Phân bố công suất tối ưu trong hệ thống điện có thiết bị FACTS sử dụng thuật toán lai DE-HS

Bài viết dựa trên cơ sở định lý luồng cực đại lát cắt cực tiểu (min-cut max-flow) và thuật toán DE, đồng thời cải tiến thuật toán DE trong thuật toán mới DE-HS giúp đưa ra các giải pháp ứng dụng trong bài toán lựa chọn vị trí lắp đặt thiết bị FACT vào hệ thống điện và bài toán OPF của hệ thống điện có thiết bị FACTS với các hàm mục tiêu khác nhau nhanh chóng và chuẩn xác.

PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

CÓ THIẾT BỊ FACTS SỬ DỤNG THUẬT TOÁN LAI DE-HS

Võ Ngọc Điều 1 , Huỳnh Tiến Sỹ 2 , Lý Phúc Lạc 3

1 Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại học Bách khoa TP HCM;

2 Tổng công ty Điện lực miền Nam, Tập đoàn Điện lực Việt Nam;

3 Công ty Truyền tải điện 4, Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia

Tóm tắt: Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu nâng cao tính ổn định và linh hoạt hệ

thống điện qua việc lắp đặt bổ sung phần cứng của hệ thống điện, trong đó có ứng dụng công nghệ truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) Ngoài các công trình về phần cứng còn có các nghiên cứu ứng dụng phần mềm để tính toán điều khiển qua việc hỗ trợ hệ thống mạng diện rộng (WAMS) Tuy nhiên, việc sử dụng các giải thuật trí tuệ nhân tạo có ưu thế hiện nay như DE, DE-HS… để xem xét lựa chọn vị trí lắp đặt FACTS, loại bỏ tình trạng tắc nghẽn hệ thống là rất khó khăn vì không gian tìm kiếm rộng đối với hệ thống có số lượng nút như hệ thống điện nước ta Ngoài ra, các kỹ thuật tính toán cổ điển và một số phương pháp trí tuệ nhân tạo khác như GA, TS, PSO…, trong tính toán tối ưu phân bố công suất (OPF) cũng chưa thực sự mạnh mẽ Bài báo dựa trên cơ sở định lý luồng cực đại lát cắt cực tiểu (min-cut max-flow) và thuật toán DE, đồng thời cải tiến thuật toán DE trong thuật toán mới DE-HS giúp đưa ra các giải pháp ứng dụng trong bài toán lựa chọn vị trí lắp đặt thiết bị FACT vào hệ thống điện và bài toán OPF của hệ thống điện có thiết bị FACTS với các hàm mục tiêu khác nhau nhanh chóng và chuẩn xác

Từ khóa - áp dụng DE, DE-HS giải bài toàn OPF có kể đến thiết bị FACTS

1 GIỚI THIỆU

Trong quá trình phát triển lưới điện, để đảm bảo ổn định trong truyền tải, tăng khả năng truyền tải, đảm bảo ổn định điện áp tại các nút trong vận hành bình thường và kể

cả trong trường hợp quá độ, đảm bảo mức đầu tư kinh tế nhất là yêu cầu và mục tiêu mà

hệ thống điện hướng tới Giải pháp đầu tư các thiết bị bù linh hoạt để giải quyết các điểm nghẽn cục bộ trong hệ thống là lựa chọn tối ưu trong giai đoạn lưới điện chưa hoàn thiện

Để tính toán nhanh và đưa ra giải pháp vận hành tối ưu, kinh kế thì có rất nhiều thuật toán được đưa ra để giải quyết bài toán OPF, tuy nhiên với thực tiễn của hệ thống năng lượng được quản lý thông qua thị trường kinh tế hiện nay đã làm bài toán OPF trở nên phức tạp

Như đã biết, nhiều nghiên cứu trên thế giới đã áp dụng thuật toán DE vào trong hệ thống điện và đã cho những kết quả khả quan so với các giải thuật khác Ngoài ra phương pháp HS đã được sử dụng thành công để giải quyết một loạt các vấn đề tối

ưu hóa

Thuật toán lai DE-HS được đề xuất bằng cách kết hợp các cơ chế của DE và HS Thứ nhất, các hoạt động điều chỉnh độ cao của HS ban đầu được phối hợp với cơ chế đột biến vi phân để nâng cao khả năng tìm kiếm Thứ hai, việc xem xét bộ nhớ và tăng cường hoạt động của tỷ lệ lựa chọn giá trị lân cận đều sử dụng để tăng cường khả năng tìm kiếm So với HS thông thường, việc sử dụng các cơ chế đột biến vi phân và trao đổi chéo có thể tăng cường khả năng tìm kiếm khai thác trong DE-HS Đây là phiên bản cải tiến mới của DE được Rainer Storn và Kenneth Price đề xuất ban đầu và đã ứng dụng thành công cho nhiều bài toán tối ưu ở các lĩnh vực khác nhau và là một trong những công cụ mạnh mẽ để giải bài toán với hàm mục tiêu cực tiểu hóa các hàm phi tuyến, không khả vi trong không gian liên tục

Giải thuật DE, DE-HS được sử dụng để giải bài toán OPF có thiết bị FACTS Thuật toán đề xuất sẽ được kiểm tra trên hệ thống IEEE 30 nút với thiết bị FACTS tại vị trí được lựa chọn trước theo phương pháp hệ số độ nhạy, min-cut với chế độ sự cố, vận hành bình thường và chế độ tình trạng khẩn cấp N-1

2 THIẾT BỊ FACTS

Mô hình thiết bị FACTS được đề xuất trong bài toán là mô hình TCPST

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo của TCPST

Một máy biến thế nối shunt từ mạng sau đó cung cấp tới máy biến thế nối tiếp để

có được một điện áp bơm tại nhánh nối tiếp Cả 2 máy biến thế được điều chỉnh điện áp bởi bộ điểu khiển thyristor

TCPST có thể được mô hình bởi biến áp dịch pha với tham số điều khiển p như Hình 2

Hình 2: Mô hình của TCPST trong phân bố công suất

=| |2

=−| |2

= −| |2 +| |

3 PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN VỊ TRÍ ĐẶT THIẾT BỊ FACTS

Xét theo điều kiện kinh tế, việc lắp đặt thiết bị FACTS ở vị trí nào trong các nút của hệ thống mới là vấn đề cần quan tâm Do đó với những dao động phụ tải bất kỳ, sự thay đổi nguồn và gia tăng phụ tải thường xuyên trong tương lai dẫn tới điểm nghẽn mạch trong mạng cũng sẽ bị thay đổi nên không thể lắp đặt thiết bị bù trên tất cả các nhánh của lưới điện để đảm bảo chống nghẽn mạch khi có những thay đổi như trên

Vì vậy cần thiết phải xác định được tập hợp những nhánh có nhiều khả năng gây quá tải thường xuyên cho hệ thống Đây là tập hợp những điểm xung yếu nhất còn được gọi là điểm nút thắt cổ chai (bottle-neck) Việc lắp đặt thiết bị FACTS tại những vòng

có chứa tập hợp những nhánh xung yếu này sẽ khắc phục được quá tải đáng kể cho

hệ thống

Ngoài ra, hệ thống điện thường được lên quy hoạch và vận hành dựa trên tiêu chuẩn an ninh (N-1) Sự cố làm tách một vài tổ máy phát hoặc phụ tải tăng đột biến sẽ gây một số tác động đáng kể lên các phần tử trong hệ thống điện như quá tải cục bộ trên một số đường dây và điện áp một số nút trạm giảm thấp Về vấn đề này, điều phối lại công suất phát của các nhà máy, điều phối lại tải và tiếp tục loại/giảm khẩn cấp quá tải đường dây truyền tải là một vấn đề quan trọng trong vận hành hệ thống điện Thiết bị FACTS sẽ huy động hết khả năng các phần tử non tải hiện có để có thể loại bỏ/giảm bớt quá tải trên đường dây tải điện

Nhiều công trình nghiên cứu trước đây về ứng dụng của FACTS trong vận hành

và điều khiển hệ thống điện nhằm đạt được những mục tiêu đề ra như:

 Sử dụng giải thuật Gen kết hợp với các phương pháp PSO [1], DE hoặc TS/SA để tìm kiếm giải pháp tối ưu với sự hỗ trợ của phần mềm máy tính, vị trí đặt, chủng loại, số lượng được mã hoá cùng các thông số của mạng điện để giải bài toán OPF Điều này làm không gian tìm kiếm quá lớn, thời gian chạy của máy tính quá lâu, khó khả thi khi giải bài toán OPF trong hệ thống điện có số nút lớn

 Sử dụng các phương pháp như phân tích độ nhạy LI (loss senssivity index), hệ

số PI (performace index) [4,5], Contingency Capacity Index (CCI), Thermal Capacity Index (TCI) [6] có thể làm giảm không gian tìm kiếm

 Sử dụng “phương pháp thử sai” (trial and error method) để tìm vị trí tối ưu của thiết bị FACTS trong mạng điện Nghĩa là lần lượt thử đặt thiết bị FACTS vào từng nhánh của hệ thống cho phân bố lại công suất để tìm ra vị trí và dung lượng thích hợp cho thiết bị FACTS trong hệ thống điện…

Một phương pháp mới để xác định vị trí đặt tối ưu của TCSC trong hệ thống điện

đã được công bố [3] dựa vào định lý luồng cực đại lát cắt cực tiểu (min-cut max-flow) Định lý này được chứng minh bởi P Elias, A Feinstein và C E Shannon năm 1956 và cũng năm đó, nó được chứng minh một cách độc lập bởi L R Ford, Jr và D R Fulkerson Định lý luồng cực đại lát cắt cực tiểu là một phát biểu trong ngành lý thuyết tối ưu hóa về các luồng cực đại trong các mạng vận tải (flow network) Định lý phát

biểu rằng: “Lượng cực đại của một luồng bằng khả năng thông qua của một lát cắt tối

thiểu”

Ý tưởng của thuật toán là: tồn tại một đường đi từ nguồn (nút bắt đầu) đến điểm

xả (nút cuối), với điều kiện tất cả các cung trên đường đi đó vẫn còn khả năng thông qua, thì ta sẽ gửi đi một luồng dọc theo đường đi đó Sau đó chúng ta tìm một đường đi khác và tiếp tục như vậy Một đường đi còn khả năng thông qua là một đường đi có khả năng mở rộng thêm hay một đường đi mà luồng qua đó còn khả năng tăng thêm - gọi tắt

là đường tăng

Trong hình học Topo, mặt cắt được định nghĩa là một lát cắt, cắt đứt các nhánh sao cho phân topo thành 2 phần nguồn và tải, giá trị thông qua của mặt cắt là tổng khả năng thông qua của các nhánh trong mặt cắt và mặt cắt tối thiểu là mặt cắt có giá trị thông qua bé nhất Như vậy, mặt cắt tối thiểu có khả năng chỉ ra được vị trí cổ chai của bất cứ một hệ thống vận chuyển nào

Trong một hệ thống điện hiện hữu hoặc vừa thiết kế luôn tồn tại tập hợp các nhánh xung yếu có khả năng dẫn đến quá tải trong hệ thống điện khi có bất kỳ sự tăng tải nào trong tập các phụ tải Tập hợp các nhánh có khả năng quá tải được gọi là nút cổ chai của hệ thống điện và mặt cắt tối thiểu sẽ chỉ ra nút cổ chai này như hình 3

Hình 3: Tập hợp nhánh xung yếu tìm được từ chương trình max-flow

Khi xảy ra quá tải trong trạng thái phân bố công suất thông thường do sự tăng tải vào giờ cao điểm, tăng trưởng phụ tải theo thời gian hay các sự cố về máy phát, các nhánh quá tải phải nằm trong mặt cắt tối thiểu Vì vậy để có thể phần luồng lại các dòng công suất qua nhánh quá tải cần phải tìm các nhánh nằm trong tập của mặt cắt tối thiểu

S m

F=minc

Z 1

Z m

đi qua, vì các nhánh nằm ngoài tập hợp này đều chỉ truyền công suất cho tải từ các nhánh thuộc tập mặt cắt tối thiểu hay từ máy phát nối đến các nhánh này Hay nói cách khác, việc đặt TCSC hiệu quả là đặt TCSC trên các nhánh nằm trong mặt cắt tối thiểu Trên cơ sở kết quả được trình bày ở [3] ta có được kết luận quan trọng trong việc xác định vị trí đặt thích hợp của TCSC giải quyết tình trạng tắc nghẽn trong hệ thống điện “Vị trí đặt thích hợp của TCSC để giải quyết tình trạng tắc nghẽn trong hệ thống là tại vị trí nhánh lân cận (nhánh được liệt kê có trong danh sách xác định bằng thuật toán min – cut) với nhánh bị quá tải”

Từ đó với việc tìm kiếm tập hợp những nhánh có khả năng gây nghẽn mạch hệ thống là nhanh chóng, chính xác, giúp cho việc giới hạn phạm vi không gian tìm kiếm lời giải hiệu quả hơn khắc phục được những hạn chế của những phương pháp trước đây như giải thuật Gen, phương pháp liệt kê hoặc thử sai…

Bài viết dựa trên danh sách các nhánh tìm được theo thuật toán min – cut của hệ thống IEEE30 nút hiệu chỉnh sẽ được sử dụng kết quả của [3] Việc tìm kiếm thông số điều khiển thiết bị FACTS ở [3] được tính toán điều chỉnh theo từng nấc 1% chưa thực hiện bằng cách tìm kiếm ngẫu nhiên nên thuật toán DE-HS sẽ áp dụng giải bài toán OPF trong đó thông số điều khiển của TCSC sẽ được tìm kiếm ngẫu nhiên với các biến điều khiển khác xét trong tình trạng bình thường, tình trạng khẩn cấp với hàm mục tiêu cực tiểu chi phí nhiên liệu máy phát và giải bài toán OPF với hàm mục tiêu cực tiểu tổng tổn hao, cực tiểu tổng độ lệch điện áp, cải thiện độ dự trữ ổn định điện áp

4 GIẢI BÀI TOÁN OPF HỆ THỐNG IEE30 VỚI THUẬT TOÁN DE VÀ DE-HS

Hệ thống mạng điện IEEE 30 nút được sử dụng vào bài toán OPF để kiểm tra

thuật toán đề xuất DE và DE-HS

Hệ thống mạng IEEE 30 nút bao gồm 6 máy phát đặt tại nút 1, 2, 5, 8, 11 và 13 và

41 đường dây truyền tải, 4 MBA đặt trên các đường dây 6-9, 6-10, 4-12 và 28-27 và tại các nút 10 và 24 có đặt các giàn tụ bù công suất phản kháng Công suất cơ bản của mạng IEEE 30 nút được chọn là 100 MVA Sơ đồ như hình 4

Hệ thống mạng IEEE 30 nút hiệu chỉnh được thay đổi dựa trên hệ thống IEEE 30 nút chuẩn, sẽ bao gồm 6 máy phát đặt tại nút 1, 2, 22, 27, 23 và 13 và 41 đường dây truyền tải và tại các nút 5 và 24 có đặt các tụ bù công suất phản kháng Nút 5 không có tải, các thông số chi tiết về dữ liệu nút, dữ liệu đường dây được lấy từ [39, 48] được giới thiệu trong phần phụ lục giống như hệ thống IEEE30 chuẩn Các hệ số chi phí máy phát điện và giới hạn công suất truyền tải của đường dây theo bảng C.1 và bảng C.2 ở phần phụ lục của các tài liệu này

Để xác định vị trí lắp đặt thích hợp TCSC, thực hiện việc giải các bài toán OPF cực tiểu hóa chi phí nhiên liệu máy phát như sau:

 Giải bài toán OPF không có TCSC bỏ qua giới hạn công suất truyền tải

 Giải bài toán OPF không có TCSC

 Giải bài toán OPF với TCSC với vị trí thích hợp

Từ đó thực hiện các bước như sau:

 Bước 1: Xác định đường dây quá tải từ lời giải OPF không có TCSC bỏ qua giới hạn công suất truyền tải

 Bước 2: Xác định tập hợp đường dây lân cận với đường dây quá tải

 Bước 3: Xác định tập hợp hữu hạn các đường dây theo min-cut

 Bước 4: Đối chiếu danh sách các đường dây lân cận với đường dây quá tải và tập danh sách các nhánh tìm được theo min – cut tìm nhánh trùng lặp giữa hai danh sách để đặt TCSC

 Bước 5: Áp dụng DE-HS giải bài toán OPF với vị trí đặt đã được xác định

 Bước 6: Đối chiếu và so sánh

Hình 4: Hệ thống mạng IEEE 30 nút chuẩn

Ngoài ra, để xác định hiệu quả của vị trí TCSC vừa tìm được, bài toán OPF với các hàm mục tiêu tổng tổn hao công suất tác dụng, cải thiện độ lệch điện áp, cải thiện độ

ổn định điện áp cũng sẽ được xác định để thử nghiệm

Số biến điều khiển của hệ thống ở trường hợp này là 17 bao gồm công suất tác dụng của 05 máy phát ngoài trừ công suất tác dụng của nút cân bằng, điện áp 6 máy

phát, thông số chỉnh định điện áp của 04 máy biến áp và công suất bù phản kháng của

02 giàn tụ bù

4.1 Xét ở chế độ vận hành bình thường, hàm mục tiêu cực tiểu chi phí nhiên liệu máy phát

Bảng 1 Kết quả của lời giải tối ưu hệ thống IEEE30 hiệu chỉnh của giải thuật DE-HS ở các trường hợp

không line limit

OPF bình thường

OPF với TCSC tại line 8-28

và line 10-22

1

2

22

23

27

13

Tổng chi phí ($/h)

TCSC8-28

TCSC10-22

46.1623 80.0000 50.0000 16.2808 0.0000 0.0000

1700.0729

22.9432 80.0000 35.3390 40.8224 13.3500

0.0000

1795.1791

45.9355 80.0000 50.0000 16.5270 0.0000 0.0000

1700.4088

56.4256%

46.2261%

Bảng 2 Công suất truyền qua của các đường dây hệ thống IEEE30 hiệu chỉnh

ở các trường hợp có xuất hiện quá tải

không line limit

OPF với TCSC tại line 8-28

và line 10-22

6 8

21 22

32

32

35.6926 34.9116

31.931 31.9615

Bảng 3 Danh sách các đường dây thích hợp để xem xét lắp đặt TCSC hệ thống IEEE30 hiệu chỉnh

Line Tập hợp các nhánh

theo min-cut [3]

Nhánh quá tải

Nhánh được xem xét đặt

TCSC

38

37

10

40

16

35

28

29

27-30 27-29 6-8

8-28

13-12 25-27

10-22

21-22

6-8

21-22

Nhánh lân cận với nhánh 6-8 bị quá tải

Nhánh lân cận với nhánh 21-22 bị quá tải

Hình 5: Công suất truyền tải qua các nhánh hệ thống IEEE30 ở trạng thái OPF

không xét đến giới hạn công suất truyền tải đường dây

Hình 6: Công suất truyền tải qua các nhánh hệ thống IEEE30 ở trạng thái OPF

có xét đến giới hạn công suất truyền tải đường dây

Quan sát thấy rằng từ bảng 1 tổng chi phí của nhiên liệu của bài toán OPF khi không xét giới hạn truyền tải của đường dây đã giảm 5,3% so với trường hợp OPF bình thường Tuy nhiên, tình trạng tắc nghẽn truyền tải xảy ra trong đường dây 10(6-8) và 29(21-22) như thể hiện trong bảng 2 (cột 3) tô đậm Lời giải OPF thu được ở trường hợp này là tối ưu nhưng không được bảo đảm vận hành

0 20 40 60 80 100 120 140

Branch

Slmax Slopf without Linelimit

0 20 40 60 80 100 120 140

Branch

Slmax Slopf

Hình 7: Công suất truyền tải qua các nhánh hệ thống IEEE30 ở trạng thái OPF có TCSC

Hình 8: Đặc tuyến hội tụ bài toán OPF có TCSC hệ thống IEEE30 Bảng 4 So sánh kết quả tìm kiếm lời giải của DE-HS

toán lời giải theo DE-HS

1

2

22

23

27

13

Tổng chi phí ($/h)

TCSC

TCSC

46.26 80.0000 50.0000 16.22 0.0000 0.0000

1700.42

60%(line 8-28) 46.66% (line 10-22)

45.9355 80.0000 50.0000 16.5270 0.0000 0.0000

1700.4088

56.4256% (line 8-28) 46.2261% (line 10-22)

0 20 40 60 80 100 120 140

Branch

Slmax Slopf TCSC

0 1 2 3 4 5

6x 10

6

Number of iterations = 300

Max = 5593496.0802, Min = 1700.4088

Khi đó, TCSC đặt tại vị trí thích hợp bằng cách sử dụng giải thuật min-cut có thể

loại bỏ trường hợp bị quá tải trên đường dây 10(6-8) và 29(21-22) Từ bảng 3 ta có tập

hợp các nhánh được tìm thấy theo giải thuật min-cut là 8 nhánh và các nhánh 28(10-22)

và nhánh 40(8-28) là 02 nhánh đặt TCSC phù hợp nhất vì các nhánh 28(10-12) và

nhánh 40(8-28) một mặt vừa là các nhánh có trong danh sách đã được xác định theo giải

thuật min-cut, mặt khác vừa là các nhánh lân cận tương ứng với các nhánh 10(6-8) và

29(21-22) bị quá tải

Thật vậy, kết quả lời giải khi có TCSC đặt tại các nhánh 28 và 40 theo bảng 1 ta

thấy không những chi phí nhiên liệu máy phát tiết kiệm được là 5,28% (gần bằng với

giá trị của lời giải OPF không kể đến giới hạn công suất truyền tải của đường dây) mà

còn loại bỏ được tình trạng tắc nghẽn các đường dây 10(6-8) và 29(21-22)

Về công suất tải của đường dây khi có TCSC:

 10(6-8) giảm từ 111,54% xuống còn 98,78%

 29(21-22) giảm từ 109% xuống còn 99,87%

Khả năng tải công suất của các đường dây khi có TCSC:

 28(10-22) tăng lên từ 7,64497MVA (23,89%) lên 11,0276MVA (34,91%)

 40(8-28) tăng từ 11,1695MVA (34,9%) lên 14,7328MVA (46,04%)

4.2 Xét ở chế độ tình trạng khẩn cấp, hàm mục tiêu cực tiểu chi phí nhiên liệu

máy phát

Bảng 5 Công suất truyền qua các đường dây hệ thống IEEE30 ở trường hợp OPF

bỏ qua giới hạn công suất truyền tải đường dây cho thấy các nhánh outage

Line i-j

Outage

6 8 (32MVA limit)

21 22 (32MVA limit)

2-4 35.4605 35.5296 23-24 35.4567 37.6236 4-6 35.0660 37.4117 15-18 35.6774 36.5827 2-6 35.1731 35.7942