công

ty Tư vấn Thiết kế điện 3 đã cung cấp một số số liệu liên quan để thực hiện luận văn Xin chân thành cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012

Học viên thực hiện

Phạm Hoàng Nam Mân

TÓM TẮT

Quy hoạch phát triển nguồn là vấn đề xác định loại nhà máy nào, công suất bao nhiêu, lắp đặt ở đâu, vào thời điểm nào để thỏa mãn nhu cầu của phụ tải trong tương lai (đã được dự báo trong công tác dự báo phụ tải) Quy hoạch phát triển nguồn cần phải chính xác để đáp ứng được nhu cầu của tải đồng thời không gây lãng phí trong đầu tư

Có nhiều mô hình khác nhau để giải bài toán quy hoạch

Trong luận văn này, một mô hình toán học mới được đề xuất, phương pháp quy

hoạch nguyên, quy hoạch động được áp dụng để giải quyết bài toán quy hoạch nguồn tối

ưu trong dài hạn

Bố cục luận văn như sau:

Quyển luận văn gồm sáu chương:

1/ Chương 1: Giới thiệu chung

Chương này giới thiệu về hướng tiếp cận, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài

2/ Chương 2: Tổng quan

Chương này giới thiệu tổng quan về những vấn đề liên quan đến đề tài, bao gồm:

a/ Tổng quan về vấn đề quy hoạch nguồn

b/ Tổng quan về các phương pháp giải bài toán quy hoạch

c/ Tổng quan về các nhà máy điện

d/ Tổng quan về bài toán tối ưu

3/ Chương 3: Thành lập bài toán

Chương này giới thiệu mô hình toán để giải quyết bài toán quy hoạch nguồn 4/ Chương 4: Các mô hình quy hoạch tối ưu

Chương này giới thiệu các phương pháp quy hoạch tối ưu được sử dụng trong luận văn để giải bài toán quy hoạch nguồn như quy hoạch tuyến tính, quy hoạch nguyên, quy hoạch động

5/ Chương 5: Kết quả mô phỏng

Chương này trình bày các kết quả từ việc chạy chương trình cũng như những nhận xét về kết quả có được

6/ Chương 6: Những định hướng tương lai

Chương này nêu ra một số vấn đề chưa giải quyết thấu đáo, triệt để trong luận văn, cần nghiên cứu bổ sung thêm trong tương lai

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Đặt vấn đề:

Bất kỳ quốc gia nào muốn phát triển cũng phải phát triển các ngành công nghiệp chủ lực trong đó điện là ngành năng lượng luôn đi đầu để hỗ trợ, thúc đẩy các ngành khác phát triển

Để đảm bảo vấn đề an ninh năng lượng thì công tác dự báo phụ tải, quy hoạch phát triển hệ thống điện là khâu then chốt, trọng tâm xuyên suốt cả quá trình phát triển ngành điện nói riêng và của cả nền kinh tế nói chung Đây là công việc rất khó khăn phức tạp vì nhiều lý do như các dữ liệu đầu vào chỉ là các số liệu dự báo trong tương lai, nó phụ thuộc nhiều vào tình hình kinh tế và chính trị toàn cầu cũng như các chính sách kinh

tế vĩ mô của các chính phủ; một khó khăn nữa là trong thực tế thường xuất hiện các mâu thuẫn như phải giảm chi phí nhưng lại muốn tăng độ tin cậy, những mâu thuẫn mà một bên là các yếu tố kỹ thuật cần đảm bảo, một bên là các vấn đề về kinh tế phải đáp ứng

Nếu công tác dự báo phụ tải, quy hoạch thực hiện không tốt thì có thể dẫn đến tình trạng không đủ nguồn cung cấp cho tải làm cho hệ thống vận hành mất cân đối, mất ổn định hay ngược lại có thể dư một lượng công suất lớn không được khai thác hết gây tốn kém, lãng phí trong đầu tư

Ngoài việc đảm bảo vấn đề an ninh năng lượng, quy hoạch hệ thống điện còn phải thỏa mãn tính kinh tế nghĩa là tổng kinh phí cho phương án được chọn phải là nhỏ nhất Tức là mọi phương án đều quy về bài toán tối ưu

Quy hoạch hệ thống điện bao gồm quy hoạch phát triển nguồn, quy hoạch phát triển lưới, quy hoạch phát triển trạm (truyền tải và phân phối)

1.2 Hướng tiếp cận của đề tài:

Đã có nhiều mô hình toán học khác nhau được áp dụng để giải bài toán quy hoạch nguồn, mỗi mô hình có những đặc trưng khác nhau Do nhu cầu phát triển kinh tế rất lớn nên một số mô hình trước đây thường không xét đến yếu tố môi trường khi xây dựng các nhà máy điện Ngày nay trong xu thế chung của toàn thế giới, việc phát triển kinh tế phải

đi đôi với bảo vệ môi trường, do đó công tác quy hoạch phải xét đến yếu tố này

1.3 Mục tiêu của đề tài:

Giới thiệu một mô hình tính toán mới và sử dụng các phương pháp quy hoạch tối

ưu (quy hoạch nguyên, quy hoạch động) để giải bài toán quy hoạch phát triển nguồn, xét ảnh hưởng của các thông số đến kết quả bài toán

1.4 Ý nghĩa của đề tài:

Việc xây dựng mô hình toán với nhiều điều kiện ràng buộc phù hợp với thực tế nên có thể được áp dụng để giải quyết bài toán quy hoạch phát triển nguồn trong tương

1.5 Phạm vi nghiên cứu:

Xây dựng mô hình toán học để giải bài toán quy hoạch phát triển nguồn

Hàm mục tiêu là min của tổng chi phí (bao gồm chi phí lắp đặt, vận hành, chi phí nhiên liệu)

Hàm ràng buộc bao gồm ràng buộc về đảm bảo nhu cầu điện năng, ràng buộc về công suất tối đa, ràng buộc về độ dự trữ công suất, ràng buộc về nhiên liệu, ràng buộc về môi trường

Sử dụng các phương pháp quy hoạch tối ưu (quy hoạch nguyên, quy hoạch động)

để giải bài toán quy hoạch phát triển nguồn trong dài hạn

Khảo sát ảnh hưởng của các thông số đến kết quả bài toán

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, bài toán quy hoạch phát triển nguồn là xác định loại nhà máy nào, công suất bao nhiêu, đưa vào vận hành ở năm nào mà không xét đến hệ thống truyền tải (nghĩa là xem hệ thống chỉ có một nút, không xét đến tổn thất truyền tải), nhu cầu phụ tải đã cho trước

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về quy hoạch nguồn:

Bất cứ mọi hoạt động nào trong xã hội đều phải cần đến năng lượng Nhu cầu sử dụng năng lượng của con người rất lớn và rất đa dạng Xe muốn chạy thì phải có xăng dầu; máy móc muốn hoạt động sản xuất thì phải có năng lượng quay động cơ; phải có nhiệt lượng để nấu chín thức ăn; phải có năng lượng để thắp sáng, sưởi ấm, Năng lượng trên trái đất có thể nói là vô tận, tồn tại ở khắp mọi nơi dưới nhiều hình thức khác nhau, vấn đề là chúng ta có phát hiện ra chúng và sử dụng chúng như thế nào

Có nhiều dạng năng lượng khác nhau như cơ năng, nhiệt năng, hóa năng, quang năng, Điện năng được sản xuất từ các nguồn năng lượng sơ cấp như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển, năng lượng dòng hải lưu, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng mặt trời, rồi từ điện năng có thể chuyển hóa thành mọi dạng năng lượng khác tùy theo nhu cầu sử dụng của con người

Theo định hướng, chiến lược phát triển của nền kinh tế nói chung và của từng ngành nghề, lĩnh vực nói riêng mà có được nhu cầu năng lượng cần thiết Từ nhu cầu năng lượng của toàn bộ xã hội ta xác định được nhu cầu điện năng cần thiết, từ đó có thể quy hoạch, tính toán cấu trúc hệ thống điện sao cho vừa thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật, vừa thỏa mãn về tính kinh tế, đảm bảo vấn đề an ninh năng lượng, đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải một cách liên tục, ổn định trong mọi trường hợp yêu cầu

Ngày nay, hệ thống điện được xem là hệ thống lớn nhất do con người tạo ra, nó bao gồm những thiết bị nhỏ nhất như bóng đèn, cái quạt đến những thiết bị lớn hơn như máy biến áp lực, máy phát điện Công tác quy hoạch chỉ quan tâm đến các phần tử chính yếu của hệ thống như nhà máy phát điện, mạng truyền tải, mạng phân phối, trạm điện, và thông số không thể thiếu là tổng nhu cầu phụ tải Quy hoạch không quan tâm đến chi tiết các phần tử thiết kế mà chỉ quan tâm đến công suất, vị trí lắp đặt chúng

Việc dự báo phụ tải là khâu vô cùng quan trọng trong công tác quy hoạch, nó quyết định sự thành công hay thất bại của toàn bộ công trình Nếu dự báo phụ tải không chính xác thì cho dù với những mô hình tính toán hợp lý, với những công cụ toán học hiện đại vẫn dẫn đến kết quả không phù hợp thực tế Nếu dự báo trong thời gian ngắn thì có thể căn cứ vào tình hình thời tiết, khí hậu, các chương trình vui chơi giải trí, nếu

dự báo trong thời gian dài thì phải xem xét đến nhiều yếu tố khác như mức tăng trưởng GDP, mức độ tăng dân số, các chính sách kinh tế vĩ mô của chính phủ, thậm chí cả tình hình kinh tế chính trị trên toàn thế giới

Quy hoạch hệ thống điện bao gồm: quy hoạch phát triển nguồn, quy hoạch phát triển lưới, quy hoạch phát triển trạm Trong quy hoạch phát triển lưới có quy hoạch phát triển lưới truyền tải, quy hoạch phát triển lưới phân phối, quy hoạch phát triển lưới địa

phương Tương tự, trong quy hoạch phát triển trạm có quy hoạch phát triển trạm truyền tải, quy hoạch phát triển trạm phân phối

Nếu trong quá trình quy hoạch, các giai đoạn được xem xét độc lập nhau thì gọi

là quy hoạch tĩnh; còn các giai đoạn được xem xét liên quan với nhau thì gọi là quy hoạch động Vì trong quy hoạch tĩnh ta xem xét các giai đoạn độc lập nhau do đó kết quả bài toán so với thực tế đôi khi không phù hợp Thường quy hoạch tĩnh chỉ phục vụ cho những công việc mang tính cấp bách, tạm thời

Nếu quy hoạch trong khoảng thời gian ngắn thì gọi là quy hoạch ngắn hạn, còn nếu quy hoạch trong thời gian dài thì gọi là quy hoạch dài hạn Ở dạng bài toán này các giai đoạn đều có liên quan với nhau Chi phí ở từng giai đoạn khác nhau là khác nhau, tùy thuộc vào giá vật tư, giá nhiên liệu ở từng thời điểm cũng như tốc độ trượt giá và lãi suất ngân hàng Để việc tính toán được chính xác và có thể so sánh được với nhau thì mọi chi phí ở các thời điểm khác nhau đều được quy về cùng một thời điểm

Trong bài toán quy hoạch nguồn, việc chọn cấu trúc tối ưu nguồn điện là quan trọng nhất mà thực chất là tính toán phân bố công suất cho từng nhà máy, trong từng thời kỳ sao cho mục tiêu đạt được là tổng chi phí nhỏ nhất với các ràng buộc như ràng buộc về công suất, ràng buộc về điện năng, ràng buộc về môi trường, ràng buộc về nhiên liệu,

Khác với hầu hết các dạng năng lượng khác, điện năng không thể tích trữ được

do đó công suất nguồn trong bài toán quy hoạch nguồn không được quá dư (gây lãng phí) hay quá thiếu (không đủ cung cấp cho tải)

Các nhà máy khác nhau với các loại nhiên liệu sử dụng khác nhau, suất đầu tư khác nhau, chi phí vận hành bão dưỡng khác nhau, tạo ra sự khác biệt trong giá thành sản xuất điện năng Có loại nhà máy suất đầu tư thấp nhưng chi phí vận hành bão dưỡng cao, có nhà máy suất đầu tư cao nhưng chi phí vận hành bão dưỡng thấp Có nhà máy sử dụng nhiên liệu rẻ tiền nhưng mức độ gây ô nhiễm môi trường cao hơn nhà máy

sử dụng nhiên liệu đắt tiền Có nhà máy suất đầu tư thấp, chi phí vận hành bão dưỡng thấp nhưng thời gian sử dụng (tuổi thọ) ngắn hơn so với nhà máy có suất đầu tư và chi phí vận hành bão dưỡng cao hơn Nói chung, các loại nhà máy khác nhau với các thông

số kỹ thuật khác nhau, chi phí lắp đặt vận hành khác nhau tạo ra rất nhiều phương án chọn lựa trong quá trình giải bài toán quy hoạch nguồn, tuy nhiên phương án được chọn phải là phương án tối ưu tức là chi phí thấp nhất (tính trong cả quá trình quy hoạch)

Để giải bài toán quy hoạch nguồn được chính xác thì cần phải có các thông số chính xác của các nhà máy nằm trong quy hoạch như suất đầu tư, suất chi phí vận hành, suất tiêu hao nhiên liệu, mức độ gây ô nhiễm môi trường, thời gian ngưng máy để bão trì, sửa chữa hàng năm, tuổi thọ nhà máy, Ngoài ra cần phải có các số liệu khác về

lĩnh vực kinh tế, tài chính, xã hội như lãi suất ngân hàng, tỉ giá hối đoái, mức độ trượt giá, mức khấu hao máy móc thiết bị, tình hình xuất nhập khẩu vật tư nhiên liệu,

Sau khi có các thông số kinh tế kỹ thuật của các nhà máy, tiến hành xây dựng

mô hình toán học, từ đó áp dụng các phương pháp, công cụ sẵn có để tìm lời giải tối ưu

2.2 Tổng quan về các phương pháp giải bài toán quy hoạch:

Có nhiều phương pháp giải bài toán quy hoạch nguồn như phương pháp đơn hình, phương pháp thế vị, phương pháp tuyến tính hóa, phương pháp gradient, phương pháp Lagrange, phương pháp hàm phạt với các mô hình toán như quy hoạch tuyến tính, quy hoạch phi tuyến, quy hoạch rời rạc, quy hoạch động Tùy theo mức độ chính xác của lời giải cũng như mô hình toán được áp dụng mà có thể áp dụng các phương pháp khác nhau

2.2.1 Phương pháp đơn hình:

Phương pháp đơn hình dựa trên nhận xét sau: nếu bài toán quy hoạch tuyến tính

có phương án tối ưu thì có ít nhất một đỉnh của D là phương án tối ưu D là đa diện lồi

có số lượng đỉnh là hữu hạn Như vậy tồn tại thuật toán hữu hạn Đây là phương pháp hoàn thiện dần lời giải, nghĩa là từ một lời giải cơ bản, thuật toán này cho phép đi nhanh nhất đến lời giải cơ bản tối ưu (nếu tồn tại)

Thuật toán phương pháp đơn hình gồm các bước:

Bước 1: Xây dựng bảng đơn hình xuất phát

Tìm phương án cực biên xuất phát và cơ sở của nó Xác định các ẩn cơ bản và không cơ bản, cho các ẩn không cơ bản nhận giá trị 0 rồi tính giá trị các ẩn cơ bản, tính giá trị của hàm

Bước 2: Kiểm tra tối ưu

Nếu phương án là tối ưu thì dừng thuật toán, ngược lại thì chuyển sang bước 3

Bước 3: Tìm vectơ đưa vào cơ sở

Chọn lại ẩn cơ bản và ẩn không cơ bản Ẩn cơ bản mới đưa vào là ẩn có hệ số

∆>0 Nếu có nhiều ẩn có ∆>0 thì chọn ẩn nào có ∆max Nếu có nhiều ẩn có ∆maxthì chọn tùy ý trong số các ẩn này

Bước 4: Tìm vectơ loại khỏi cơ sở

Nếu không thể xác định được các ẩn cơ bản cần loại ra thì bài toán sẽ không có phương án tối ưu

Bước 5: Chuyển sang phương án cực biên mới và cơ sở mới

Từ hệ ẩn cơ bản và không cơ bản mới, cho các ẩn không cơ bản nhận giá trị không rồi tính các ẩn cơ bản, tính giá trị của hàm Quay lại bước 2

2.2.2 Phương pháp đơn hình cải biên:

Phương pháp đơn hình chuẩn ở trên chỉ áp dụng để giải các các bài toán ở dạng chuẩn Đối với các bài toán ở dạng chính tắc bất kỳ, ta cần biến đổi hệ ràng buộc của nó

về dạng chuẩn tức có tồn tại ma trận đơn vị trong hệ ràng buộc Phương pháp này gọi là phương pháp đơn hình mở rộng

Để giảm bớt khối lượng tính toán và các thông tin lưu trữ trong mỗi bước lặp, Ochad và Hays đã đưa ra thuật toán đơn hình cải biên như sau:

Bước 1: Xây dựng bảng đơn hình xuất phát

Bước 2: Tìm cột quay và kiểm tra tối ưu

Bước 3: Tìm dòng quay

Bước 4: Biến đổi ma trận nghịch đảo mở rộng Quay về bước 2

2.2.3 Phương pháp Karmarkar:

Năm 1980, một cách tiếp cận mới với quy hoạch tuyến tính được đề xuất Người

ta chứng minh được rằng phương pháp đơn hình không phải là phương pháp thời gian

đa thức (thời gian tỉ lệ với số biến theo hàm đa thức) và bằng cách sử dụng thuật toán Karmarkar có thể giải quy hoạch tuyến tính trong thời gian đa thức Về cơ bản thuật toán này có nhiều điểm chung với thuật toán đơn hình

Các phương pháp trên áp dụng để giải đối với mô hình quy hoạch tuyến tính

2.2.4 Phương pháp Lagrange:

Là phương pháp kinh điển để giải các bài toán quy hoạch phi tuyến khi các ràng buộc có dạng đẳng thức và bất đẳng thức để xác định cực trị có điều kiện của hàm nhiều biến và khi hàm đó liên tục với đạo hàm riêng bậc nhất của nó

Ngày nay, các thuật toán trí tuệ nhân tạo cũng được áp dụng để giải các bài toán

quy hoạch nguồn như thuật toán di truyền, thuật toán tiến hóa, mạng nơron, tìm kiếm

Tabu, thuật toán PSO

2.2.5 Hệ chuyên gia (Expert System):

Phương pháp này mô phỏng kinh nghiệm của các chuyên gia trong lĩnh vực quy hoạch Các khái niệm mới dựa trên các đặc tính tự nhiên của vấn đề được phát triển để giảm thiểu khối lượng tính toán Các giải pháp kỹ thuật thỏa mãn các mục tiêu của bài toán và có khả năng mô hình hóa nhiều vấn đề không chắc chắn vốn tồn tại rất nhiều trong vấn đề quy hoạch

2.2.6 Thuật toán GEN:

Thuật toán Gen là thuật toán dựa trên cơ chế về sự chọn lựa ngẫu nhiên trong di truyền học và tiến hóa Bản thân quá trình tiến hóa đã thể hiện tính tối ưu của nó, đó là thế hệ sau luôn tốt hơn thế hệ trước

Thuật toán này được sử dụng hiệu quả trong các bài toán tối ưu không tuyến tính với nhiều ràng buộc khác nhau Ưu điểm của thuật toán là cấu trúc đơn giản, ít thông số điều khiển, điểm hội tụ cao

Kỹ thuật tối ưu hóa toàn cục dùng thuật toán Gen đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong hệ thống điện như điều độ kinh tế, quy hoạch công suất kháng, điều khiển nhà máy điện,

2.2.7 Thuật toán PSO:

Thuật toán PSO được xây dựng và phát triển dựa vào quá trình tìm kiếm thức ăn của một đàn côn trùng Khi đi tìm mồi, mỗi cá thể trong quần thể liên tục thay đổi vị trí

và vận tốc của mình dựa vào kinh nghiệm bản thân cũng như kinh nghiệm của cả quần thể Trong quá trình tìm kiếm, các cá thể luôn thông tin cho nhau vị trí và vận tốc của mình để rồi cuối cùng cả đàn sẽ tìm được nơi tốt nhất (nơi có thức ăn)

Thuật toán PSO cho kết quả hội tụ đến điểm tối ưu toàn cục hay gần toàn cục bất

kể dạng hàm chi phí Hiệu quả và đặc tính hội tụ của thuật toán rất tốt nên được áp dụng rộng rãi trong nhiều bài toán tối ưu

Các thuật toán trí tuệ nhân tạo cho kết quả tốt đối với các bài toán tối ưu Tuy nhiên đối với các bài toán có kích thước lớn với nhiều điều kiện ràng buộc như bài toán quy hoạch nguồn thì kết quả không tốt lắm

2.3 Tổng quan về các loại nhà máy điện:

2.3.1 Nhà máy thủy điện:

Nhà máy thủy điện là nhà máy sử dụng năng lượng dòng nước để tạo ra điện năng Áp lực dòng nước tác động lên cánh tua-bin làm quay cánh, kéo rôto quay để phát

ra điện Áp lực dòng nước tỉ lệ với độ chênh mực nước cũng như lưu lượng dòng chảy Tốc độ quay của rôto được điều khiển bằng cách điều chỉnh lưu lượng nước đi vào cánh tua-bin

Điện năng phát ra của nhà máy thủy điện phụ thuộc vào lượng nước chứa trong

hồ, do đó nhà máy phải được xây dựng ở những nơi đã được khảo sát kỹ về tình hình thủy văn

Ở Việt Nam, thời tiết phân thành hai mùa mưa nắng rõ rệt Mùa mưa nước lũ về nhiều, các nhà máy thủy điện được chạy tối đa để phát công suất nền, tích trữ nước cho mùa khô cũng như điều tiết lượng nước phục vụ cho công tác thủy lợi Ngược lại, mùa

khô ít nước, các nhà máy thủy điện thường không phát hết công suất mà chỉ chạy phủ đỉnh của đồ thị phụ tải Công tác bão trì, bão dưỡng nhà máy cũng được thực hiện vào những thời điểm này Việc tính toán thiết kế công suất các nhà máy thủy điện trong bài toán quy hoạch luôn có xét đến hệ số mùa β

Việc đóng mở các van nước đi vào cánh tua-bin được tự động hóa do đó nhà máy vận hành rất linh hoạt, thời gian khởi động và mang tải chỉ mất vài phút

Tua-bin và rôto được lắp đồng trục, nước trực tiếp đẩy cánh tua-bin quay nên hiệu suất sử dụng rất cao η = 85 → 90%

Do không phải đốt nhiên liệu để chạy máy nên không thải ra môi trường các chất gây hiệu ứng nhà kính và không mất nhiều nhân công cho việc vận hành nhà máy

Ngoài việc phát điện để hòa lưới quốc gia, các nhà máy thủy điện còn phải thực hiện việc điều tiết lượng nước phục vụ cho công tác tưới tiêu, đi lại của tàu thuyền ở phía hạ lưu

Vì phải xây đập để tạo hồ chứa hay đường ống dẫn nước để dẫn nước từ hồ về nhà máy nên vốn xây dựng các nhà máy thủy điện rất lớn và thời gian xây dựng lâu Trong bài toán quy hoạch, công suất lắp đặt của nhà máy được xem là tỉ lệ thuận với suất đầu tư Tuy nhiên đối với nhà máy thủy điện, chi phí xây dựng đập rất lớn, nên công suất đặt không được xem là tỉ lệ thuận với suất đầu tư Dù lắp đặt ban đầu với một lượng công suất rất nhỏ nhưng phải tốn chi phí rất lớn (khoảng 60% tổng chi phí của toàn bộ công trình):

trong đó: - V ($): chi phí đầu tư

- V0 ($): chi phí đầu tư cơ bản ban đầu (V0 ≈ 60% tổng giá trị công trình)

- Ip ($/KW): suất đầu tư

- Pd (KW): công suất lắp đặt

So với các loại nhà máy khác như nhà máy chạy than, chạy khí thì nhà máy thủy điện có chi phí vận hành rất thấp do không phải tốn nhiên liệu để chạy máy cũng như chi phí nhân công để vận hành các lò hơi, xử lý nước,

Trước đây, thủy điện từng được xem như giải pháp hữu hiệu để giải quyết bài toán thiếu hụt năng lượng vì tuy có vốn đầu tư lớn nhưng chi phí vận hành rất nhỏ lại không thải ra môi trường các chất gây hiệu ứng nhà kính Tuy nhiên sau nhiều năm xây dựng thủy điện tràn lan, ngày nay chúng ta đang phải đối diện với những tác động xấu

mà thủy điện mang lại như việc xây các hồ có diện tích lớn để chứa nước đã làm mất rất nhiều rừng gây ảnh hưởng lớn đến môi trường như làm thay đổi dòng chảy gây ra hiện tượng sói mòn, lỡ đất; làm giảm diện tích rừng để giữ nước trong mùa mưa gây ra hiện tượng lũ lụt; làm giảm diện tích đất canh tác,

Có nhiều loại nhà máy thủy điện như:

- Nhà máy thủy điện sau đập

- Nhà máy thủy điện đường dẫn

- Nhà máy thủy điện tích năng

- Nhà máy thủy điện thủy triều

2.3.2 Nhà máy nhiệt điện:

Nước được đun nóng cho bay hơi, hơi nước trong lò hơi (có áp suất cao) được đẩy vào các cánh tua-bin làm quay cánh, kéo rôto quay để phát ra điện Hơi nước sau khi qua cánh tua-bin sẽ đi qua bình ngưng rồi được bơm tuần hoàn trở về lò hơi để thực hiện chu kỳ tiếp theo

Hiệu suất của nhà máy loại này không cao (khoảng 30 → 40%), tính linh hoạt kém, thời gian khởi động và mang tải mất vài giờ

Từ lúc nhập nhiên liệu cho đến lúc phát ra điện phải qua rất nhiều khâu và công đoạn khác nhau do đó cần có nhiều nhân công cho công tác vận hành bão dưỡng nhà máy

Nguồn nhiên liệu chạy máy thường là than đá hay tận dụng bất cứ nguồn nào sẵn

có như bã mía trong các nhà máy sản xuất đường,

Với công nghệ nhiệt điện chạy than hiện nay, lượng khí nhà kính phát thải ra môi trường khoảng 1,2 đến 1,3 kg CO2/KWh Trong thời gian tới, công nghệ sử dụng tiên tiến hơn sẽ làm giảm lượng khí nhà kính xuống còn khoảng 1,0 kg CO2/KWh

Theo các công ước quốc tế về giảm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính thì khi xem xét xây dựng các nhà máy nhiệt điện cần chọn các loại có công nghệ tiên tiến, hiện đại

có suất phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính nhỏ để đảm bảo tiêu chí này

Có các loại nhà máy nhiệt điện như:

- Nhà máy nhiệt điện hơi nước dạng ngưng hơi: hơi nước sau khi ra khỏi buồng cánh tua-bin sẽ được làm ngưng tụ rồi bơm trở về lò hơi

- Nhà máy nhiệt điện hơi nước dạng trích hơi: hơi nước sau khi ra khỏi cánh tua-bin được sử dụng cho các phụ tải nhiệt khác

2.3.3 Nhà máy Gas-turbin:

Không khí được nén lại ở áp suất cao rồi đưa vào buồng đốt, tại đây nhiên liệu cũng được bơm vào rồi được đốt cháy Khí đã đốt cháy được phun vào cánh tua-bin làm quay cánh, kéo rôto quay để phát ra điện Khí sau khi ra khỏi tua-bin vẫn còn nhiệt độ rất cao có thể được tận dụng để sản xuất hơi nước cung cấp cho các tua-bin hơi (gọi là đuôi hơi)

Hiệu suất của nhà máy loại này là: 35 → 38% đối với chu trình đơn (không có đuôi hơi), 55 → 60% đối với chu trình hỗn hợp (có đuôi hơi)

2.3.4 Nhà máy điện diesel:

Các máy nổ diesel kéo rôto máy phát điện quay để phát ra điện

2.3.5 Nhà máy điện hạt nhân:

Nhà máy điện hạt nhân là nhà máy điện sử dụng năng lượng trong phản ứng phân rã hạt nhân để phát ra điện

Khi nguyên tử Urani hay Plutoni hấp thụ một neutron, nó có thể trải qua phản ứng phân hạch hạt nhân để tách thành nhiều hạt nhỏ hơn Phản ứng phân hạch sản sinh một nhiệt lượng lớn cùng neutron mới Những neutron mới tiếp tục bắn phá các nguyên

tử Urani hay Plutoni để tạo nên phản ứng dây chuyền Toàn bộ quá trình phản ứng diễn

ra trong lõi kín bằng thép của lò phản ứng, nhiệt mà phản ứng tạo ra sẽ làm nước sôi và bay hơi, luồng hơi nước nóng sẽ làm quay cánh tua-bin, kéo rôto quay để phát ra điện

Các lò phản ứng hạt nhân trong nhà máy điện hạt nhân ngày nay đã trãi qua 3 thế hệ:

- Lò phản ứng thế hệ thứ I: gồm các lò:

+ Magnox

+ Shippingport

+ Dresden

- Lò phản ứng thế hệ thứ II: áp dụng nguyên lý lò nước áp suất cao, bao gồm các lò

+ Canada Deuterium Uranium (CANDU)

+ Advanced Gas-Cooled Reactor (AGR)

+ Water Water Energy Reactor (WWER)

- Lò phản ứng thế hệ thứ III: bao gồm các lò:

+ Advanced Boiling Water Reactor (ABWR)

+ Advanced Pressurized Water Reactor (APWR)

+ Enhanced CANDU 6 (EC6)

- Lò phản ứng thế hệ thứ III+: bao gồm các lò:

+ Advanced CANDU Reactor (ACR - 1000)

+ European Pressurized Reactor (EPR)

+ European ABWR

Ngày nay, trước những yêu cầu cấp bách về độ an toàn cũng như bảo vệ môi trường mà các lò phản ứng thế hệ thứ IV đang được nghiên cứu và đưa vào sử dụng trong tương lai

Nguồn năng lượng hạt nhân là rất lớn Công nghệ hiện nay cho phép xây dựng

và vận hành các lò phản ứng với độ an toàn cao Quá trình vận hành hầu như không thải

ra môi trường các chất độc hại, các chất gây ô nhiễm môi trường cũng như các chất gây hiệu ứng nhà kính Sau mỗi chu kỳ vận hành của lò, các chất thải (rắn) được phân ra thành chất thải có chu kỳ phân rã ngắn (khoảng 10 đến 20 năm) và chất thải có chu kỳ phân rã lâu hơn (trên 20 năm) Các chất thải này được đúc thành các khối bê tông và chôn sâu trong lòng đất, sau khi hết thời gian phân rã sẽ không còn nguy hại cho môi trường Trong thời gian này, con người luôn nghiên cứu để tìm ra các biện pháp xử lý tốt hơn

Năng lượng hạt nhân có thể nói là nguồn năng lượng sạch nếu chúng ta đảm bảo được an toàn tuyệt đối trong quá trình vận hành Các sự cố xảy ra có thể là do thiên tai như động đất, sóng thần; hay có thể do chủ quan của con người như vận hành sai quy trình quy phạm

Để giảm sự cố do thiên tai, cần khảo sát để xây dựng nhà máy tại những vị trí an toàn về địa chất để tránh động đất; cũng như các vùng không bị ảnh hưởng của sóng thần như xa biển hay gần biển nhưng có có các rạng núi che chắn nhà máy

Đối với các sự cố do lỗi con người thì những người quản lý và vận hành nhà máy phải được tuyển chọn và đào tạo kỹ lưỡng để không để xảy ra sai sót, nhầm lẫn trong quá trình vận hành nhà máy

2.3.6 Phong điện:

Hiện nay, các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng được khuyến khích phát triển

do không gây ô nhiễm môi trường và do các nguồn năng lượng địa khai như than đá, dầu mỏ đang dần can kiệt

Phong điện là cụm máy phát điện từ năng lượng của gió Gió thổi làm quay cánh của tua-bin gió Động năng của gió biến thành cơ năng của trục quay rồi được chuyển thành điện năng nhờ bộ biến đổi

Đây là nguồn phát năng lượng điện mang lại nhiều điều hứa hẹn đối với tương lai nhân loại vì những ưu điểm của nó so với các loại nguồn phát năng lượng khác như:

- Không ảnh hưởng nhiều đến đất canh tác

- Đây là nguồn năng lượng (gió) sạch và có thể nói là vô tận, vấn đề là chúng ta cần khảo sát, nghiên cứu để xây dựng ở những nơi thích hợp, có gió nhiều và ổn định để phát được công suất tối đa

- Quá trình vận hành không gây tác động và ảnh hưởng nhiều đến môi sinh, môi trường

- Suất đầu tư, giá thành sản xuất điện ngày càng giảm do kỹ thuật, công nghệ ngày càng phát triển

Tuy nhiên phong điện cũng có những khuyết điểm của nó nhưng so với các loại nhà máy khác thì không đáng kể như:

- Làm thay đổi cảnh quang nơi lắp đặt

- A (m2): bề mặt quét của cánh quạt hướng thẳng vào chiều thổi của gió

- v (m/giây): tốc độ gió (phụ thuộc vào độ cao)

Bảng phân loại cấp độ gió:

Công suất tăng khi vận tốc gió tăng Khi vận tốc gió tăng lên 2 lần thì công suất tăng lên 8 lần Tuy nhiên hiệu suất phát điện của cụm phong điện chỉ khoảng 60% do hiệu suất máy phát điện, hiệu suất hộp truyền động,

Sơ đồ khối của cụm phát điện phong điện như hình 2.6

2.4 Tổng quan về bài toán tối ưu:

Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta luôn gặp phải những vấn đề phải ra quyết định Ví dụ khi mua một món hàng ta luôn muốn món hàng đó có chất lượng cao nhưng giá phải thấp Việc ra quyết định đó được xem là vấn đề tối ưu, quyết định đưa ra gọi là phương án tối ưu

Hầu hết mọi vấn đề lập kế hoạch và thực hiện bao gồm ba bước chính yếu sau đây:

2.4.1.1 Biến độc lập và biến phụ thuộc:

Biến độc lập là biến ra quyết định, người ra quyết định phải xác định giá trị tối

ưu của nó rồi từ đó các biến phụ thuộc khác được xác định dựa vào một số điều kiện nào đó Ví dụ trong vấn đề tối ưu hóa phân bố công suất thì công suất hữu công là biến quyết định còn biến phụ thuộc có thể là tổng nhiên liệu tiêu thụ, tổn thất, các biến này được xác định dựa vào các biến độc lập Khi tính toán bù cho hệ thống thì vị trí và công suất tụ bù là biến quyết định còn điện áp thanh cái và tổn thất hệ thống là biến phụ thuộc Trong bài toán quy hoạch nguồn, biến quyết định là công suất lắp đặt của các nhà máy trong từng thời kỳ

Một vấn đề có n biến quyết định sẽ có không gian lời giải n chiều mà bất kỳ điểm nào trong không gian đó cũng có thể là lời giải

2.4.1.2 Các hàm ràng buộc:

Trong vấn đề tối ưu, một vài giới hạn có thể được đưa vào không gian lời giải Những giới hạn này có thể là những giới hạn về mặt kỹ thuật, giới hạn về mặt kinh tế, giới hạn về mặt môi trường, và được gọi chung là các ràng buộc Các ràng buộc này chia không gian lời giải thành những miền khả thi (miền chấp nhận của lời giải) và không khả thi (miền không chấp nhận lời giải) Người ra quyết định phải chọn một điểm trong miền khả thi

Trên hình 2.4.1 ta thấy có thể chọn hai phương án (lời giải) cho bài toán hai chiều

Trên hình 2.4.2 ta thấy cũng bài toán trên nhưng nếu có ràng buộc thì chỉ có thể chọn một phương án

Ví dụ trong bài toán quy hoạch nguồn thì công suất lắp đặt phải nằm trong giới hạn cho phép và tổng công suất phát phải lớn hơn nhu cầu của tải Còn trong bài toán

tính toán bù cho hệ thống, ràng buộc về kỹ thuật có thể là số lượng tối đa tụ bù lắp trên một thanh cái, còn ràng buộc về kinh tế có thể là giới hạn về chi phí lắp đặt

2.4.1.3 Hàm mục tiêu:

Từ nhiều điểm trong miền khả thi, người ra quyết định phải chọn một điểm tốt nhất Thật ra, hàm mục tiêu là một hàm trong đó biến quyết định được đưa ra bởi người

ra quyết định thể hiện đáp án mong muốn của người đó

Trên hình 2.4.3 ta thấy nếu hàm mục tiêu được chọn là max của x1 thì điểm A sẽ được chọn, còn nếu min của x2 được lấy làm hàm mục tiêu thì B sẽ là kết quả cuối cùng

Trong thực tế, một vấn đề tối ưu có thể có nhiều điểm cực đại và nhiều điểm cực tiểu Trong số các điểm cực trị này chỉ có một điểm là tối ưu toàn cục, còn lại là tối ưu cục bộ

2.4.2 Mô hình hóa vấn đề:

Sau khi các biến quyết định, các ràng buộc, hàm mục tiêu đã được xác định, người ra quyết định phải mô hình hóa vấn đề để giải quyết Việc mô hình hóa phụ thuộc rất nhiều vào các công cụ có sẵn, độ chính xác yêu cầu,

Mô hình tối ưu tổng quát có dạng:

min hoặc max C(x) với ràng buộc g(x) ≤ b

ở đây: - x là biến quyết định

- C(x) là hàm mục tiêu

- g(x) ≤ b là ràng buộc bất phương trình

Biến quyết định có thể là số thực hay số nguyên

Hàm C và g có thể là liên tục hay không liên tục, tuyến tính hay phi tuyến

Nói một cách tổng quát:

- Cực đại của C tương đương cực tiểu của (-C)

- Ràng buộc phương trình là f(x), khác với ràng buộc bất phương trình g(x)

- g(x) > glo (hay g(x) - glo > 0) tương đương với -(g(x) - glo) < 0

- Có thể có nhiều hàm ràng buộc f(x) và g(x)

- Có thể có nhiều biến độc lập x (còn gọi là vectơ x)

Có thể ghi tóm tắt vấn đề tối ưu như sau:

Phương pháp này luôn dẫn đến kết quả hội tụ và có nhiều cách tính khác nhau:

2.4.3.1.1 Phương pháp tính toán:

Đây là phương pháp truyền thống để tìm điểm tối ưu, nó được áp dụng trong trường hợp hàm mục tiêu và ràng buộc là các hàm khả vi và liên tục Để tìm điểm tối

ưu, ta lấy đạo hàm các hàm này rồi cho chúng bằng không để tìm kết quả Phương pháp

nhân tử Lagrange được sử dụng rất nhiều để tìm điểm tối ưu nhất là khi các ràng buộc

là phương trình

2.4.3.1.2 Phương pháp quy hoạch tuyến tính:

Phương pháp này được sử dụng khi hàm mục tiêu và ràng buộc là tuyến tính Khi áp dụng phương pháp này cần lưu ý các điểm sau đây:

1/ Mọi vấn đề đều có thể chuyển về tìm min của hàm vì max C(x) ↔ min(-C(x))

2/ Mọi ràng buộc đều có thể chuyển về dạng phương trình vì:

a1x1+a2x2+ +anxn > b ↔ a1x1+a2x2+ +anxn-x'n+1 = b

a1x1+a2x2+ +anxn < b ↔ a1x1+a2x2+ +anxn+x''n+1 = b trong đó x'

n+1 và x''n+1 là các biến phụ không âm được thêm vào để chuyển bất phương trình thành phương trình

3/ Tất cả các biến phụ được xem là không âm và không bị ràng buộc về dấu vì ta có thể viết:

xj = x'j - x''jvới x'j ≥ 0 và x''j ≥ 0

Ta thấy xj sẽ có giá trị âm, dương hay bằng không tùy vào giá trị của x'j nhỏ hơn, lớn hơn hay bằng giá trị của x''

j Phương pháp này đơn giản, cho kết quả hội tụ nhanh

2.4.3.1.3 Phương pháp quy hoạch phi tuyến:

Phương pháp này sử dụng khi hàm mục tiêu hay hàm ràng buộc có dạng phi tuyến

Như đã trình bày, tất cả mọi vấn đề tối ưu có ràng buộc đều có thể chuyển về tối

ưu không ràng buộc và được tính lặp từ lời giải giả thiết ban đầu tiến về lời giải tối ưu

Phương pháp gradient được sử dụng rất nhiều để giải quyết các vấn đề trong hệ thống

điện

2.4.3.1.4 Phương pháp quy hoạch động:

Phương pháp này sử dụng trong trường hợp vấn đề tối ưu phải thỏa mãn trong nhiều thời kỳ khác nhau Vấn đề không phải là đi từ tối ưu của thời kỳ đầu tiến về thời

kỳ cuối mà là tối ưu của tất cả các thời kỳ

Phương pháp này được sử dụng rất nhiều trong các bài toán quy hoạch

2.4.3.1.5 Phương pháp quy hoạch nguyên:

Khi các biến chỉ nhận các giá trị nguyên thì gọi là quy hoạch nguyên (ví dụ số tổ máy đưa vào vận hành, số tụ bù lắp thêm)

2.4.3.2 Phương pháp suy nghiệm:

Các phương pháp toán học ở trên luôn dẫn đến kết quả tối ưu với thời gian tính toán hợp lý

Ngày nay nhiều phương pháp suy nghiệm được đưa ra để giải quyết các bài toán tối ưu Hầu hết các thuật toán này đều dựa vào hành vi của những loài sinh vật, tất cả đều xuất phát từ một điểm rồi tiến về phía lời giải tốt hơn thông qua việc tìm kiếm đã được chỉ dẫn trước đó Các thuật toán phổ biến hiện nay là:

- Thuật toán Genetic (GA), dựa trên quá trình biến đổi gien trong di truyền học

- Thuật toán Simulated Annealing (SA), dựa trên nguyên tắc của quá trình luyện kim

- Thuật toán Particle Swarm (PS), dựa trên quá trình tìm mồi của đàn cá hay đàn chim

- Thuật toán Tabu Search (TS), dựa trên sự đáp ứng của bộ nhớ

- Thuật toán Ant Colony (AC), dựa trên hành vi của đàn kiến

2.4.3.2.1 Thuật toán GA:

Trong tự nhiên, các sinh vật luôn phải đương đầu với sự thay đổi liên tục của môi trường xung quanh, chúng phải tiến hóa không ngừng cả về hành vi và thể chất để tồn tại Có thể nói bản thân quá trình tiến hóa tự nhiên là một vấn để tối ưu

Các bước cơ bản của thuật toán GA như sau:

a) Khởi đầu: Đối với các biến điều khiển X cho trước, chọn ngẫu nhiên một biến

, trong đó mỗi cá thể được đại diện bởi một chuỗi mã nhị phân Mỗi chuỗi bao gồm một vài mã nhị phân và mỗi mã là số 0 hoặc số 1 Do đó mỗi cá

Đặt thế hệ này là k=0, chuyển qua bước kế tiếp

b) Chọn lựa: chọn lựa một cặp cá thể từ quần thể coi như là bố mẹ Nói chung, cá thể càng tốt thì khả năng được chọn càng lớn

c) Đổi chéo: đây là hoạt động nhằm thay đổi hoàn toàn thông tin trong số các cá thể

Có nhiều phương pháp đổi chéo như là đổi chéo một điểm và đổi chéo nhiều điểm

chia chúng làm hai phần Sau đó thay đổi các phần đuôi trong các chuỗi bố mẹ Thế hệ bố mẹ thế hệ con

100110 01101 100110 10000

111011 10000 111011 01101

và chia chúng làm nhiều phần Sau đó thay đổi một vài phần trong các chuỗi

Đổi chéo một điểm

Đổi chéo hai điểm

cá thể có hình thể nhỏ hơn sẽ có khả năng đột biến lớn hơn

và đảo ngƣợc giá trị của mã nhị phân

Thế hệ bố mẹ thế hệ con

1101000001 1101001001

và chia chúng thành nhiều phần Sau đó đảo ngƣợc giá trị của mã nhị phân trong một vài phần

Đột biến một điểm

Đột biến hai điểm

Đột biến ba điểm Đổi chéo ba điểm

Việc tính toán sẽ dừng nếu điều kiện hội tụ thỏa mãn Ngược lại, quay về bước (b) để chọn lựa rồi tính toán lại

2.4.3.2.2 Thuật toán SA:

Luyện kim là quá trình làm nguội tự nhiên một vật liệu nóng chảy từ nhiệt độ cao Nếu quá trình làm nguội diễn ra ở điều kiện cân bằng nhiệt thì sẽ tạo ra các tinh thể Trạng thái tinh thể tuyệt đối tương đương với trạng thái có năng lượng nhỏ nhất Thuật toán SA là thuật toán dựa trên quá trình làm nguội vật liệu trong quá trình luyện kim

Thuật toán này thích hợp để giải quyết các vấn đề phức tạp đối với các hàm không khả vi, không liên tục và không lồi

2.4.3.2.3 Thuật toán PS:

Thuật toán PS dựa trên quá trình tìm thức ăn của đàn chim Trong quá trình tìm kiếm thức ăn, mỗi cá thể luôn thông tin cho nhau vị trí tốt có thể để rồi cuối cùng cả đàn sẽ tìm được vị trí có thức ăn

2.4.3.2.4 Thuật toán TS:

Đây là thủ tục lặp từ điểm ban đầu tiến về không gian lời giải một cách tích cực hơn so với thuật toán GA và SA Tại mỗi vòng lặp, cấu trúc lân cận sẽ được xác định,

sự di chuyển tạo ra cấu hình tốt nhất

2.4.3.2.5 Thuật toán AC:

Quan sát trong tự nhiên ta thấy kiến có khả năng tìm được khoảng cách ngắn nhất đến chỗ có thức ăn, các nhà khoa học đã nghiên cứu, mô phỏng khả năng này và phát triển thành thuật toán AC

CHƯƠNG 3: THÀNH LẬP BÀI TOÁN

* Ctotal : tổng chi phí của toàn dự án ($)

* Cinv : chi phí đầu tư ($)

* Cfuel : chi phí nhiên liệu ($)

PGi (KW) : công suất đặt của tổ máy thứ i

Xit : số tổ máy thứ i đưa vào vận hành ở năm t

T (năm): thời gian quy hoạch

Ng : số nhà máy

3.1.2 Chi phí nhiên liệu:

Chi phí nhiên liệu là số tiền bỏ ra để mua nhiên liệu phục vụ cho quá trình vận hành nhà máy Chi phí này bằng tích của suất tiêu hao nhiên liệu với điện năng phát ra của nhà máy Nếu nhà máy có suất tiêu hao nhiên liệu càng lớn thì chi phí này càng lớn,

do đó khi chọn mua để lắp đặt nhà máy mới cần xem xét đến yếu tố này để giảm giá thành

Ng T

Energyit (KWh) : điện năng phát ra của nhà máy thứ i vào năm t

Cost_Fuelet ($): chi phí nhiên liệu của nhà máy có sẵn vào năm t

3.1.3 Chi phí vận hành:

Chi phí vận hành là số tiền bỏ ra để điều khiển, vận hành cũng như bão trì, sửa chữa nhà máy để phát ra điện Chi phí này bằng suất chi phí vận hành nhân với công suất vận hành thực tế của nhà máy nhân với thời gian vận hành công suất đó

Chi phí vận hành bao gồm hai thành phần: thành phần cố định và thành phần thay đổi:

- Thành phần thay đổi phụ thuộc vào công suất phát thực tế của nhà máy, phụ thuộc vào số ngày hoạt động cũng như ngưng máy của nhà máy Nó bằng tích của suất chi phí vận hành (thay đổi) với công suất vận hành thực

tế và thời gian vận hành thực tế Chi phí này liên quan đến tiền lương phải trả cho những người trực tiếp làm việc, trực tiếp vận hành nhà máy để phát

ra điện, thời gian phát điện càng dài, càng liên tục (điện năng phát ra càng lớn) thì chi phí này càng lớn

- Thành phần cố định không phụ thuộc vào công suất phát thực tế mà chỉ phụ thuộc vào công suất lắp đặt Nó bằng tích của suất chi phí vận hành (cố định) nhân với công suất lắp đặt nhân với 12 (tháng) Thành phần này liên quan đến tiền lương phải trả cho bộ phận gián tiếp trong nhà máy như khối hành chánh, văn phòng, bảo vệ,

Ng T

3.1.4 Chi phí điện năng không đưa vào sử dụng:

Nhà máy một khi đã được tính toán và xây dựng thì luôn được mong muốn chạy hết công suất để thu hồi vốn càng nhanh càng tốt Tuy nhiên, trong thực tế vì nhiều lý do khác nhau mà nhà máy phải ngưng hoạt động một phần hay toàn bộ như sự cố, ngưng

máy để định kỳ sửa chữa, Vào những thời điểm này, tuy không phát lƣợng công suất nào nhƣng vẫn phải tốn chi phí do việc mất điện đó

ENSt (KWh) : điện năng không đƣa vào sử dụng của nhà máy i vào năm t

Để đơn giản, thành phần này không đƣợc xét đến trong luận văn

Tổn thất công suất là lƣợng công suất mất mát do truyền tải, do kỹ thuật đấu nối thiết bị, do bản thân thiết bị,

Rest : độ dự trữ yêu cầu vào năm t

PLt (KW) : tải vào năm t

PGt (KW) : công suất của các nhà máy hiện hữu vào năm t

LOLPt (KW) : tổn thất vào năm t

LOLP (KW) : tổn thất cho phép

3.2.2 Ràng buộc về nhiên liệu:

Fuelij (đơn vị đo lường/KWh) : suất tiêu thụ nhiên liệu loại j của nhà máy thứ i

Nf : số nhiên liệu sẵn có (j thuộc Nf)

Fuelejt (đơn vị đo lường) : tiêu thụ nhiên liệu loại j của nhà máy hiện hữu

Fueljt (đơn vị đo lường) : giới hạn nhiên liệu loại j vào năm t

Để vận hành nhà máy ta phải tốn một lượng nhiên liệu nào đó như than, dầu diesel, khí thiên nhiên, Các nhiên liệu này phải mua hay phải nhập khẩu từ nước ngoài nghĩa là nó phụ thuộc vào tình hình thị trường trong nước cũng như xuất nhập khẩu từ nước ngoài

Ở từng giai đoạn khác nhau sẽ có những giới hạn về lượng nhiên liệu khác nhau Giới hạn nhiên liệu sẽ ảnh hưởng đến thời gian chạy máy của từng nhà máy, là một trong những yếu tố quyết định lượng điện năng phát ra của các nhà máy trong từng giai đoạn Một nhà máy có thể phát một lượng điện năng là E trong khoảng thời gian t, tuy nhiên nếu như nhiên liệu bị giới hạn (tức không đủ nhiên liệu để chạy máy) thì lượng điện năng phát thực tế sẽ nhỏ hơn E Nếu nhiều nhà máy cùng sử dụng một loại nhiên liệu thì việc nhà máy nào phát lượng công suất bao nhiêu, trong thời gian bao lâu liên quan đến bài toán điều độ kinh tế

3.2.3 Ràng buộc về ô nhiễm:

Quá trình đốt nhiên liệu để chạy máy luôn thải ra môi trường xung quanh các chất gây nguy hại như CO2, NOx, SOx, Theo các công ước quốc tế về bảo vệ môi trường và giảm khí thải nhà kính trên toàn thế giới cũng như các quy định của nhà nước, các lượng khí thải này không được quá mức cho phép

Polluejt (đơn vị đo lường): ô nhiễm loại j của nhà máy hiện hữu vào năm t

Polluij (đơn vị đo lường/MWh): ô nhiễm loại j của nhà máy thứ i

Pollujt (đơn vị đo lường): ô nhiễm loại j cho phép vào năm t

Để đơn giản, trong phạm vi luận văn chỉ xét đến giới hạn khí CO2 thải ra môi trường mà không xét đến các loại khí khác

Yêu cầu bài toán là tìm min của hàm mục tiêu Ctotal (3.1.1) với các ràng buộc là (3.1.6), (3.1.7), (3.1.8), (3.1.9)

CHƯƠNG 4: CÁC MÔ HÌNH QUY HOẠCH TỐI ƯU

4.1 Quy hoạch tuyến tính (LP):

Quy hoạch tuyến tính là phương pháp để giải các bài toán tối ưu trong đó hàm mục

tiêu và các ràng buộc là hàm tuyến tính của các biến quyết định Các ràng buộc có thể là phương trình hoặc bất phương trình

Quy hoạch tuyến tính được tìm ra lần đầu vào những năm 1930 bởi các nhà kinh tế

trong việc tìm kiếm các giải pháp tối ưu trong việc phân bổ các nguồn tài nguyên Năm

1947, George B Dantzig đưa ra công thức cho bài toán quy hoạch tuyến tính tổng quát và

tìm ra phương pháp đơn hình, điều này làm cho quy hoạch tuyến tính càng được sử dụng

rộng rãi hơn Từ đó, việc phát triển lý thuyết và ứng dụng vào thực tế ngày càng có nhiều tiến bộ Sự đóng góp về mặt lý thuyết của Kuhn và Tucker đã tạo bước khởi đầu cho việc

phát triển lý thuyết đối ngẫu trong quy hoạch tuyến tính còn Charnes và Cooper có công

trong việc ứng dụng chúng vào thực tế

Phương pháp Quy hoạch tuyến tính đã có những bước phát triển cho phép chúng ta

đưa ra quyết định tối ưu trong những vấn đề phức tạp Đã có ít nhất bốn giải Nobel cho

những đóng góp liên quan đến quy hoạch tuyến tính

Quy hoạch tuyến tính được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế Một trong những

ứng dụng sớm nhất là tính toán trong vấn đề lọc dầu Dầu thô được mua từ nhiều nguồn khác nhau với nhiều giá khác nhau sau đó qua quá trình lọc để cho ra nhiều sản phẩm khác nhau như xăng máy bay, xăng chạy máy và dầu diesel với các chất lượng khác nhau Các ràng buộc có thể là giới hạn về lượng dầu thô có sẵn và khả năng lọc dầu để cho ra sản phẩm Việc mua dầu thô và sản xuất ra các sản phẩm phải tạo được lợi nhuận tối đa

Kế hoạch sản xuất tối ưu trong một nhà máy có thể được quyết định bằng việc sử

dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính Việc kinh doanh của một công ty rất uyển

chuyển, công ty có thể có nhiều lựa chọn khác nhau, có thể chấp nhận giảm lợi nhuận trong một giai đoạn nào đó nhưng lợi nhuận tổng cho toàn kế hoạch phải là lớn nhất

Quy hoạch tuyến tính cũng được sử dụng trong một số thiết kế kỹ thuật như thiết

kế khung dầm của các bài toán xây dựng và cơ khí,

Bài toán quy hoạch tuyến tính tổng quát có thể phát biểu ở những dạng chuẩn sau đây:

1/ Dạng vô hướng:

min f(x1, x2, x3, , xn) = c1x1 + c2x2 + + cnxnvới các ràng buộc:

2/ Dạng ma trận:

min f(X) = cTX với các ràng buộc:

a/ Hàm mục tiêu là dạng cực tiểu vì:

max f ↔ min (-f) b/ Tất cả các ràng buộc là dạng phương trình vì:

a1x1 + a2x2 + + anxn ≥ b1 ↔ a1x1 + a2x2 + + anxn - xn+1 = b1

a1x1 + a2x2 + + anxn ≤ b1 ↔ a1x1 + a2x2 + + anxn + xn+1 = b1c/ Tất cả các biến quyết định là không âm vì :

xj = x'j - x''j

x'j ≥ 0

x''j ≥ 0 Thông thường, một bài toán quy hoạch tuyến tính có m ràng buộc và n biến quyết định với m < n Nếu m > n thì sẽ có (m - n) phương trình dư ra mà có thể được bỏ đi Trường hợp m = n thì có thể có một nghiệm thỏa các ràng buộc (nhưng có thể là không tối ưu) hoặc không có nghiệm (trong trường hợp các ràng buộc mâu thuẫn nhau) Vấn đề

là tìm một lời giải trong số các lời giải thỏa mãn các ràng buộc để f đạt cực tiểu

Bài toán quy hoạch tuyến tính đơn giản nhất là bài toán chỉ có hai biến, đối với bài toán này ta có thể giải bằng phương pháp hình học như sau:

Giả sử tìm max F(x,y) với các ràng buộc:

f1(x,y) ≤ 0

f2(x,y) ≤ 0

x ≥ 0

y ≥ 0 Trong mặt phẳng (x,y) vẽ các đường f1, f2, x, y, F

Mục tiêu của bài toán là tìm max F(x,y) trong vùng giới hạn (0,A,B,C) Trường hợp F không song song với f1, f2, x và y thì bài toán có một nghiệm duy nhất còn nếu hàm F song song với f1 hoặc f2 hoặc x hoặc y thì sẽ có vô số điểm nằm trên F thỏa mãn các ràng buộc

Mặc dù có nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng để giải các bài toán quy

hoạch tuyến tính nhưng phương pháp đơn hình vẫn là phương pháp hiệu quả và phổ biến

nhất Phương pháp đơn hình gồm hai pha như sau:

- Pha I: Dùng chính thuật toán đơn hình để tìm xem bài toán có phương án khả thi hay không, nếu có thì phương án khả thi này được dùng cho pha II

- Pha II: Tìm xem bài toán có điểm tối ưu bị chặn hay không, nếu có thì tìm lời giải khả thi cơ bản tối ưu

Tóm lại phương pháp đơn hình được thực hiện như sau: Giả sử tìm các giá trị không âm của biến x1, x2, , xn thỏa mãn các phương trình sau: