Xác định vị trí khóa điện trên lưới điện phân phối

Xác định vị trí khóa điện trên lưới điện phân phối Xác định vị trí khóa điện trên lưới điện phân phối Xác định vị trí khóa điện trên lưới điện phân phối Xác định vị trí khóa điện trên lưới điện phân phối Xác định vị trí khóa điện trên lưới điện phân phối

TÓM TẮT

Hầu hết việc ngừng cung cấp điện do sự cố trên lưới điện phân phối gây ra Trong thị trường điện cạnh tranh, nâng cao chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện là một phần không thể thiếu trong kinh doanh Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện của

hệ thống, luận văn trình bày phương pháp xác định vị trí lắp đặt các khóa điện trên lưới điện phân phối dựa trên giải thuật di truyền để giảm chi phí phát sinh do ngừng cung cấp điện gây ra Phương pháp đề xuất đã được áp dụng trên lưới điện phân phối

13 nút và 37 nút Kết quả cho thấy, việc điều chỉnh hợp lý vị trí lắp đặt các khóa điện,

độ tin cậy cung cấp điện được cải thiện và giảm được chi phí phát sinh do ngừng cung cấp điện

ABSTRACT

Most electricity service interruptions are due to failures in the distribution network In a competitive market, servicequality and reliability have become an essential part of the business In order to enhance the reliability in the distribution system, this thesis presents a distribution network reconfiguration methodology based

on genetic algorithm to reduce the customer interruption costs The proposed method have been applied on the power network 13 nodes and 37 nodes Simulation results have demonstrated that witha proper adjustment of the feeder sectionalizers, service reliabilitycan be improved and the customer outage costs are reduced

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BẢNG viii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Các nghiên cứu liên quan đã công bố 2

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 3

1.4 Phạm vi nghiên cứu 4

1.5 Phương pháp nghiên cứu 4

1.6 Kết quả dự kiến 4

1.7 Điểm mới của chuyên đề 4

1.8 Giá trị thực tiễn của đề tài 4

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Tổng quan về lưới điện phân phối 5

2.1.1 Định nghĩa về lưới điện phân phối 5

2.1.2 Đặc điểm của lưới điện phân phối 5

2.1.3 Các thiết bị đóng cắt phân đoạn trên lưới điện phân phối 6

2.2 Bài toán xác định vị trí khóa điện trên lưới điện phân phối 7

Chương 3 XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ KHÓA ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ĐỂ GIẢM CHI PHÍ PHÁT SINH DO NGỪNG CUNG CẤP ĐIỆN ĐẾN KHÁCH HÀNG9 3.1 Hàm mục tiêu 9

3.2 Giải thuật di truyền 12

3.2.1 Lịch sử phát triển 12

3.2.2 Các khái niệm cơ bản 12

3.2.3 Phương pháp đề nghị 14

3.3 Ví dụ kiểm tra 18

3.3.1 Lưới điện phân phối 13 nút 18

3.3.2 Lưới điện phân phối 37 nút 28

3.3.2.1Trường hợp 1: Cường độ sự cố trên các nhánh bằng nhau 28

3.3.2.2Trường hợp 2: Cường độ sự cố trên các nhánh khác nhau 33

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 37

4.1 Kết luận 37

4.2 Hướng phát triển của luận văn 37

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

DANH MỤC HÌNH

Hình 3 1 Cấu trúc lưới điện phân phối đơn giản 10 Hình 3 2 Cơ chế ghép chéo đơn điểm cải tiến 15 Hình 3 3 Cơ chế đột biến 16 Hình 3 4 Phương pháp áp dụng giải thuật di truyền xác định vị trí khóa điện trên lưới điện phân phối 17 Hình 3 5 Lưới điện phân phối 13 nút 18 Hình 3 6 Vị trí các khóa điện sau khi được sắp xếp 21 Hình 3 7 Đặc tuyến hội tụ của giải thuật di truyền trên lưới điện phân phối 13 nút 22 Hình 3 8 Lưới điện phân phối 37 nhánh 30 Hình 3 9 Vị trí khóa điện sau khi tối ưu trên lưới điện phân phối 37 nút trong trường hợp 1 32 Hình 3 10 Đặc tuyến hội tụ trên lưới điện phân phối 37 nút trong trường hợp 1 33 Hình 3 11 Vị trí khóa điện sau khi tối ưu trên lưới điện phân phối 37 nút trong trường hợp 2 36 Hình 3 12 Đặc tuyến hội tụ trên lưới điện phân phối 37 nút trong trường hợp 2 36

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3 1 Thông số phụ tải trên lưới điện phân phối 13 nút 18

Bảng 3 2 Cường độ sự cố (lần/năm) trên các nhánh 19

Bảng 3 3 Thông số các đoạn và chi phí ngừng cung cấp điện 20

Bảng 3 4 Kết quả thực hiện trên lưới điện phân phối 13 nút 21

Bảng 3 5 Thông số các đoạn và điện năng ngừng cung cấp điện 30

Bảng 3 6 Thông số các đoạn và điện năng ngừng cung cấp điện sau khi sắp xếp lại vị trí khóa điện 30

Bảng 3 7 Thông số phụ tải trên lưới điện phân phối 37 nút 32

Bảng 3 8 Vị trí khóa điện và chi phí ngừng cung cấp điện ban đầu 34

Bảng 3 9 Vị trí khóa điện và chi phí ngừng cung cấp điện sau khi sắp xếp lại các khóa điện trên lưới điện phân phối 37 núttrong trường hợp 1 35

Bảng 3 10.Vị trí khóa điện và chi phí ngừng cung cấp điện ban đầu trong trường hợp 2 35

Bảng 3 11.Vị trí khóa điện và chi phí ngừng cung cấp điện sau khi sắp xếp lại các khóa điện trên lưới điện phân phối 37 nút trong trường hợp 2 35

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Với tốc độ phát triển của xã hội như hiện nay, cùng với sự gia tăng không ngừng về nhu cầu sử dụng điện, đã đòi hỏi ngành điện cung ứng không chỉ về số lượng khách hàng mà chất lượng điện năng cũng cần phải được cải thiện Theo thống kế

được ghi nhận từ bài báo “Feeder-Switch Relocation for Customer Interruption Cost

Minimization” của hai tác giả Jen-Hao Teng, và Chan-Nan Lu, trên tạp chí IEEE thì

có đến 80% khách hàng bị gián đoạn cung cấp điện do sự cố trên lưới phân phối Và

theobài báo “Optimal Switch Placement in Distribution Systems Using Trinary

Particle Swarm Optimization Algorithm” của hai tác giả Adel Moradi và M Firuzabad trên tạp chí IEEE thì tỷ lệ phần trăm sự cố trên hệ thống lưới điện phân phối

Fotuhi-cao hơn so với các thành phần khác của lưới điện

Hai bài báo trên cũng đã cho thấy được tầm quan trọng của lưới điện phân phối trong việc cung cấp điện cho phụ tải Sự đánh giá chi tiết mức độ tin cậy cũng như tính thích hợp của hệ thống điện phân phối, sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kế hoạch vận hành

hệ thống điện Trong quá trình vận hành hệ thống điện, lưới điện phân phối cần phải đáp ứng được những nhu cầu như: cô lập các phần tử bị sự cố, tái cấu hình lưới để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện và tối ưu hóa tổn hao công suất

Để đáp ứng được các yêu cầu trên thì lưới điện phân phối cần được trang bị nhiều khóa điện từ số lượng cho đến chủng loại Ngày nay, khi mà sự tự động hóa trong hệ thống điện phân phối phát triển mạnh mẽ và rộng rãi nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, thì việc nghiên cứu tái cấu trúc lưới điện phân phối để mang lại sự tối ưu là xu hướng không thể tránh khỏi

Bằng việc xác định số lượng, vị trí lắp đặt, và chủng loại các khóa điện trên lưới điện phân phối, chúng ta có thể quản lý sự cố cũng như xử lý phục hồi cung cấp điện trong khoảng thời gian bé nhất

1.2 Các nghiên cứu liên quan đã công bố

Đề tài “Tái cấu trúc lưới điện phân phối để giảm tổn thất công suất” của tác giả

Nguyễn Minh Quân Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã

xây dựng giải thuật dựa vào thuyết tăng trưởng của cây, để giải quyết vấn đề giảm tổn thất công suất bằng việc thay đổi trạng thái đóng mở của khóa điện Với kiểm chứng của mình trên lưới điện 3 nguồn 16 nút tải và 16 nhánh của Civanlartác giả đã đưa ra được cấu hình tối ưu giảm gần 9% so với tổn thất công suất ở cấu hình ban đầu Và kiểm nghiệm trên lưới điện phân phối 1 nguồn 33 nút 37 nhánh của Baran và Wu, tác giả cũng đã tìm ra được cấu hình giảm tổn thất hơn 30% so với cấu hình ban đầu

Đề tài “Nghiên cứu thuật toán giảm tổn thất công suất trên lưới phân phối” của

tác giả Hà Huy Chiến Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã

trình bày một phương pháp dựa trên tìm kiếm Hueristic kết hợp với thuật toán di truyền (GA), nhằm giải quyết vấn đề giảm tổn thất công suất bằng việc đóng mở các khóa điện để tìm ra cấu trúc tối ưu Kiểm chứng trên lưới 3 nguồn 13 nút tải và 16 nhánh tác giả đã đưa ra được cấu hình tối ưu giảm hơn 7% so với cấu hình ban đầu Và kiểm nghiệm trên lưới tiêu chuẩn IEEE 33 bus, tác giả cũng đưa ra được cấu hình tối

ưu giảm tổn thất hơn 27% so với cấu hình ban đầu

Đề tài “Tái cấu hình lưới điện phân phối có xét đến độ tin cậy cung cấp điện”

của tác giả Trương Ngọc Thảo Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí

Minh đã sử dụng giải thuật tối ưu trọng trường (GSA) để xác định trạng thái đóng mở của khóa điện nhằm tối ưu lưới điện phân phối có xét đến độ tin cậy cung cấp điện Kiểm chứng trên lưới điện 3 nguồn 16 nút và chia ra làm 3 trường hợp và tác giả đã chứng minh được trong trường hợp 1 và 2 tổn thất điện năng trên lưới đều giảm đi 8,9% so với lượng tổn thất ban đầu Và trong trường hợp 3 tổn thất lại tăng lên 13,9%

vì chi phí bù ngừng cung cấp điện lớn nên phải chấp nhận tổn thất tăng lên để đảm bảo cung cấp điện liên tục Kiểm nghiệm trên lưới tiêu chuẩn IEEE 33 bus ta cũng thấy được trong hai trường hợp 1 và 2 tổn thất công suất giảm đi tương ứng là 33,4% và 32,49% Và trong trường hợp 3 chúng ta phải chấp nhận tổn thất lớn hơn ban đầu để

đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện

Đề tài “Reconfiguration of power distribution systems considering reliability and power loss” của nhóm tác giả B Amanulla, Saikat Chakrabarti và S.N Singh đã

đề xuất giải thuật nhị phân tối ưu hóa bầy đàn để giải quyết vấn đề độ tin cậy và giảm tổn hao công suất bằng việc xác định số lượng khóa điện tối thiểu và vị trí khóa trên lưới Với kiểm chứng trên lưới mẫu 33 nút và 123 nút tác giả đã đưa ra được cấu hình khóa trên lưới trong các trường hợp độ tin cậy cao nhất, tổn thất công suất bé nhất và

trường hợp đạt được cả hai điều trên

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu bài toán xác định vị trí tối ưu lắp đặt các khóa điện nhằm tối ưu hóa hệ thống điện phân phối Các nhiệm vụ cụ thể của chuyên đề là:

- Xây dựng phương pháp xác định chi phí ngừng cung cấp điện trên lưới điện

phân phối bao gồm chi phí sửa chữa, chi phí chuyển tải và chi phí cách ly khi có sự cố xảy ra trên lưới điện phân phối

- Xác định vị trí tối ưu lắp đặt các khóa điện trên lưới điện phân phối nhằm nâng

cao độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng dùng điện thông qua việc giảm chi phí do ngừng cung cấp điện gây ra

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi là xác định vị trí lắp đặt tối ưu các khóa điện hiện hữu trên lưới điện phân phối để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện thông qua việc giảm chi phí ngừng cung cấp điện

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được triển khai trong đề tài này là:

- Thu thập các thông tin tài liệu có liên quan đến chuyên đề nghiên cứu

- Sử dụng mô hình lưới điện phân phối 13 nút và 37 nút để phân tích, đưa ra cơ

sở lý thuyết và giải pháp phù hợp

- Sử dụng giải thuật di truyền để xác định vị trí lắp đặt khóa điện trên lưới điện phân phối, phân tích kết quả mô phỏng và đưa ra nhận xét

1.6 Kết quả d iến

Xác định được vị trí lắp đặt các khóa điện trên các lưới điện phân phối xem xét

để cực tiểu chi phí ngừng cung cấp điện

1.7 Điểm mới của chuyên đề

- Xây dựng được phương pháp tính toán chi phí ngừng cung cấp điện do việc lắp đặt các khóa điện trên lưới điện phân phối

- Áp dụng được giải thuật di truyền để giải bài toán xác định vị trí lắp đặt khóa điện trên lưới điện phân phối

1.8 Giá trị th c tiễn của đề tài

- Cung cấp một phương pháp giải quyết bài toán xác định vị trí lắp đặt khóa

điện trên lưới điện phân phối và dễ dàng áp dụng trong thực tế

- Góp phần vào các đề tài nghiên cứu liên quan đến khóa điện trên lưới phân

phối

- Làm tài liệu tham khảo cho các công trình nghiên cứu tiếp theo

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về lưới điện phân phối

2.1.1 Định nghĩa về lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối (LĐPP) là thành phần cuối cùng trong quá trình truyền dẫn điện năng từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ Các đường dây phân phối sơ cấp thường ở cấp điện áp từ 4 ÷ 35kVvà cung cấp điện cho một vùng địa lý được xác định trước

Các đường dây phân phối trung thế chính này sẽ dẫn điện năng đi đến trạm biến

áp nằm gần cơ sở của khách hàng và sau đó giảm điện áp xuống một lần nữa rồi được kéo đến nơi tiêu thụ điện Cấp điện áp thứ cấp cung cấp cho các hộ tiêu thụhầu hết là điện áp thấp như 110V, 220V hay 380V

Mạng điện phân phối có cả hai loại đường dây đó là đường dây trên không và đường dây cáp ngầm Ngày nay, đường dây phân phối cáp ngầm nhanh chóng vượtlên trên 70% trong các công trình xây dựng mới ở các nước phát triển

2.1.2 Đặc điểm của lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối có các đặc điểm về thiết kế và vận hành khác với lưới điện truyền tải Lưới điện phân phối phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn thất lớn Kinh nghiệm các điện lực trên thế giới cho thấy tổn thất thấp nhất trên lưới phân phối vào khoảng 4%, trong khi trên lưới truyền tải làkhoảng 2% Vấn đề tổn thất trên lưới phân phối liên quan chặt chẽ đến các vấn đề kỹ thuật của lưới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành Do đó trên cơ sở các số liệu về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của lưới điện phân phối

Trên thực tế, lưới điện phân phối được thiết kế mạch vòng nhưng lại vận hành theo hình tia Một trong những lý do lưới điện phân phối vận hành hình tia làgiảm dòng ngắn mạch vì tổng trở lưới khi vận hành hình tia lớn hơn nhiều so với mạchvòng Cũng chính vì vậy mà lựa chọn thiết bị cho lưới hình tia cũng đơngiản và rẻ hơn nhiều

so với mạch vòng Việc cấu trúc lưới mạch vòng nhưng vận hành hình tia cũng nhằm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khác hàng Trên lưới điện phân phối có rất nhiều

khóa điện, để tìm ra cách chuyển tải tốt nhất cho tổ hợp các khóa điện đòi hỏi rấtnhiều thời gian và điều kiện kỹ thuật ràng buộc Vì vậy, tìm ra phương pháp hiệu quả để tái cấu trúc lưới là hết sức cần thiết

2.1.3 Các thiết bị đóng cắt phân đoạn trên lưới điện phân phối

Để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cũng như quá trình bảo trì, sửa chữa, khắcphục sự cố trong hệ thống lưới điện phân phối Người ta thường sử dụng các thiết bịnhư: cầu chì, dao cách ly, cầu dao cắt tải,máy cắt, máy cắt tự đóng lại,v.v

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

2.1.3.1 Dao cách ly (DCL)

Dao cách ly là thiết bị tạo ra khoảng hở trông thấy được giữa bộ phận đang mang điện và bộ phận cắt điện, để đảm bảo an toàn cho người sửa chữa, bảo trìđường dây điện DCL không có bộ phận dập hồ quang nên khi đóng hoặc cắt phải đảm bảo cầu dao không có điện hoặc đường dây không có phụ tải Trên đường dây phân phối lắp đặt DCL, khi xảy ra sự cố máy cắt đầu nguồn sẽ cắt, quá trình cungcấp điện cho phụ tải bị ngừng

Việc xác định điểm sự cố được thực hiện từ cuối đường dây ngược trở về đầu đường dây Trong khoảng thời gian không có điện DCL ở trước phân đoạn sự cốđược

mở ra, và khắc phục sự cố, việc thao tác này được thực hiện tại chỗ bằng tay Sau khi khắc phục sự cố xong máy cắt đầu đường dây được đóng trở lại, sự cố đã được loại trừ

và đường dây được khôi phục cung cấp điện

2.1.3.2 Cầu dao phụ tải (CDPT)

Cầu dao phụ tải (CDPT) là thiết bị đóng và cắt đường dây điện cótải của lưới điện phân phối phù hợp với dòng định mức của nhà chế tạo Do khả năng đóng, cắt có tải nên khi thao tác không cần phải cắt điện, tránh hiện tượng mất điện không cần thiết của các phụ tải khi đổi nguồn, chuyển tải,v.v Với ưu điểm đóng cắt có tải, giá thành thấp, trong các trường hợp ngừng điện kế hoạch, CDPT có ưu điểm hơn hẳn so với DCL nên được sử dụng phổ biến trên lưới điện phân phối nước ta

2.1.3.3 Recloser (Máy cắt t động đóng lại)

Recloser là một thiết bị đóng cắt tự động trên lưới điện phân phối, khi xảy ra sự

cố trên phânđoạn nào thì Recloser ở phân đoạn đó sẽ tác động cắt phân đoạn đó ra Sau một thời gianxác định Recloser tự động đóng trở lại Nếu là sự cố thoáng qua phân đoạn sự cố đượckhôi phục cấp điện trở lại Nếu là sự cố vĩnh cửu Recloser lại cắt và tách phân đoạn sựcố ra khỏi lưới điện Việc cung cấp điện được tiếp tục từ đầu nguồn đến phân đoạn nằmtrước phân đoạn sự cố

2.2 Bài toán xác định vị trí hóa điện trên lưới điện phân phối

Trong những năm gần đây, các nhà cung cấp điện đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức trong việc tăng tính cạnh tranh trong thị trường cung cấp điện Một trong những mối quan tâm lớn để tăng giá trị thị trường của dịch vụ cung cấp điện là cung cấp điện với chất lượng tốt nhất, tin cậy và giảm chi phí vận hành, bảo trì, xây dựng để đảm bảo cung cấp điện với chi phí thấp nhất đến khách hàng dùng điện

Như đã nói ở trên, lưới điện phân phối là một phần quan trọng của hệ thống điện, nó cung cấp đường kết nối cuối cùng giữa các trạm biến áp trung gian và khách hàng Đã có những báo cáo cho thấy rằng 80% việc ngừng cung cấp điện đến khách hàng dùng điện là do sự cố trên lưới điện phân phối Để cải thiện độ tin cậy cung cấp điện, nhiều hệ thống tự động hóa đã được áp dụng trên lưới điện phân phối để cải thiện

độ tin cậy cung cấp điện đến khách hàng [6-7]

Các khóa điện trên lưới điện phân phối được lắp để cải thiện độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện thông qua việc sử dụng chúng để cách ly sự cố, chuyển tải khi

có sự cố Trong khi có rất nhiều phương pháp được sử dụng để xác định trạng thái vận hành các khóa điện (hay còn gọi là bài toán tái cấu hình lưới điện) thì lại có rất ít các nghiên cứu tập trung đến việc lắp đặt các khóa điện trên lưới điện phân phối [8-11] Việc lựa chọn số lượng và vị trí lắp đặt các khóa điện trên lưới điện phân phối là một nhiệm vụ khó khăn trong việc quy hoạch lưới điện phân phối bởi vì đây là bài toán với hàm mục tiêu phi tuyến

Có rất nhiều các giải thuật thông minh đã được sử dụng để giải bài toán xác định vị trí khóa điện trên lưới điện phân phối Luth [8] đề xuất bốn luật để xác định vị trí lắp đặt thiết bị bảo vệ để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện thông qua sử dụng các

chỉ số liên quan đến độ tin cậy cung cấp điện Trong [9], tác giả sử dụng giải thuật di truyền để xác định vị trí lắp đặt khóa điện trên lưới điện phân phối với hàm mục tiêu là giảm chi phí liên quan đến tổn thất năng lượng và chi phí đầu tư các khóa điện Trong [10], giải thuật luyện kim được sử dụng để giải bài toán xác định vị trí lắp đặt các khóa điện, trong đó xem xét đến chi phí ngừng điện, chi phí bảo trì và chi phí đầu tư Trong [11], Celli và cộng sự đề xuất phương pháp dựa trên nguyên lý tối ưu của Bellmann để cực tiểu chi phí đầu tư các khóa điện trên lưới điện phân phối

Khi quy hoạch việc đóng cắt trên lưới điện phân phối, kích cỡ, số lượng và vị trí lắp đặt các khóa điện trên lưới điện phân phối được xác định dựa trên việc ước lượng việc tăng trưởng phụ tải trên lưới điện Trong quá trình vận hành và tăng trưởng của lưới điện phân phối, sau một thời gian dài phục vụ cung cấp điện, có thể cấu trúc lưới đã khác so với thiết kế ban đầu Vì vậy, vị trí của các khóa điện này phải được điều chỉnh để đạt được kết quả tốt nhất Trong luận văn này tập trung nghiên cứu phương pháp thay đổi vị trí các khóa điện trên lưới điện phân phối

Đánh giá độ tin cậy cung cấp điện hiện thu hút được nhiều sự quan tâm bởi vì

nó cho thấy một cơ hội kết hợp các chi phí hoặc thiệt hại phát sinh từ tiện ích của khách hàng do kết quả của việc mất điện [12-15]

Để đảm bảo nhu cầu liên tục cung cấp dịch vụ tốt hơn cho khách hàng, việc sắp xếp lại chuyển đổi là một phương pháp hiệu quả về chi phí để giảm chi phí ngừng cung cấp điện cho khách hàng Để giải quyết bài toánsắp xếp lại các khóa điện trên lưới điện phân phối, luận văn xây dựng phương pháp dựa trên thuật toán di truyền để xác định vị trí các khóa điện với mục tiêu giảm chi phí phát sinh do việc ngừng cung cấp điện đến khách hàng sử dụng điện

Chương 3 XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ KHÓA ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ĐỂ GIẢM CHI PHÍ PHÁT SINH DO NGỪNG CUNG CẤP ĐIỆN ĐẾN KHÁCH HÀNG

3.1 Hàm mục tiêu

Trong lưới điện phân phối, các nhánh nằm giữa các khóa điện được định nghĩa là các phần lưới (đoạn lưới) Mỗi phần lưới có nhiều nút phụ tải và phụ tải tương đương của mỗi đoạn lưới được tính bằng tổng phụ tải có trong đoạn lưới đó Thông thường,

để xử lý sự cố trên một đoạn lưới, bốn bước khôi phục sự cố sau được thực hiện:

Bước 4: Sửa chữa và khôi phục cung cấp điện

Sử dụng dữ liệu thu thập được trong quá trình vận hành (thời gian sửa chữa trung bình, thời gian cách ly, khôi phục), khi có sự cố xảy ra trên bất cứ đoạn lưới nào, thời gian ngừng điện tương ứng cho tất cả các đoạn lưới có thể được xác định bằng ma trận ngừng điện:

(3.1) Trong đó, là thời gian mất điện của đoạn lưới jth do bởi sự cố tại đoạn lưới ith Trong quá trình tính toán ma trận , cần phải tính đến vị trí các khóa điện trên lưới điện phân phối, tần suất sự cố, thời gian chuyển tải, và lượng công suất có khả năng chuyển tải từ các xuất tuyến khác

1

S/S 2

NO

Đoạn 1 Đoạn 2 Đoạn 3 Đoạn 4 Đoạn 5

Hình 3 1 Cấu trúc lưới điện phân phối đơn giản Xét lưới điện phân phối đơn giản như hình 3.1 Giả thiết sự cố xảy tại đoạn lưới

3, thời gian ngừng cung cấp điện của các phụ tải trong đoạn lưới 2 sẽ là thời gian thực hiện các Bước 1 và Bước 2 Thời gian ngừng cung cấp điện của đoạn lưới 5 sẽ phụ thuộc vào công suất có thể chuyển tải của xuất tuyến 2 và thời gian ngừng điện sẽ là thời gian thực hiện Bước 1 và Bước 3 Ngược lại, nếu công suất đoạn lưới 5 lớn hơn công suất cho phép chuyển tải của xuất tuyến 2 (công suất chuyển từ khóa NO) thì việc cung cấp điện cho đoạn lưới 5 sẽ chờ cho đến khi sự cố được xử lý xong

Giả sử công suất chuyển tải của xuất tuyến 2, đủ để cung cấp cho phân đoạn 5,

ma trận thời gian ngừng cung cấp điện sẽ được xác định như sau:

Trong đó, là cường độ sự cố trên các đoạn lưới 1, 2, 3, 4, và đoạn

5 Tsc, Tct, Tcl là thời gian sửa chữa, thời gian chuyển tải và thời gian cách ly các đoạn lưới Trong trường hợp này rõ ràng là, ngoại trừ trường hợp sự cố xảy ra trên đoạn lưới

5, thời gian mất điện đoạn lưới 5 sẽ là thời gian sửa chữa chính đoạn lưới này, ngoài ra khi sự cố xảy ra ở các đoạn lưới trước đó, thời gian mất điện trên đoạn lưới 5 chỉ bằng thời gian chuyển tải đoạn lưới này sang xuất tuyến 2 Hay trong đoạn lưới 1, thời gian mất điện của đoạn 1 chỉ bằng thời gian cách ly sự cố nếu sự cố xảy ra ở phía sau đoạn

1, ngoại trừ trường hợp sự cố xảy ra ở đoạn lưới 1, thì thời gian mất điện của đoạn 1 sẽ bằng thời gian sửa chữa

Khi đó, nếu thời gian ngừng cung cấp điện được quy đổi tương ứng với một đơn giá tiền phạt nhất định thì ma trận thời gian ngừng cung cấp điện sẽ được thay thế bằng một ma trận đơn giá phạt như sau:

Trong đó, C11 là đơn giá phạt do ngừng cung cấp điện trên đoạn 1 do sự cố xảy

ra trên đoạn 1; C12 là đơn giá phạt do ngừng cung cấp điện trên đoạn 2 do sự cố xảy ra trên đoạn 1 gây ra; C13 là đơn giá phạt do ngừng cung cấp điện trên đoạn 3 do sự cố xảy ra trên đoạn 1 gây ra Giả sử đơn giá sửa chữa được quy ước là Csc ($/kw), đơn giá phạt ngừng cung cấp điện do chuyển tải là Cct ($/kw), và đơn giá phạt ngừng cung cấp điện do cách ly là Ccl ($/kw) Thì trong trường hợp trên, ma trận đơn giá phạt sẽ là:

Chi phí ngừng cung cấp điện ($/kWh) do sự cố tại đoạn lưới i gây ra là:

(3.2) Trong đó, và lần lượt là phụ tải và tần suất sự cố (lần/km/năm) của đoạn

lưới i, ($/kW) là đơn giá ngừng cung cấp điện của phụ tải đoạn j do sự cố trên đoạn lưới i gây ra

Để cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và giảm thời gian mất điện cho khách hàng, thay vì đầu tư thêm khóa điện phân đoạn trên hệ thống, luận văn đề xuất phương pháp sắp xếp lại các khóa điện hiện có trên lưới điện Để thực hiện điều này, hàm mục tiêu của bài toán là:

(3.3)

Do trong quá trình tính toán, có sử dụng phương chuyển tải để giảm thời gian ngừng cung cấp điện Vì vậy, giới hạn công suất chuyển tải được xem như ràng buộc của bài toán:

(3.4)

Trong đó, là lượng công suất có khả năng cung cấp của xuất tuyến khác khi thực hiện chuyển tải, là tập các đoạn lưới được cung cấp tạm thời bởi xuất tuyến khác

Do bởi hàm mục tiêu là hàm phi tuyến, luận văn áp dụng phương pháp metaheuristic dựa trên giải thuật di truyền để giải bài toán

3.2 Giải thuật di truyền

3.2.1 Lịch sử phát triển

Giải thuật di truyền cũng như các thuật toán tiến hoá đều được hình thành dựa trên một quan niệm được coi là một tiên đề phù hợp với thực tế khách quan Đó là

quan niệm "Quá trình tiến hoá tự nhiên là quá trình hoàn hảo nhất, hợp lý nhất và tự

nó đã mang tính tối ưu" Quá trình tiến hoá thể hiện tính tối ưu ở chỗ thế hệ sau bao

- 1975: Giải thuật gen do John Holland phát minh và được phát triển bởi ông cùng với các đồng nghiệp và những sinh viên Cuốn sách "Adaption in Natural and Artificial Systems" (Sự thích nghi trong các hệ tự nhiên và nhân tạo) xuất bản năm

1975 đã tổng hợp các kết quả của quá trình nghiên cứu và phát triển đó

- 1992: John Koza đã dùng GA để xây dựng các chương trình giải quyết một số bài toán và gọi phương pháp này là "lập trình gen"

Ngày nay giải thuật di truyền càng trở nên quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực tối ưu hoá, một lĩnh vực có nhiều bài toán thú vị, được ứng dụng nhiều trong thực tiễn nhưng thường khó và chưa có giải thuật hiệu quả để giải

3.2.2 Các khái niệm cơ bản

Giải thuật di truyền dựa vào quá trình tiến hoá trong tự nhiên nên các khái niệm

và thuật ngữ của nó đều có liên quan đến các thuật ngữ của di truyền học

- Cá thể, nhiễm sắc thể: Trong giải thuật di truyền, một cá thể biểu diễn một giải pháp của bài toán Không giống với trong tự nhiên, một cá thể có nhiều nhiễm sắc thể (NST), ở đây ta quan niệm một cá thể có một nhiễm sắc thể Do đó khái niệm cá thể và nhiễm sắc thể trong giải thuật di truyền coi như là tương đương Một NST được tạo thành từ nhiều gen, mỗi gen có thể có các giá trị khác nhau để quy định một tính trạng nào đó Trong GA, một gen được coi như một phần tử trong chuỗi NST

- Quần thể: Quần thể là một tập hợp các cá thể có cùng một số đặc điểm nào

đấy Trong giải thuật di truyền ta quan niệm quần thể là một tập các lời giải của một

- Lai ghép: Lai ghép trong tự nhiên là sự kết hợp các tính trạng của bố mẹ để sinh ra thế hệ con Trong giải thuật di truyền, lai ghép được coi là một sự tổ hợp lại các tính chất (thành phần) trong hai lời giải cha mẹ nào đó để sinh ra một lời giải mới mà

có đặc tính mong muốn là tốt hơn thế hệ cha mẹ Đây là một quá trình xảy ra chủ yếu trong giải thuật di truyền

- Đột biến: Đột biến là một sự biến đổi tại một (hay một số) gen của nhiễm sắc thể ban đầu để tạo ra một nhiễm sắc thể mới Đột biến có xác suất xảy ra thấp hơn lai ghép Đột biến có thể tạo ra một cá thể mới tốt hơn hoặc xấu hơn cá thể ban đầu Tuy nhiên trong giải thuật di truyền thì ta luôn muốn tạo ra những phép đột biến cho phép cải thiện lời giải qua từng thế hệ

Các bước cơ bản của thuật toán giải thuật di truyền được thực hiện như sau:

Bước 1: Khởi tạo quần thể

Với các biến điều khiển cho trước X, chọn ngẫu nhiên một quần thể nhiễm sắc

thể (NST) trong đó mỗi NST có thể được thể hiện bởi một chuỗi

mã nhị phân hay các số liên tục Khi đó, mỗi NST tương ứng với một giá trị hàm mục tiêu , và quần thể tương ứng với tập giá trị hàm mục tiêu

Đặt thế hệ k = 0, di chuyển đến bước tiếp theo

Thực hiện xong bước 2-4, một quần thể mới được sinh ra thay thế cho thế hệ cha

mẹ với một số NST mới và loại bỏ một số NST xấu Quần thể mới được đánh giá bằng hàm thích nghi Nếu các điều kiện hội tụ được thỏa mãn, thuật toán sẽ được dừng lại ngược lại thuật toán sẽ quay lại bước 2 và tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo

3.2.3 Phương pháp đề nghị

Bước 1: Nhập thông số lưới điện và các thông số của giải thuật di truyền Thông

số lưới bao gồm tổng trở đường dây, phụ tải các nút và cấp điện áp của lưới điện Thông số giải thuật di truyền bao gồm số lượng cá thể trong quần thể, tỉ lệ đột biến và

tỉ lệ chọn lọc, và số thế hệ của giải thuật

Bước 2: Khởi tạo quần thể

Đối với giải thuật di truyền, mỗi nhiễm sắc thể tương ứng với một giải pháp để giải bài toán Trong bài toán xác định vị trí các khóa điện trên lưới điện phân phối, mỗi

nhiễm sắc thể là vị trí các nhánh có thể đặt các khóa điện Vì vậy, mỗi nhiễm sắc thể trong quần thể được khởi tạo ngẫu nhiên như sau:

(3.5) Trong đó, là vị trí đặt các khóa điện trên lưới điện phân phối, NS là số lượng khóa điện có trên hệ thống

Dựa trên quần thể được khởi tạo, thông số nhánh và nút của lưới điện được cập nhật và hàm mục tiêu chi phí ngừng cung cấp điện được tính toán để tìm giá trị của hàm mục tiêu

Bước 3: Chọn lọc các nhiễm sắc thể tốt

Mục đích của chọn lọc là đảm bảo cơ hội tái sinh lớn hơn cho các nhiễm sắc thể tốt Chọn lọc được thực hiện dựa trên giá trị thích nghi của các nhiễm sắc thể Đầu tiên, giá trị thích nghi của N nhiễm sắc thể được sắp xếp theo thứ tự từ xấu đến tốt

nhất Sau đó, chỉ có các nhiễm sắc thể tốt nhất được lựa chọn với tỉ lệ N keep cho các giai đoạn tiếp theo, các nhiễm sắc thể còn lại được loại bỏ khỏi quần thể

Bước 4: Ghép chéo tạo ra các nhiễm sắc thể mới

Ghép chéo cho phép trao đổi thông tin gen giữa các nhiễm sắc thể được chọn lọc Các nhiễm sắc thể mới xuất hiện trong quần thể góp phần làm tăng tính đa dạng, do đó cho phép thăm dò các điểm mới trong không gian tìm kiếm Trong luận văn này, phương pháp ghép chéo đơn điểm cải tiến được sử dụng để tạo ra các nhiễm sắc thể

mới như minh họa ở hình 3.2

Bước 5: Đột biến tạo ra các nhiễm sắc thể mới

Để giải thuật di truyền không bị rơi vào điểm cực trị địa phương trong quá trình khám phá không gian tìm kiếm Trong luận văn sử dụng tỉ lệ đột biến bằng 20% tổng

số gen trong quần thể nhiễm sắc thể tại mỗi thế hệ Lưu ý rằng, nhiễm sắc thể tốt nhất trong quần thể sẽ không được thay thể bằng các nhiễm sắc thể được tạo ra do đột biến

Thông thường đối với các thuật toán tiến hóa, điều kiện dừng của giải thuật có thể là sự sai khác của giá trị hàm mục tiêu trong một số vòng lặp nhất định hoặc là dựa vào số vòng lặp đặt trước Trong phạm vi luận văn, điều kiện dừng của giải thuật di

truyền được thực hiện dựa trên số thế hệ đặt trước Iter max Nếu giá trị vòng lặp hiện tại vẫn đang nhỏ hơn số vòng lặp (thế hệ) đặt trước ở bước 1, giải thuật tiếp tục trở lại bước 3 và tiếp tục thực hiện cho đến khi đủ số vòng lặp đặt trước

Lưu đồ phương pháp xác định vị trí đặt các khóa điện trên lưới điện phân phối áp dụng giải thuật di truyền được mô tả chi tiết trong hình vẽ sau:

Bắt đầu

Đọc thông số lưới, Chọn các thông số: kích thước quần thể N, số khóa điện cần sắp xếp, tỉ lệ đột biến Xm,

và tỉ lệ chọn lọc X keep , Số thế hệ Iter max

- Khởi tạo ngẫu nhiên quần thể nhiễm sắc thể N

[S 1 , S 2 , …, S NS ]

Tính toán chi phí ngừng cung cấp điện

- Giữ lại các nhiễm sắc thể tốt nhất dựa trên tỉ lệ chọn lọc Xkeep

- Chọn ngẫu nhiên một gen trong mỗi cặp nhiễm sắc thể cha mẹ

- Thay thể gen được chọn bằng một gen mới

- Thực hiện ghép chéo sử dụng phương pháp đơn điểm

Chọn lọc

Ghép chéo

- Xác định số lượng gen cần đột biến Xm : (N-1) x Nts x X m

- Thay thể ngẫu nhiên một số gen được chọn

- Kiểm tra các giới hạn ràng buộc của các nhiễm sắc thể mới Đột biến

Kết thúc

Iter = Iter + 1

Hình 3 4 Phương pháp áp dụng giải thuật di truyền xác định vị trí khóa điện trên lưới

điện phân phối

Đoạn 1 Đoạn 2 Đoạn 3 Đoạn 4 Đoạn 5

Hình 3 5 Lưới điện phân phối 13 nút

Để minh họa phương pháp đề xuất, một lưới điện phân phối đơn giản được sử dụng gồm có 13 nút, tổng phụ tải 1250 kW và phụ tải các nút được cho ở bảng 3.1, các thông số khác của hệ thống bao gồm:

– Cường độ sự cố trên tất cả các nhánh bằng nhau và được cho ở bảng 3.2 – Thời gian ngừng cung cấp điện: Thời gian sửa chữa trung bình 4 giờ, thời gian cần thiết để cách ly sự cố 0.5 giờ, thời gian chuyển tải sang xuất tuyến khác 1 giờ – Công suất có khả năng chuyển tải sang xuất tuyến 2 là 750 kW

– Đơn giá chi phí ngừng cung cấp điện tùy thuộc vào thời gian ngừng cung cấp điện được cho như sau:

+ Thời gian ngừng cung cấp điện là 0.5 giờ: 4.2$/kW

+ Thời gian ngừng cung cấp điện là 1.0 giờ: 9.62$/kW

+ Thời gian ngừng cung cấp điện là 4.0 giờ: 18.544$/kW

Bảng 3 1 Thông số phụ tải trên lưới điện phân phối 13 nút Nút P(kW) Nút P(kW) Nút P(kW)