Xây dựng giải thuật giản lược lưới điện trong bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất tác dụng

Trong khi đó, biện pháp tái cấu trúc lưới thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng /mở các cặp khoá điện có sẵn trên lưới cũng có thể giảm tổn thất điện năng đáng kể nhằm đạt được cân bằ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THANH THUẬN

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2009

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG VIỆT ANH

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2009 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm: 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)

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP HCM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, ngày tháng năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THANH THUẬN Phái: Nam

Ngày tháng năm sinh: 05/09/1983 Nơi sinh: Đồng Tháp Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện MSHV: 01807297

I- TÊN ĐỀ TÀI:

Xây dựng giải thuật giản lược lưới điện trong bài toán tái cấu trúc luới điện phân phối giảm tổn thất công suất tác dụng

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

III- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: IV- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRƯƠNG VIỆT ANH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS TRƯƠNG VIỆT ANH

CN BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn đến tất cả các quý Thầy, Cơ Trường Đại Học Bách Khoa đã trang bị cho em kiến thức bổ ích trong tồn bộ khố học và em cũng chân thành gửi lịng biết ơn đến các Thầy, Cơ bộ mơn Hệ Thống đã tạo điều kiện, hỗ trợ cho em trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận án

Đặc biệt, xin trân trọng bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến Thầy, TS Trương Việt Anh – người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình em trong suốt quá

trình thực hiện Luận văn tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn Phịng Điều độ, Phịng Kế hoạch Kỹ thuật Điện lực Đồng Tháp, đã hỗ trợ tơi trong việc cung cấp số liệu tính tốn và phối hợp thực hiện các cơng việc liên quan trong quyển luận văn này

Ngồi ra, tơi xin chân thành cám ơn đến bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2009

Học viên: NGUYỄN THANH THUẬN

MỤC LỤC

Chương 0: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

0.1 Giới thiệu 1

0.2 Phạm vi thực hiện đề tài 2

0.3 Bố cục luận văn 2

Chương 1: TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 3

1.1 Tổng quan LĐPP – Mục đích tái cấu trúc lưới điện 3

1.2 Bài toán tái cấu trúc lưới điện 5

1.3 Bài toán 3 – Bài toán xác định cấu trúc lưới điện giảm tổn thất công suất tác dụng 8

Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢI TÍCH TOÁN HỌC & GIẢI THUẬT HEURISTIC TÁI CẤU TRÚC LĐPP 17

2.1 Xây dựng hàm độ lệch suất tăng tổn thất côn suất tác dụng 17

2.2 Xây dựng giải thuật Heuristic vòng kín 25

2.3 Giải tích toán học giải lược nút – nhánh phụ tải 29

Chương 3: TÁI CẤU TRÚC MỘT SỐ VÍ DỤ MINH HỌA 34

3.1 Giới thiệu phần mềm tính toán lưới điện PSS/Adept 34

3.2 Ví dụ với mô hình 01 nguồn 05 khóa 40 phụ tải 34

3.3 Ví dụ với mô hình 01 nguồn 10 khóa 76 phụ tải 41

3.2 Ví dụ với mô hình 02 nguồn 17 khóa 122 phụ tải 51

Chương 4: KHẢO SÁT VÀ TÁI CẤU TRÚC LĐPP THỰC TẾ 67

4.1 Giới thiệu 67

4.2 Tái cấu trúc lưới điện CNĐ Tp Cao Lãnh 68

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

CHƯƠNG 0:

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

0.1 GIỚI THIỆU:

Lưới điện phân phối (LĐPP) đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện đến

hộ tiêu thụ Vì lý do kỹ thuật, nó luôn được vận hành theo kiểu hình tia, mặc dù được thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy trong quá trình cung cấp điện Tổn thất năng lượng trên lưới phân phối hiện nay khoảng 10%-11%, so với 2%-3% trên lưới điện truyền tải Do đó nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất trên lưới phân phối là một nhu cầu cần thiết, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích kinh tế

Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất trong quá trình phân phối điện năng như: bù công suất phản kháng, nâng cao điện áp vận hành LĐPP, hoặc tăng tiết diện dây dẫn Tuy các biện pháp này đều mang tính khả thi về kỹ thuật nhưng lại tốn các chi phí đầu tư và lắp đặt thiết bị Trong khi đó, biện pháp tái cấu trúc lưới thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng /mở các cặp khoá điện có sẵn trên lưới cũng có thể giảm tổn thất điện năng đáng kể nhằm đạt được cân bằng công suất giữa các tuyến dây mà không cần nhiều chi phí để cải tạo lưới điện Không chỉ dừng lại ở mục tiêu giảm tổn thất điện năng, tái cấu trúc LĐPP còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới và giảm thiểu số lượng hộ tiêu thụ

bị mất điện khi có sự cố hay khi cần sửa chữa đường dây

Lưới điện phân phối thực tế thường có khoảng 700 – 2000 nút phụ tải (tương đối lớn) với khoảng 900 – 1500 nhánh, có kết vòng từ 4 – 8 vòng (tương đối ít) để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện khi có sự cố lưới điện xảy ra

Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất năng lượng trong điều kiện phải thoả mãn các ràng buộc kỹ thuật với các khoá điện trên

hệ thống điện phân phối là điều vô cùng khó khăn đối với các điều độ viên Do đó luôn cần một phương pháp phân tích phù hợp với LĐPP thực tế và một giải thuật đủ mạnh để tái cấu trúc lưới trong điều kiện thoả mãn các mục tiêu điều khiển của các điều độ viên

Với mạng điện phức tạp, nút – nhánh khá lớn, vấn đề đặt ra là làm sao vừa có được giải thuật tốt vừa không mất nhiều thời gian tính toán hoặc giả định bộ nhớ xử lý bị tràn dữ liệu vì khối lượng tính toán quá lớn thì không thể thực hiện được mục đích tái cấu trúc Do đó, nếu có thể giản lược các nút – nhánh phụ tải phù hợp để biến lưới điện phức tạp thành lưới điện đơn giản với số nút – nhánh – vòng tương đối, và thực hiện giải thuật tái cấu trúc là điều mong muốn của đề tài nghiên cứu

0.2 PHẠM VI THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI:

Phạm vi thực hiện của đề tài là “Xây dựng giải thuật giản lược lưới điện trong bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm công suất tác dụng”, gồm có các nội dung chính, đó là:

 Tổng quan về lưới điện phân phối

 Đề xuất giải thuật Heuristic vòng kín để tái cấu trúc lưới điện

 Phương pháp giải tích giản lược mạng điện phân phối phức tạp (giản lược các nút – nhánh phụ tải không ảnh hưởng đến mục tiêu tái cấu trúc LĐPP)

 Thực hiện phân tích tái cấu trúc một số ví dụ mạng điện đơn giản Đánh giá nhận xét

 Áp dụng phân tích tái cấu trúc trên một lưới điện phân phối thực tế giảm tổn thất P

0.3 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN:

1 Chương 1: Tổng quan về lưới điện phân phối và bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối

2 Chương 2: Giải thuật heuristic tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất P Giải tích toán giản lược mạng điện phân phối nhiều nút phức tạp

3 Chương 3: Tái cấu trúc một số ví dụ mạng điện đơn giản và phức tạp

4 Chương 4: Khảo sát và thực hiện tái cấu trúc lưới điện phức tạp thực tế để giảm tổn thất công suất P

5 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

1.1 TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI – MỤC ĐÍCH TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN:

Hệ thống điện phân phối là lưới điện chuyển tải điện năng trực tiếp đến khách hàng

từ các trạm biến áp trung gian Do đặc điểm kỹ thuật và yêu cầu cấp điện nên lưới điện phân phối điện luôn luôn được vận hành ở trạng thái mạch vòng hở (hình tia) Nhờ cấu trúc vận hành hở nên rơ le bảo vệ chủ yếu sử dụng loại rơle quá dòng Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, các tuyến đường dây đều có mạch vòng liên kết với các tuyến đường dây khác khi nguồn cung cấp chính bị sự cố Việc khôi phục cấp điện được thực hiện thông qua việc ngắt các khóa điện để cô lập vùng bị

sự cố, đóng các thiết bị liên kết nguồn nằm trên các mạch vòng Việc đóng /mở các khóa điện sẽ làm thay đổi cấu trúc của lưới điện hay lưới điện đã được tái cấu trúc

Hệ thống lưới điện phân phối có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh hoạt, thương mại dịch vụ, công nghiệp, ) và các phụ tải này phân bố không đồng đều giữa các tuyến đường dây Mỗi loại tải lại có cao điểm khác nhau và luôn thay đổi theo ngày, theo tuần và theo mùa Vì vậy, đồ thị phụ tải của chúng trên các tuyến đường dây không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ giữa các tuyến Điều này gây ra quá tải đường dây ở vị trí này, non tải ở vị trí khác ở cùng một thời điểm…dẫn đến tổn thất trên lưới điện phân phối tăng, lưới điện vận hành không kinh tế và làm giảm độ tin cậy cung cấp điện

Để chống quá tải đường dây và giảm tổn thất, các điều độ viên sẽ thay đổi cấu trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng /mở các cặp khóa điện trên lưới Vì vậy, trong quá trình thiết kế các loại khóa điện (recloser, LBS, DS, LTD…) sẽ được lắp đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng /mở các khóa này vừa có thể giảm thiểu chi phí đóng /mở và giảm được tổn thất Hay nói cách khác, hàm mục tiêu vận hành lưới điện phân phối là cực tiểu chi phí vận hành bao gồm cả chi phí chuyển tải

và tổn thất nhưng vẫn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật Mặt khác, yêu cầu cung cấp điện ngày càng phải được nâng cao nên ngày càng xuất hiện nhiều mục tiêu trong vận hành lưới điện phân phối

Nhìn chung, vận hành lưới phân phối luôn phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Cấu trúc mạch vòng vận hành hở (hình tia)

- Tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện

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

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

bé, nên mức đầu tư giảm đáng kể

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

- Chỉ cần dùng các cầu chì tự rơi ( FCO: Fuse cut out) hay cầu chì tự rơi kết hợp cắt có tải ( LBFCO: Load break fuse cut out) để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên cùng một đọan trục và phối hợp với recloser để tránh sự cố thoáng qua

- Do vận hành hở, nên khi có sự cố, không bị lan tràn qua các phụ tải khác

- Do được vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây

dể 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 điện phân phối, thì phương án kinh tế là lưới điện hình tia

Hình 1.1 mô tả một LĐPP đơn giản gồm có 2 nguồn và nhiều khoá điện Khoá RC1

và RC3 ở trạng thái mở để đảm bảo lưới điện vận hành hở Các đoạn tải LN5 và LN6 nằm ở cuối lưới của nguồn điện SS2 Để cải thiện chất lượng điện năng ở cuối lưới, bộ tụ bù được lắp giữa LN4 và SW2 và máy biến thế điều áp được lắp giữa LN3 và LN9 Tất nhiên, các thiết bị này đều có thể được vận hành ở chế độ thông

số không đổi trong thời gian vận hành hay thông số thay đổi bằng cách điều khiển

từ xa hay tại chỗ

Hình 1.1 Lưới điện phân phối đơn giản

Khi vận hành hệ thống điện phân phối như hình 1.1, có thể giảm tổn thất công suất bằng cách chuyển một số tải từ nguồn SS2 sang nguồn SS1, ví dụ: đóng RC3 và mở SW2 để chuyển các đoạn tải LN5 và LN6 từ nguồn SS2 sang SS1 Việc phân tích lựa chọn các cách chuyển tải này là nội dung của các giải thuật tái cấu trúc lưới

1.2 BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN:

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

ưu Tuy nhiên, tái cấu trúc yêu cầu một khối lượng tính toán lớn do có nhiều biến số tác động đến các trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành như: LĐPP phải vận hành hở, không quá tải máy biến áp, đường dây, thiết bị đóng cắt… và sụt áp tại hộ tiêu thụ trong phạm vi cho phép

a Với góc độ vận hành, hàm mục tiêu của tái cấu trúc lưới điện như sau:

 Bài toán 1: Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 thời đoạn

để chi phí vận hành bé nhất

 Bài toán 2: Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn

khảo sát để tổn thất năng lượng bé nhất

 Bài toán 3: Xác định cấu trúc lưới điện tại 1 thời điểm để tổn thất công suất

bé nhất

 Bài toán 4: Tái cấu trúc lưới điện cân bằng tải (giữa các đường dây, máy

biến thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của lưới điện

 Bài toán 5: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa

 Bài toán 6: Xác định cấu trúc lưới theo nhiều mục tiêu như: tổn thất công

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

Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của một LĐPP cực tiểu tổn thất năng lượng hay cực tiểu chi phí vận hành thoả mãn các điều kiện kỹ thuật vận hành luôn là bài toán quan trọng và kinh điển trong vận hành hệ thống điện Bảng 1.1 trình bày phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc theo đặc điểm LĐPP

Khóa điện được điều khiển từ xa   

Chi phí chuyển tải thấp, không mất điện   

Chi phí chuyển tải cao, mất điện khi

Lưới điện thường xuyên bị quá tải   

Lưới điện hầu như không bị quá tải    

Bảng 1.1 Phạm vi ứng dụng của bài toán tái cấu trúc

b Thực trạng lưới điện Việt Nam:

Nhìn chung, lưới phân phối hiện nay của Việt Nam có nhiều cấp điện áp khác nhau, chi phí chuyển tải lớn và phải cắt điện khi chuyển tải vì:

- Do lịch sử phát triển, ở mỗi miền đất nước có nhiều cấp điện áp phân phối và giữa các miền các cấp điện này cũng khác nhau (6.6 , 10, 15, 22,

35 kV)

- Recloser và máy cắt có tải (LBS) không được điều khiển từ xa và có số lượng không đáng kể nên chí phí đóng /mở lớn và thời gian chuyển tải lâu

- Các tổ đấu dây của máy biến áp tại các trạm trung gian không thống nhất, nên phải cắt điện khi chuyển tải, điều này làm gián đoạn việc cung cấp điện và gây khó chịu cho khách hàng sử dụng điện

Việc chuyển tải chỉ xảy ra khi :

- Chống quá tải đường dây, trạm biến áp trung gian ở những nơi phụ tải phát triển nhanh, vào giờ cao điểm hay khi có công tác sửa chữa các mạch vòng truyền tải

- Tái cấu trúc lưới khôi phục cung cấp điện sau khi cô lập sự cố hay sửa chữa, cải tạo đường dây và trạm biến áp theo định kỳ

c Vì các khó khăn trên, mục tiêu vận hành LĐPP phù hợp với điều kiện Việt Nam hiện nay có thể đề nghị như sau:

- Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát để

tổn thất năng lượng bé nhất – bài toán 2

- Tái cấu trúc lưới điện chống quá tải, cân bằng tải (giữa các đường dây, máy biến thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của

lưới điện – bài toán 4

- Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa – bài toán 5

- Xác định cấu trúc lưới theo nhiều mục tiêu như: tổn thất công suất bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối

lưới bé nhất cùng đồng thời xảy ra – bài toán 6 : hàm đa mục tiêu

Các giả thiết để đơn giản hóa bài toán tái cấu trúc:

i Có thể bỏ qua các thiết bị bù công suất phản kháng trên lưới khi giải bài toán xác định cấu trúc LĐPP

ii Thao tác đóng /mở để chuyển tải, không gây mất ổn định của hệ thống điện

iii Điện áp tại các nút tải không thay đổi và có giá trị gần bằng Uđm

iv Độ tin cậy cung cấp điện của LĐPP được xem là không đổi khi cấu trúc lưới thay đổi

1.3 BÀI TOÁN 3 – BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC LƯỚI GIẢM TỔN

Bài toán 3 – bài toán xác định cấu trúc lưới giảm tổn thất công suất tác dụng P là một bài toán quan trọng, được xem như một module để giải quyết các bài toán khác trong hệ thống các bài toán tái cấu trúc lưới Điều này được chứng minh qua các giải thuật của các nghiên cứu từ trước đến nay

Có rất nhiều phương pháp tái cấu trúc lưới giảm P nhưng chỉ có giải thuật heuristic kết hợp giải thuật tối ưu và giải thuật thuần heuristic mới thực sự mang hiệu quả cao vì dễ tìm được cấu trúc lưới tối ưu Trong các giải thuật này, có thể

chia hai nhóm chính, giải thuật của Merlin & Back - kỹ thuật vòng cắt đại diện cho phương pháp heuristic kết hợp giải thuật tối ưu và giải thuật của Civanlar - kỹ thuật đổi nhánh đại diện cho phương pháp thuần heuristic Ngoài ra còn một số phương

pháp khác nhưng không hiệu quả

1.3.1 Giải thuật Heuristic kết hợp giải thuật tối ưu (Kỹ thuật vòng cắt):

1.3.1.1 Giải thuật của Merlin & Back:

Giải thuật của Merlin và Back khá đơn giản: “Đóng tất cả các khoá điện lại tạo thành một lưới kín, sau đó giải bài toán phân bố công suất và tiến hành mở lần lượt các khoá có dòng chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện dạng hình tia” ở đây Merlin và Back cho rằng với mạch vòng, LĐPP luôn có mức tổn thất công suất bé nhất Vì vậy để có LĐPP 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 được trạng thái vận hành hở Giải thuật tìm kiếm nhánh và biên ứng dụng luật heuristic này mất rất nhiều thời gian do có khả năng xảy ra đến 2n cấu trúc nếu có n đường dây được trang bị khoá điện

Shirmohammadi bổ sung thêm vào giải thuật này ở chỗ có xét đến điện thế ở các trạm trung gian và yếu tố liên quan đến dòng điện Shirmohammadi vận dụng kỹ thuật bơm vào và rút ra một lượng công suất không đổi nhằm đảm bảo mô phỏng chính xác hệ thống 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

Hình 1.2: Giải thuật của Merlin & Back được Shirmohammadi chỉnh sửa

Nhược điểm của giải thuật:

- Mặc dù đã áp dụng các luật heuristic, giải thuật này vẫn cần quá nhiều thời gian để tìm ra được cấu trúc giảm tổn thất công suất

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

- Tổn thất của thiết bị trên đường dây chưa được xét đến trong giải thuật

1.3.1.2 Các giải thuật khác:

Có nhiều nhà nghiên cứu đã và đang nỗ lực tìm cách vận dụng kỹ thuật kết hợp giữa heuristic và tối ưu hoá Nếu kết hợp thành công hai kỹ thuật trên sẽ cho một kết quả tính toán chính xác ở mức độ chấp nhận được trong điều kiện giảm đáng kể khối lượng và thời gian tính toán Mặc dù đã có nhiều giải pháp mang tính khả thi trong

lý thuyết nhưng vẫn chưa có giải thuật tái cấu trúc nào thật sự hiệu quả trong thực

tế

Liu và các cộng sự đã đề xuất hai giải thuật mà họ cho là có khả năng áp dụng trên diện rộng Các tác giả cho là các giải thuật loại này có tính khả thi cả trong điều kiện vận hành cũng như trong công tác dự báo Họ chứng minh rằng, bằng cách xem các phụ tải có dòng điện tiêu thụ không phụ thuộc vào điện áp thanh cái, khi dòng điện chạy qua một nhánh (bất kể cấu trúc) đều có thể được thể hiện bằng một dòng điện cơ bản yk và một hằng số ak Nếu dòng điện nhánh được xem xét theo cách này, hàm biểu diễn dòng điện tại lộ ra là một hàm liên tục và giảm dần Giải thuật đầu tiên do Liu và cộng sự đề xuất chỉ tính đến mô hình phân phối tải phân bố đều trên các đường dây Giải thuật này đã xác định được các điểm chia tải cần thiết

để tái cấu trúc ở mức tổn thất nhỏ nhất Tuy nhiên tính tối ưu hóa không được đảm bảo vì tính không liên tục của phụ tải trên đường dây Giải thuật thứ hai của Liu và cộng sự xác định các trạng thái hoạt động thật sự của các khóa điện cho việc tái cấu trúc để hệ thống vận hành trong điều kiện tối ưu Vì có những biến thể trong giải thuật, cả hai mô hình tải phân bố không tập trung và mô hình tải tập trung cùng được sử dụng trên một lưới điện Tuy nhiên, cấu trúc được chọn vẫn không thực sự

là cấu trúc thực sự có P thấp nhất

Wagner và các cộng sự đã trình bày một giải thuật tái cấu trúc đưa trên bài toán vận tải có hàm chi phí tuyến tính Tổn thất đường đây được xấp xỉ thành hàm tuyến tính nhiều đoạn cho phép tính toán tổn thất công suất từng bước Điện áp đường dây và điều kiện chống quá tải cũng được đơn giản hoá bằng các hàm tuyến tính Wagner

sử dụng 2 ví dụ trên lưới điện thực tế có điện áp làm việc là 44kV, so sánh với các phương pháp của Shirmhammadi và Civanlar Giải thuật của Wagner rất phù hợp với lưới điện nhỏ nhưng với lưới điện có 1000 nút trở lên thì thời gian tính toán quá lâu, không phù hợp với việc điều khiển theo thời gian thực

Goswami và Basu xem xét lưới điện khởi đầu là lưới điện vòng bằng cách đóng tất

cả các khóa điện mở, giải thuật xác định khóa điện mở tương tự như của Merlin và Back nhưng không hoàn toàn giống vì theo Goswami và Basu, cần phải xác định cặp khóa điện dự kiến đóng /mở để đảm bảo là lưới điện hình tia Mặc dù phù hợp với lưới điện phân phối nhỏ nhưng theo R.J.Sarfl giải thuật này khó rất triển khai khi lưới điện lớn

1.3.2 Giải thuật thuần túy dựa trên Heuristic (Kỹ thuật đổi nhánh):

1.3.2.1 Giải thuật của Civanlar và các cộng sự:

Khác với giải thuật của Merlin & Back, giải thuật của Civanlar dựa trên heuristic để tái cấu trúc LĐPP Giải thuật được đánh giá cao nhờ:

- Xác định được hai qui 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 khoá 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

- Xây dựng được hàm số mô tả mức giảm tổn thất công suất tác dụng khi

có sự thay đổi trạng thái của một cặp khóa điện trong quá trình tái cấu trúc

i i M N

I R

E E I t

Trong đó: D : Tập hợp 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 các điện trở trên vòng kín khi đóng khoá điện đang mở

Hình 1.3: Lưu đồ giải thuật của Civanlar và các cộng sự

Kỹ thuật đổi nhánh thể hiện ở quá trình tìm cặp khóa đóng / cắt tối ưu được thực

hiện bằng cách đánh giá mức độ giảm tổn thất tại từng khóa để lựa chọn phương án

tốt nhất Giải thuật liên tục thử nghiệm với từng vòng của lưới điện Giải thuật

Civanlar có những ưu điểm sau:

- Nhanh chóng xác định phương án tái cấu trúc có mức tổn thất nhỏ hơn bằng cách giảm số liên kết đóng cắt nhờ qui tắc heuristic và sử dụng công thức thực nghiệm để xác định mức độ giảm tổn thất tương đối

- Việc xác định dòng tải tương đối chính xác

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

- Chỉ có thể xem xét 01 cặp khóa điện tại một thời điểm

- 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 trúc hệ thống phụ thuộc vào trạng thái của nút ban đầu

1.3.2.2 Các giải thuật khác:

Tiếp theo các giải thuật của Civanlar, nhiều giải thuật khác đã được đề xuất theo hướng chỉ dựa trên kỹ thuật heuristic Các giải thuật sau này tập trung theo hướng tìm ra các giải pháp và công thức tinh tế hơn để giải bài toán giảm tổn thất, tuy vẫn chủ yếu dựa vào các nguyên lý heuristic Điều này đi ngược lại với xu hướng chung là tìm cách kết hợp giữa nguyên tắc heuristic và tối ưu hóa

Baran và Wu cố gắng cải tiến giải thuật của Civanlar bằng cách giới thiệu hai phép tính gần đúng cho dòng công suất và sụt áp trong quá trình chuyển tải Công suất trên từng nhánh của Baran và Wu chỉ gồm thành phần công suất phụ tải và bỏ qua thành phần tổn thất của các nhánh trước đó Thông qua việc sử dụng phương pháp này, các khó khăn liên quan đến quá tải đường dây và sụt áp được xác định ngay trong giải thuật chứ không phải sau khi kết thúc bài toán Vì Baran và Wu trình bày

đề xuất của mình trên từng pha, họ cho rằng giải thuật này cũng có thể giảm tổn thất thông qua cân bằng tải giữa các pha

Castro và Watanabe mở rộng nghiên cứu của Civanlar theo hướng tăng cường khả năng tìm kiếm Một trong những điểm yếu cố hữu trong giải thuật của Civanlar là chỉ xem xét một cặp khoá đóng mở tại một thời điểm, điều này tuy giảm thời gian

xử lý nhưng làm cho kết quả bị rơi vào cực tiểu địa phương Đề xuất của Castro và

Watanabe đã nâng cao khả năng tìm ra cấu trúc có cực tiểu toàn cục Nhược điểm là tính tối ưu toàn cục chưa được bảo đảm cũng như tính khả thi của giải thuâọt cho các hệ thống phân phối lớn cũng chưa được chứng minh

1.3.3 Các giải thuật dựa trên trí tuệ nhân tạo:

Gần đây, trí tuệ nhân tạo đã trở nên phổ biến đưa đến sự nở rộ của nhiều kỹ thuật như: hệ thần kinh nhân tạo (ANN), giải thuật gen (GA) và hệ chuyên gia (ES) đã được ứng dụng để tái cấu trúc hệ thống Mặc dù việc sử dụng các kỹ thuật dựa trên

cơ sở của trí tuệ nhân tạo đã tỏ ra có giá trị trong nhiều ứng dụng, nhưng vẫn chưa thể chứng minh là đã tìm ra được các giải pháp tốt nhất Với tốc độ phát triển của công nghệ máy tính như hiện nay, chắc chắn trí tuệ nhân tạo sẽ được ứng dụng nhiều hơn trong các bài toán tái cấu trúc hệ thống Các kỹ thuật áp dụng đồng thời ANN và GA (giải thuật lai) mở ra nhiều triển vọng trong việc giảm đáng kể thời gian tính toán

1.3.3.1 Sử dụng ANN tái cấu trúc lưới điện phân phối:

Hệ thần kinh nhân tạo tỏ ra đặc biệt hữu dụng để thực hiện tái cấu trúc lưới vì chúng

có thể mô phỏng mối liên hệ giữa tính chất phi tuyến tính của tải với tính chất của mạng lưới topo nhằm cực tiểu hóa tổn thất trên dây Mặc dù ANN làm giảm đáng

kể thời gian tính toán ngay cả khi áp dụng cho các hệ thống phức tạp, việc ứng dụng chúng trong thực tế vẫn gặp khó khăn do những lý do sau:

- Thời gian huấn luyện kéo dài do tính chất phức tạp trong thao tác

- Việc huấn luyện cần thực hiện cho từng yếu tố cấu thành lưới điện và cần được cập nhật, điều chỉnh một cách liên tục sau này

- Các số liệu mẫu phải thật chính xác để đảm bảo kết quả tính toán có ý nghĩa

1.3.3.2 Sử dụng giải thuật di truyền (GA) tái cấu trúc lưới điện phân phối:

Joon-Ho Choi trình bày một một phương pháp tái cấu trúc lưới sử dụng giải thuật gien có những đặc điểm như sau:

Biểu diễn chuỗi dựa trên các chiến lược Heuristic:

Đối với mạng phân phối, khi đóng một khóa điện sẽ tạo một vòng kín Thuật toán

đề nghị bắt đầu bằng việc đóng tất cả các khóa điện để tạo một mạng vòng Mạng vòng này sẽ bao gồm nhiều vòng đóng và mỗi vòng phải có một điểm mở “tốt nhất”

để cực tiểu tổn thất cho mạch hở Mở một khóa điện trong mỗi vòng sẽ có được cấu trúc mạng hình tia Tiếp theo là các biểu diễn chuỗi:

- Mỗi gien biểu diễn một khóa mở trong vòng, độ dài của chuỗi bằng số vòng

- Nếu chuỗi có cùng một gien thì mạng có một vòng, mỗi gien trong chuỗi khác nhau

- Nếu chuỗi có hai hay nhiều gien là khóa điện thông thường trong hai vòng khác nhau thì mạng có một nút bị cách ly

Quá trình tái sản sinh, lai hóa và đột biến:

Trong quá trình tái sản sinh, chọn một tập hợp các chuỗi cũ để sản sinh một tập các chuỗi mới dựa theo tính hợp lý được xác định bằng mô phỏng bàn Roulet có trọng

số Bàn Roulet hướng theo độ thích nghi của mỗi lời giải Trong quá trình lai hóa, chọn hai chuỗi một cách ngẫu nhiên từ dân số ở cùng một thời điểm Chọn một hay nhiều vị trí trên hai chuỗi và hoán đổi cho nhau (lai hóa đơn giản hoặc phức tạp) Quá trình đột biến được thực hiện rất hạn chế, sau mỗi chuyển đổi từ 100-1000 bit trong quá trình lai hóa, thay đổi một vị trí bit ngẫu nhiên bằng các khóa điện khác nhau trong vòng cho một chuỗi được chọn ngẫu nhiên từ dân số Phép toán này được sử dụng để thoát khỏi một cực tiểu địa phương Tuy nhiên trong quá trình này, chuỗi mới tạo ra có thể vi phạm các ràng buộc hình tia và cách ly

Hàm thích nghi:

Áp dụng phương pháp trên luôn thỏa mãn các điều kiện hình tia Tuy nhiên không thỏa mãn các ràng buộc khác như giới hạn công suất nguồn, dòng, điện áp,… Vì vậy phải xét các điều kiện này bằng cách thêm chúng vào hàm thích nghi như sau:

i a p loss

f

/ 1

Trong đó k : số ràng buộc

Pj và aj: nhân tố phạt và hệ số Mạng cực tiểu tổn thất là mạng có giá trị f lớn nhất Giải thuật đã được áp dụng cho mạng 1 nguồn 32 nút-37 nhánh của Baran, kết quả tổn thất công suất tác dụng giảm 31.1% so với khi chưa tái cấu trúc mạng

1.3.3.3 Sử dụng hệ chuyên gia tái cấu trúc lưới điện phân phối:

Có nhiều nghiên cứu giải bài toán tái cấu trúc LĐPP bằng cách sử dụng hệ chuyên gia Có thể nói, hệ chuyên gia đã phối hợp được cách sử dụng các giải thuật kết hợp heuristic và tối ưu hóa cũng như các giải thuật thuần túy heuristic với các luật bổ sung dựa trên các điều kiện ràng buộc trong vận hành Taylor và Lubkeman đưa ra một hệ chuyên gia tái cấu trúc hệ thống phân phối dựa trên sự mở rộng các luật của Civanlar Taylor và Lubkeman mô tả các mục tiêu cơ bản của họ như tránh quá tải máy biến áp, quá tải đường dây và độ sụt áp không bình thường, các tác giả khẳng định rằng nếu thỏa mãn các điều kiện này sẽ dẫn đến tối thiểu hóa tổn thất

1.3.4 Hướng thực hiện đề tài:

Trương Việt Anh có công trình nghiên cứu xây dựng hàm độ lệch suất tăng tổn thất công suất tác dụng F – có mối liên hệ với tổn thất công suất tác dụng P

Luận văn đề xuất giải thuật Heuristic vòng kín để tái cấu trúc lưới điện phân phối thông qua hàm độ lệch suất tăng tổn thất F do Trương Việt Anh đề ra, và dùng phương pháp toán học đơn giản để chọn lọc cặp khóa đóng /mở giữa các cặp khóa đóng /mở cùng làm giảm tổn thất công suất Bên cạnh đó, luận văn đề xuất phương pháp giải tích toán học nhằm giản lược lưới điện phức tạp thành lưới điện đơn giản

ít nút – nhánh tải, trước khi thực hiện tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm công suất tác dụng P mà không làm ảnh hưởng đến kết quả chung

CHƯƠNG 2:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢI TÍCH TOÁN HỌC

&

GIẢI THUẬT HEURISTIC

TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

2.1 XÂY DỰNG HÀM ĐỘ LỆCH SUẤT TĂNG TỔN THẤT CÔNG SUẤT TÁC DỤNG

2.1.1 Mô tả lưới điện tổng quát:

2.1.1.1 Mô tả tổn thất công suất tác dụng trên đường dây

Xét một đường dây cung cấp điện từ nguồn đến phụ tải như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ cung cấp điện đến phụ tải

Tổn thất công suất tác dụng trên đường dây:

R I I R I

P 2  ( p2  q2 )



Trong đó: Ip : là dòng điện do công suất tác dụng P của phụ tải tạo ra

Iq : là dòng điện do công suất phản kháng Q của phụ tải tạo ra

I : là dòng điện chạy trên đường dây, 2 2 2

q

p I I

I   (hình 2.2)

R : là điện trở của dây dẫn

Hình 2.2 Giản đồ vector dòng điện

2.1.1.2 Các qui ước của lưới điện phân phối tổng quát

Xét các lưới điện tổng quát như hình 2.3, có các qui ước như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ lưới điện phân phối tổng quát

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

 Ipi, Iqi là dòng điện tác dụng và phản kháng của nhánh i

 Ri là điện trở nhánh i

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

- Gọi K là số khoá cần mở để đảm bảo lưới điện phân phối có cấu trúc vòng nhưng vận hành hở Tên nhánh có khoá mở thứ j có ký hiệu là MNj với j=1 K Như vậy trong lưới điện sẽ có K vòng độc lập Ở đây qui ước chọn tập các vòng độc lập sao cho thoả mãn:

 Mỗi vòng độc lập chỉ đi qua duy nhất một khoá điện mở MNj

 Chiều dương (+) là chiều ngược chiều kim đồng hồ như hình 2.3

- Vjh : Tập các nhánh giao giữa vòng j và vòng h Vậy Vjj là tập các nhánh thuộc vòng j và Rjloop là điện trở của vòng j

- Chỉ số Aij thể hiện sự tương quan giữa chiều vòng thứ j và chiều phân bố

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

 Aij = 1 : khi chiều của vòng j cùng chiều với Ipi và Iqi

 Aij = -1 : khi chiều của vòng j ngược chiều với Ipi và Iqi

 Aij = 0 : khi nhánh thứ i không thuộc vòng j

- Ipj và Iqj là dòng điện giả định bơm vào /rút ra tại hai đầu khoá mở MNj (j=1 K) theo chiều dương như hình 2.3

- MNj : là nhánh có khoá mở của vòng thứ j

2.1.2 Mô tả toán học thao tác chuyển tải:

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

mở tại vị trí nhánh MN như hình 2.4 hay tại nhánh MN có IpMN = 0 và IqMN = 0 Xác định khoá mở để tổn thất công suất tác dụng bé nhất

Hình 2.4 Lưới điện phân phối có 1 nguồn và 1 vòng

Việc chuyển tải đoạn NB thuộc tuyến dây ON sang tuyến dây OM tương ứng thao tác đóng khoá MN và mở khoá AB trên nhánh AB Sau khi chuyển tải, đoạn AB có

IpAB = 0 và IqAB = 0… Có thể mô tả toán học thao tác chuyển tải trên bằng cách rút

ra một lượng dòng điện Ipj, Iqj từ nhánh ON, đồng thời bơm vào nhánh MN cùng

một lượng dòng điện Ipj, Iqj sao cho dòng điện chảy qua nhánh AB có IpAB = 0 và

IqAB = 0

Tổn thất công suất tác dụng sau khi chuyển tải:

MN qj pj i n

OM i i

qMN qi i

n

ON i i

qMN qi i

n

OM i i

pMN pi i

Sau I I R I I R I I R I I R I I R

1 1

2 1

2 1

1 Bài toán tái cấu trúc lưới theo mục tiêu cực tiểu tổn thất công suất tác dụng được

thay thế bằng bài toán tìm giá trị dòng điện Ipj, Iqj bơm vào /rút ra tại khóa điện mở

để cực tiểu tổn thất công suất tác dụng

2 Trong thực tế các dòng điện bơm vào /rút ra có giá trị rời rạc, nhưng giả thiết

rằng chúng liên tục để có thể lấy đạo hàm Do đó giá trị Ipj, Iqj tìm được khi cực tiểu

tổn thất công suất (giá trị chuyển tải lý thuyết) có thể không phù hợp với chuyển tải

thực tế Giá trị Ipj, Iqj được chọn để chuyển tải sẽ có giá trị gần với giá trị chuyển tải

lý thuyết

2.1.3 Xây dựng bài toán xác định dòng điện bơm vào /rút ra tại khóa mở để

cực tiểu tổn thất tác dụng:

Công thức tổng quát tính tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện phân phối sau

khi chuyển tải:

MNj k

j pj qj i

n

i

k

j ij qj qi

i n

2 1

1

2 1

)(

)(

)

Về mặt toán học, tái cấu trúc lưới cực tiểu tổn thất công suất tác dụng có thể mô tả

dưới dạng cực tiểu P theo k biến Ipj và k biến Iqj (j =1…k)

Điều kiện cần và đủ để cực tiểu hàm tổn thất công suất tác dụng theo (2.2):

k h

k h

j I

I

P I

P I

P

pj ph pj

1 ,

; 0 ) ( 2 2 2

2 2

2

(2.5)

h j k h

j I

I

P I

P I

P

qj ph qj

1 ,

; 0 ) ( 2 2 2

2 2

2

(2.6)

h j k h

j I

I

P I

P I

P

qj qh qj

1 ,

; 0 ) ( 2 2 2

2 2

2

(2.7)

h j k h

j I

I

P I

P I

P

pj qh pj

1 ,

; 0 ) ( 2 2 2

2 2

2

(2.8)

Trong đó có k biểu thức (2.3) và (2.4) tạo thành hệ thống 2k phương trình với 2k

biến số (k phương trình theo Iph và k phương trình theo Iqh) với h = 1 k

Lấy đạo hàm theo dòng điện bơm vào /rút ra trong một vòng thứ h tại khoá mở MN:

2)(

2

)9.2(0

2)(

2

1

1

MNh qh n

MN

i V

q k

j ij i

q i ih qh

MNh ph n

MN

i V

p k

j ij i

p i ih ph

R I I

A I

R A I

P

R I I

A I

R A I

)11.2(0

1

1

loop qh n

j ij i ih n

MN

i V

p k

h j j ij i ih n

MN

i V

i i

p i ih ph

R I I A R A I

R A

I

P

R I I A R A I

R A

I

P

hh hh

hh hh

Suy ra:

h j j ij i ih n

MN

i V

i i

q i ih

j ij i ih n

R A

I

R

I A R A I

R A

I

hh hh

hh hh

j I

I

P R

A I

I

P

h j k h

j I

I

P R

A I

I

P

h j k h

j R

I

P R

I

P

k h

R I

P R

I

P

qj ph V

i

i ij qj

qh

qj ph V

i

i ij pj

ph

loop j qj

loop

j

pj

loop h qh

1 , 0

;

,

1 ,

; 0

;

;

1 ,

; 0

; 0

1

; 0

; 0

2 2

2 2

2

2 2

2

2

2 2

loop j V

i

i ij

loop

h A R R A R j h j h k

Nên các biểu thức (2.3), (2.4), (2.5), (2.6), (2.7), (2.8) luôn thỏa mãn điều kiện

Như vậy, khi bơm vào /rút ra một lượng dòng điện Iph, Iqh theo công thức (2.13) tại

các khóa mở MNh (h = 1 k) thì tổn thất công suất tác dụng sẽ bé nhất Nhưng trong

thực tế, việc bơm vào /rút ra một lượng dòng điện Iph, Iqh này phải tương ứng với

quá trình chuyển tải nên chỉ có thể nhận các giá trị rời rạc Do đó cấu trúc có tổn

thất công suất tác dụng bé nhất có thể chọn tương ứng với: min

P

2.1.4 Hàm độ lệch suất tăng tổn thất công suất tác dụng F:

Đặt:

)15.2(

)14.2(

) 0 ( )

0 (

) 0 ( )

0 (

qi i n

A

i MN

i V i

qi i n

MN

i V

i

qi i ih

pi i n

A

i MN

i V i

pi i n

MN

i V

i

pi i ih I

ih hh ih

hh hh

h

ih hh ih

hh hh

h

I R I

R I

R A

I R I

R I

R A





Từ (2.11) và (2.12) ta có:

) 17 2 (

1

) 16 2 (

I I A R

k h R

I I A R

loop qh n

MN

i V

q k

h j j ij i

I

loop ph n

j ij i

2 1

] )

( [ ]

) (

qh k

j ij i

loop ph k

j ij

i A I I R R A I I R R

F

hh hh

1 Ứng với một cấu trúc lưới điện hở bất kỳ cần phải bơm vào /rút ra một lượng

dòng điện tính theo công thức (2.19) để thoả mãn mục tiêu cực tiểu tổn thất công suất tác dụng

2 Cấu trúc lưới điện hở nào có dòng điện bơm vào /rút ra theo công thức (2.19) đạt

giá trị bằng không (cấu trúc lưới có Ipj = 0, Iqj = 0; j = 1…K) sẽ có tổn thất công suất

tác dụng bé nhất

3 Trong thực tế, từ một cấu trúc lưới hở cho trước, chỉ có khả năng chuyển tải được

những lượng dòng điện Ipj , Iqj rời rạc nên có thể không tìm được cấu trúc lưới lý tưởng như nhận xét 2

Các nhận xét trên có thể mô tả như sau:

jh A Rn M

 Ma trận M đối xứng qua đường chéo chính: Mjh = Mhj (j,h=1 K; hj)

 [Ipj]Kx1 và [Iqj]Kx1 là vector dòng điện tác dụng và phản kháng bơm vào /rút

ra tại các khoá mở MNj

Nhận xét:

Ma trận M có tính chất tương tự như một ma trận tổng trở khi thay thế Zjh bằng các giá trị Rjh (j,h = 1…K) Ma trận này được gọi là ma trận quan hệ, hình thành từ các vòng độc lập đi qua các khoá mở MNj

2.1.6 Tính chất cơ bản của hàm suất tăng tổn thất công suất tác dụng F:

1 Với U U dm 0 0, xét sụt áp trên nhánh thứ i:

) (

) (

) )(

( pi qi i i pi i qi i pi i qi i

i I jI R jX I R I X j I X I R

Nếu bỏ qua thành phần cảm kháng của nhánh i (Ri >> Xi) thì U i  (I pi  jI qi)R i

Trong một vòng kín h (h = 1…K) bất kỳ, theo định luật Kirchhoff 2 thì:

Nhân 2 vế của (2.10) cho –j, lần lượt cộng từng số hạng tương ứng với (2.9), ta có:

0 )

( )]

( ) [(

1 1

q n

1 Biểu thức (2 9) và (2.10) là điều kiện để xác định các giá trị dòng điện bơm vào

/rút ra Iph, Iqh (h = 1…K) sao cho tổn thất công suất tác dụng bé nhất

2 Biểu thức (2.22) là luật Kirchhoff 2 của vòng kín thứ h khi bỏ qua thành phần trở

kháng của nhánh thứ i Vế trái biểu diễn sụt áp của vòng kín thứ h khi thực hiện

bơm vào /rút ra lượng dòng điện Iph, Iqh tại nhánh có khoá mở MNh

3 Dòng điện bơm vào /rút ra Iph, Iqh (h = 1…K) trên nhánh có khoá mở MNh tại

vòng h ở (2.22) chính là dòng điện chạy trên nhánh MNh của vòng thứ h trong bài

toán phân bố công suất mạch kín

4 Với một cấu trúc lưới điện hở bất kỳ, không cần tính các dòng điện bơm vào /rút

ra tại các nhánh có khoá mở theo (2.13) để cực tiểu P mà có thể xác định chúng

qua dòng điện nhánh tương ứng của lưới điện phân phối kín đã bỏ qua thành phần

trở kháng đường dây

2.2 XÂY DỰNG GIẢI THUẬT HEURISTIC VÒNG KÍN:

2.2.1 Giới thiệu:

Có nhiều phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất, tuy

nhiên, theo các nghiên cứu trước đây, giải thuật heuristic vòng kín có nhiều ưu

điểm:

- Khối lượng tính toán ít do chỉ giải bài toán phân bố công suất trong mạch kín một lần để xác định giá trị các dòng điện bơm vào/rút ra cho bất kỳ cấu trúc lưới nào

- Số vòng lặp dẫn đến điểm cực trị toàn cục hay lân cận giá trị này ít

- Hạn chế được khả năng bị rơi vào cực tiểu địa phương

- Không phụ thuộc vào cấu trúc ban đầu của lưới điện khảo sát

2.2.2 Giải thuật heuristic vòng kín:

2.2.2.1 Đánh giá các thông số của hàm F:

Hàm F tại biểu thức (2.19) có các đặc điểm sau:

2 1

2 1

] )

( [ ]

) (

qh k

j ij i

loop ph k

j ij

i A I I R R A I I R R

F

hh hh

- Dòng điện bơm vào/rút ra Ipj, Iqj, Iph, Iqh tại các khóa mở MNj, MNh (j, h

= 1…K) là dòng điện nhánh tương ứng của lưới điện phân phối kín Vì vậy, khi tính giá trị F cho một lưới điện hở bất kỳ, giá trị dòng điện bơm vào /rút ra không cần phải tính toán lại

- Hàm F phát hiện được các giá trị cực tiểu địa phương của hàm P mỗi khi chuyển tải làm gián đoạn hàm F

- Hàm F mô tả độ ảnh hưởng của tất cả các khóa mở trên lưới điện lên giá trị hiện hữu của nó nên dễ tiến đến cực tiểu toàn cục hơn các giải thuật khác

2.2.2.2 Xác định dòng điện nhánh trên mạch kín:

a Bằng cách cách giải bài toán phân bố công suất trên mạch vòng kín:

Trình tự tính dòng điện trên mạch kín như sau:

- Loại bỏ điện kháng X trong nhánh

- Đặt điện áp các nguồn bằng nhau về biên độ và góc pha

- Giải phân bố công suất trên mạch kín của lưới điện phân phối

b Bằng cách sử dụng dòng điện bơm vào/rút ra:

Dòng điện nhánh thứ i trên mạch kín có thể được tính bằng biểu thức (2.23):

pi I A I

I

1

) 3 ( )

qi I A I I

1

) 3 ( )

2 ( ) 1

Với: Ipi(1), Iqi(1) : Dòng điện nhánh thứ i trên lưới điện phân phối kín

Ipi(2), Iqi(2) : Dòng điện tự nhiên trên nhánh thứ i khi giải bài toán phân

bố công suất trên lưới điện phân phối hở ban đầu

Ipj(3), Iqj(3) : Dòng điện bơm vào/rút ra tại khoá mở MNj Ipj(3), Iqj(3) được

tính theo công thức (2.13)

2.2.2.3 Trình tự giảm hàm F:

Khi xem xét hàm F tại (2.19), các chỉ số Aij luôn có các giá trị là +1,-1,0 và

Ri<<RhLoop nên có thể coi hàm F có giá trị gần đúng như sau:

h

Loop h

ph R I R I

F

Y

1

2 1

)

Như đã trình bày, vì tính không liên tục của hàm F nên phải giảm hàm F theo từng

bước Thực chất quá trình này là thay thế lần lượt các giá trị Ipi(1) và Iqi(1) với iVhh

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

quá trình này, F có giá trị bé nhất, nhưng cần lưu ý các điểm sau:

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

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

giảm hàm F lớn nhất trong mỗi bước lặp

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

nghĩa là vừa thoả mãn điều kiện lưới điện hình tia, vừa giảm được giá trị hàm F

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

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

đóng/mở tương ứng trong mỗi vòng độc lập Với

- Khóa đóng: khoá đang mở ở bước trước, có khả năng thực hiện thao tác đóng

- Khóa mở: khóa trên nhánh có Ipi(1) và Iqi(1) bé nhất cùng vòng độc lập với khoá đóng, có khả năng thực hiện thao tác mở

Điều này đảm bảo cấu trúc hình tia và giảm đáng kể các cặp khoá cần quan tâm

b Điều kiện giảm hàm F:

Do phải giảm hàm F theo từng bước nên luật heuristic được phát biểu như sau:

- Thay lần lượt các giá trị RhLoop Iphcũ, RhLoop Iqhcũ có giá trị lớn bằng RhLoop

Iphmới, RhLoop Iqhmới có giá trị bé hơn trong cùng một vòng độc lập

- Cùng một lúc phải xem xét K vòng độc lập của lưới điện phân phối để

có thể chọn được cặp khoá đóng/mở độ chênh lệch lớn nhất

Quá trình thay thế sẽ chấm dứt khi giá trị của hàm F đạt đến giá trị không thể giảm được nữa Khi đó cấu trúc lưới điện có tổn thất công suất bé nhất

c Quá trình giảm hàm F được chia thành các bước sau:

- Bước 1: Xác định cặp khoá đóng /mở tốt nhất trong tất cả các vòng độc lập

- Bước 2: Kiểm tra việc chuyển tải có đảm bảo giảm giá trị hàm F?

- Bước 3: Nếu hàm F giảm thì kiểm tra điều kiện vận hành và lặp lại bước 1

2.3 GIẢI TÍCH TOÁN HỌC GIẢN LƯỢC NÚT – NHÁNH PHỤ TẢI

h

Loop h

ph R I R I

F

1

2 1

)( là hàm độ lệch suất tăng tổn thất tác dụng sẽ chỉ phụ thuộc vào dòng công suất Ipj, Iqj qua các khóa điện Do đó, trong phần 2.3 này, ta sẽ thực hiện giản lược nút – nhánh tải không cần thiết để rút gọn tối

đa số nút – nhánh phụ tải, mà vẫn đảm bảo dòng công suất Ipj, Iqj qua các khóa điện không bị thay đổi (như vậy thì giải thuật heuristic sẽ không bị ảnh hưởng)

Với mục 2.2.2 thì loại bỏ trở kháng X của đường dây để tính toán dòng phân bổ công suất trong mạch kín Vì vậy, giải tích giản lược nút – nhánh phụ tải chỉ xem xét đến thuần trở R của đường dây

2.3.1 Phân bổ công suất trong mạch vòng I A và I B:

Giả sử nguồn phát từ 2 hướng A và B với dòng phân bổ công suất là I A và I B, có 2

2 1 2 2

1 1 1

3 2 1

3 2 2

3 2 1 1

))(

()(

)(

))(

(

R R R

R R jI I

R jI I

jI I

I

R R R

R jI I

R R jI I

jI I

I

Q P

Q P

QB PB

B

Q P

Q P

QA PA

2 1 2 2

1 1 1

3 2 1

3 2 2

3 2 1 1

))(

()(

)(

))(

(

l l l

l l jI I

l jI I

jI I

I

l l l

l jI I

l l jI I

jI I

I

Q P

Q P

QB PB

B

Q P

Q P

QA PA

l l I l I jI

I

l

l I l l I j l

l I l l I jI

I

Q Q P

P QB

PB

Q Q

P P

QA

PA

) 2 1 2 1 2

1 2 1 1

3 2 3 2 1 3

2 3 2 1

( )

(

) ( )

(

(2.27)

Tổng quát với n phụ tải giữa A – B thì:

PB B

AB

n

i

iB Qi Pi QA

PA A

R

R jI I jI

I

I

R

R jI I jI

PA

A

l

l jI I jI

I

I

l

l jI I jI

2.3.2 Giản lược nút – nhánh phụ tải trong vòng:

Giải tích giản lược nút nhánh có thể gom tất cả các phụ tải nằm giữa 2 đầu A – B

thành 02 phụ tải biểu kiến đại diện cho tất cả các phụ tải này

Hình 2.5: Hình minh họa giản lược phụ tải còn 02 phụ tải

Hình 2.6: n phụ tải nằm giữa 2 đầu A - B

Đặt:     



   n

i Pi

Q j I jI

1

0

i Qi iA Qi

P P

iA Qi

Q Q

Q

n

i Pi

n

i

iA Pi

Pi P

P

iA Pi

P P

P

I

R I I

I I

R R

R I R

R I R I

R

I

R I I

I I

R R

R I R

R I R I

R

1

1 2

1

2 1 2

1 2 1 1

1

1 2

1

2 1 2

1 2 1 1

Nghĩa là phụ tải biểu kiến được đặt tại M(P) và N(Q) cách đầu đoạn A một khoảng xP

xQ sao cho RAM(P) = R P và R AN(Q) = R Q

Ta sẽ chứng minh công suất truyền tải từ hai nguồn A và B là không đổi

P QB

PB

AB

Q AB Q P

AB P

QA

PA

R

R jI R

j I I

j

I

R

R R jI R

R j I I

j

I

0 0

0 0

i Qi P

n

i Pi QB

PB

AB

Q AB n

i Qi P

AB n

i Pi QA

PA

R

R I j R I I

j

I

R

R R I j R R I I

j

I

1 1

1 1

Thay giá trị RP và RQ từ (2.29) vào, suy ra:

i iA Pi QB

i iB Pi QA

PA

A

R

R I j R I I

j

I

I

1 1

1 1

1 Với giải tích toán học vừa chứng minh, ta có thể phát biểu như sau: “Với đoạn A

– B nhận điện từ hai đầu phía A và B thì tất cả các phụ tải nằm giữa đoạn A – B là

thì có thể được giản lược thay thế bởi 02 phụ tải biểu kiến I P  j0

và 0  jI Q mà không làm thay đổi công suất truyền tải từ 2 đầu của đoạn A – B”

Nếu trong mạng điện đồng nhất, tất cả các đoạn đường dây là cùng một loại dây

dẫn, thì suy ra vị trí đặt xP, xQ của I P  j0 và 0  jI Q được xác định ngay theo

P I

l I

1

bằng hai phụ tải biểu kiến I P  j0 và 0  jI Q trong giải thuật heuristic vòng kín

tái cấu trúc lưới điện