Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
BÙ TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN<br />
DÒNG ĐIỆN NÚT TƯƠNG ĐƯƠNG VÀ THUẬT TOÁN DI TRUYỀN<br />
Trần Thanh Sơn*, Trần Anh Tùng<br />
Tóm tắt: Bù tối ưu công suất phản kháng sử dụng thuật toán dòng điện nút<br />
tương đương và thuật toán di truyền được giới thiệu trong bài báo này. Thuật<br />
toán dòng điện nút tương đương được ứng dụng để tính toán trào lưu công suất<br />
do ưu điểm tốc độ tính toán nhanh. Vị trí của các nút bù tiềm năng trên lưới điện<br />
được xác định bằng hệ số độ nhạy tổn thất. Sau đó, thuật toán di truyền được<br />
ứng dụng để tối ưu dung lượng tụ bù tại các nút đã được lựa chọn dựa trên hệ số<br />
độ nhạy tổn thất. Thuật toán được áp dụng cho xuất tuyến trung áp 478E1.14 của<br />
lưới điện Ba Đình. Kết quả chỉ ra rằng lợi ích kinh tế do giảm tổn thất điện năng<br />
trên xuất tuyến này có thể đạt được 386 triệu đồng/năm nhờ vào việc lắp đặt ba<br />
giàn tụ bù công suất 120; 160 và 170kVar.<br />
Từ khóa: Dòng điện nút tương đương, Thuật toán di truyền, Trào lưu công suất, Bù tối ưu công suất phản<br />
kháng, Lưới điện trung áp.<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Tính toán tổn thất điện năng là một trong các nhiệm vụ quan trọng trong hoạt động<br />
quản lý, phân phối điện của các công ty điện lực. Hiện nay, các tính toán này thường được<br />
thực hiện dựa trên công cụ như PSS/ADEPT. Kết quả tính toán tổn thất điện năng hàng<br />
năm được phân tích để hiểu rõ các nguyên nhân gây tổn thất nhằm nâng cao hiệu quả vận<br />
hành lưới điện trong các giai đoạn tiếp theo.<br />
Bên cạnh đó, giảm tổn thất điện năng cũng là một trong các nhiệm vụ được ưu tiên của<br />
các công ty điện lực. Các biện pháp giảm tổn thất điện năng thường được áp dụng như tái<br />
cấu trúc lưới điện, tối ưu hóa vận hành, hay bù công suất phản kháng. Trong đó, bù công<br />
suất phản kháng là một phương pháp được áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên, việc tính toán bù<br />
tối ưu công suất phản kháng bởi các công ty điện lực thường chưa chính xác. Chính vì vậy,<br />
bài báo này có mục đích giới thiệu một chương trình giải tích lưới điện cho phép tính toán<br />
tổn thất điện năng bằng thuật toán dòng điện nút tương đương và bù tối ưu công suất phản<br />
kháng bằng thuật toán di truyền. Chương trình đề xuất được xây dựng trên nền tảng<br />
Matlab. Thuật toán dòng điện nút tương đương và nguyên lí bù tối ưu công suất phản<br />
kháng bằng thuật toán di truyền lần lượt được trình bày. Cuối cùng, kết quả tính toán bù<br />
tối ưu công suất phản kháng cho lộ 478E1.14 của lưới điện trung áp Ba Đình được giới<br />
thiệu như một ví dụ minh họa.<br />
2. THUẬT TOÁN DÒNG ĐIỆN NÚT TƯƠNG ĐƯƠNG<br />
Thuật toán dòng điện nút tương đương sử dụng các ma trận Dòng điện Nút – Dòng<br />
điện Nhánh (DNDN) và Dòng điện Nhánh - điện Áp Nút (DNAN) để giải bài toán trào lưu<br />
công suất của lưới điện phân phối. Lưu đồ thuật toán của phương pháp này được giới thiệu<br />
trên hình 1.<br />
Đối với lưới điện phân phối, phụ tải tại nút i được biểu diễn bởi phương trình (1) và<br />
dòng điện phụ tải tại nút i được biểu diễn bởi phương trình (2):<br />
= + = , ,…, (1)<br />
=( / )∗ (2)<br />
Đối với mô hình lưới điện phân phối trên hình 2, dòng điện trên các nhánh có thể được<br />
biểu diễn bởi dòng điện nút tương đương :<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 27<br />
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Thuật toán dòng điện nút tương đương.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Mô hình lưới điện phân phối đơn giản.<br />
= + + (3)<br />
2 = 3 + 4 (4)<br />
3 = 4 (5)<br />
Hệ phương trình trên được viết lại dưới dạng ma trận:<br />
1 1 1 1 2<br />
2 = 0 1 1 3 (6)<br />
3 0 0 1 4<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
28 T. T. Sơn, T. A. Tùng, “Bù tối ưu công suất phản kháng… và thuật toán di truyền.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
Đối với lưới điện phân phối có nhiều nhánh rẽ từ đường trục chính, các nút được đánh<br />
số lần lượt từ nút nguồn cho đến hết nhánh rẽ đầu tiên trên trục chính sau đó lần lượt đến<br />
các nhánh rẽ tiếp theo cho đến nhánh cuối cùng của lưới điện, chỉ số của các nhánh cũng<br />
được quy ước theo cách tương tự.<br />
Các phương trình dòng điện nhánh có thể được tổng quát hóa bởi phương trình (7):<br />
[ ]=[ ][ ] (7)<br />
Trong đó : B – Véctơ dòng điện nhánh<br />
DNDN – Ma trận dòng điện Nút – Dòng điện Nhánh<br />
I – Véctơ dòng điện nút<br />
Trong khi đó, ma trận DNAN biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện nhánh và điện áp<br />
nút. Sự chênh lệch điện áp giữa hai nút kề nhau trên lưới điện được giới thiệu trên hình 1<br />
được tính toán trực tiếp từ hệ phương trình:<br />
2 = 1 − 1 12 (8)<br />
3 = 2 − 2 23 (9)<br />
4 = 3 − 3 34 (10)<br />
Thay các biểu thức điện áp U2 và U3 trong các phương trình (8) và (9) vào phương<br />
trình (10), ta có thể biểu diễn phương trình điện áp U4 như sau :<br />
4 = 1 − 1 12 − 2 23 − 1 34 (11)<br />
1 2 12 0 0<br />
1 − 3 = 12 23 0 [ ] (12)<br />
1 4 12 23 34<br />
Cuối cùng ta có:<br />
[∆ ] = [ ][ ] (13)<br />
Cách thức xây dựng các ma trận DNDN, DNAN được trình bày chi tiết trong [1]. Phân<br />
bố các dòng công suất trên các nhánh của lưới điện và tổn thất công suất của toàn lưới<br />
được tính toán sau khi điện áp tại các nút được xác định theo lưu đồ thuật toán trên. Bằng<br />
phương pháp này, tổn thất công suất của lưới điện phân phối hình tia có thể được tính toán<br />
dễ dàng và nhanh chóng. Mặt khác, tốc độ hội tụ của phương pháp dòng điện nút tương<br />
đương nhanh hơn so với phương pháp Gauss-Seidel [1], do đó, phương pháp này thích hợp<br />
để áp dụng cho các bài toán tối ưu khi trào lưu công suất của lưới điện phải giải nhiều lần.<br />
3. BÙ TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG BẰNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN<br />
3.1. Lưu đồ thuật toán<br />
Bài toán bù tối ưu công suất phản kháng được thực hiện theo lưu đồ thuật toán được<br />
giới thiệu trên hình 2. Các nút bù tiềm năng được lựa chọn dựa trên hệ số độ nhạy tổn thất<br />
khi trào lưu công suất của lưới điện được giải lần đầu tiên. Sau đó, thuật toán di truyền<br />
được áp dụng để xác định dung lượng bù tối ưu cho các nút đã lựa chọn dựa trên cực tiểu<br />
hóa hàm mục tiêu. Hàm mục tiêu bao gồm tổn thất điện năng của lưới điện và chi phí đầu<br />
tư, lắp đặt tụ bù.<br />
3.2. Hệ số độ nhạy tổn thất và lựa chọn nút bù tiềm năng<br />
Hệ số độ nhạy tổn thất là đại lượng cho phép xác định những nút nào sẽ cho phép<br />
giảm tổn thất công suất trên lưới điện hiệu quả nhất khi đặt tụ bù tại các nút đó [2]. Do đó,<br />
các nút này sẽ được coi như các nút bù tiềm năng.<br />
Việc xác định trước các nút bù tiềm năng sẽ cho phép giảm không gian tìm kiếm của<br />
bài toán tối ưu. Tổn thất công suất tác dụng trên nhánh k nối giữa hai nút i và j được tính<br />
bởi Ik2 * Rk, cũng có thể được biểu diễn bởi:<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 29<br />
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông<br />
<br />
Đọc dữ liệu lưới điện<br />
<br />
<br />
Tính toán trào lưu công suất bằng thuật toán<br />
dòng điện nút tương đương<br />
<br />
<br />
Lựa chọn các nút bù tiềm năng<br />
bằng hệ số độ nhạy tổn thất<br />
<br />
<br />
Tạo ra quần thể đầu tiên (dung lượng bù<br />
của các nút bù được lựa chọn)<br />
<br />
<br />
Đánh giá hàm mục tiêu<br />
<br />
<br />
<br />
Lựa chọn các cá thể tốt nhất<br />
<br />
<br />
Trực giao<br />
<br />
<br />
Hoán chuyển<br />
<br />
<br />
Lựa chọn<br />
<br />
<br />
Đánh giá hàm mục tiêu<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Sai Độ lệch của hàm<br />
mục tiêu < Sai số<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Đúng<br />
<br />
<br />
Kết thúc<br />
<br />
Hình 2. Lưu đồ thuật toán bù tối ưu công suất phản kháng bằng thuật toán di truyền.<br />
<br />
∆ = 2+ 2 ∗ / 2 (14)<br />
Hệ số độ nhạy tổn thất tại nút j được tính toán bởi:<br />
∆ 2<br />
Hệ số độ nhạy tổn thất = =2∗ ∗ / (15)<br />
<br />
Hệ số độ nhạy tổn thất được tính toán cho tất cả các nút của lưới điện sau khi tính toán<br />
trào lưu công suất lần đầu tiên (hay trào lưu công suất trước bù). Sau đó, các hệ số độ này<br />
được sắp xếp theo chiều giảm dần và vị trí các nút tương ứng với các hệ số này cũng được<br />
sắp xếp vào một mảng được được gọi là mảng “Vitri[i]”. Như vậy, thứ tự của các nút trong<br />
mảng Vitri[i] sẽ xác định thứ tự ưu tiên cần bù.<br />
<br />
<br />
30 T. T. Sơn, T. A. Tùng, “Bù tối ưu công suất phản kháng… và thuật toán di truyền.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
Sau đó, chương trình sẽ kiểm tra điện áp của các nút trong mảng Vitri[i] từ nút ưu tiên<br />
cao nhất đến nút ưu tiên thấp nhất. Nút có điện áp nhỏ hơn 0,95 lần điện áp định mức của<br />
lưới điện sẽ được chọn là vị trí để đặt tụ bù nhằm đảm bảo giảm tổn thất công suất tác<br />
dụng và đồng thời cải thiện điện áp của các nút này. Dung lượng bù của các nút đã được<br />
lựa chọn được tính toán tối ưu bằng thuật toán di truyền.<br />
3.3. Hàm mục tiêu<br />
Bài toán bù tối ưu công suất phản kháng bằng thuật toán di truyền được thực hiện dựa<br />
trên tối thiểu hóa hàm mục tiêu gồm các chi phí được xác định như sau:<br />
3.3.1. Thiệt hại kinh tế do tổn thất điện năng<br />
Thiệt hại kinh tế do tổn thất điện năng của lưới điện bằng giá trị tổn thất điện năng trên<br />
toàn bộ đường dây của lưới điện trong thời gian tính toán, nhân với giá bán điện:<br />
Đ= ∗ ∗ đ (16)<br />
Trong đó: CTĐ = Thiệt hại do Tổn thất điện năng trong một năm (triệu đồng/năm);<br />
N = thời gian tính toán (năm);<br />
DeltaA = tổn thất điện năng trên đường dây của lưới điện tính toán trong 1 năm<br />
(kWh/năm) = ΔP*τmax (với ΔP là tổn thất công suất trên đường dây, τmax là thời gian<br />
tổn thất cực đại);<br />
Cđ = giá bán 1 kWh điện năng cấp trung áp (2013 đồng/kWh).<br />
3.3.2. Chi phí đầu tư và lắp đặt tụ bù<br />
Chi phí liên quan đến tụ bù bao gồm chi phí đầu tư tụ và chi phí lắp đặt các dàn tụ bù.<br />
Các chi phí này được tính toán như sau:<br />
=( đ+ )∗ ù (17)<br />
Trong đó: CTB = chi phí đầu tư và lắp đặt tụ bù (triệu đồng);<br />
Clđ = chi phí lắp đặt tính cho 1 kVar tụ bù (4955 đồng/kVar);<br />
Ct = chi phí đầu tư 1 kVar tụ bù (390 000 đồng/kVar);<br />
Qbù = dung lượng tụ bù (kVAr).<br />
Vậy, hàm mục tiêu cần cực tiểu hóa cho bài toán bù tối ưu công suất phản kháng là :<br />
F = CTĐ + CTB min (18)<br />
<br />
<br />
p1 1 0 0 1 0 0 0 1 1<br />
Bố mẹ Con 1 0 0 1 0 0 0 1 1<br />
p2 0 1 0 1 1 0 1 0 0<br />
<br />
(a) Cơ chế lai ghép<br />
1 0 0 1 0 0 0 1 1<br />
<br />
Đột biến<br />
<br />
1 0 0 1 0 1 0 1 1<br />
(b) Cơ chế đột biến<br />
Hình 3. Cơ chế lai ghép và đột biến được sử dụng trong thuật toán di truyền<br />
nhằm tối ưu dung lượng bù.<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 31<br />
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông<br />
Dung lượng của tụ bù sẽ được tối ưu bằng thuật toán di truyền sao cho hàm mục tiêu F<br />
đạt giá trị cực tiểu.<br />
3.4. Thuật toán di truyền<br />
Thuật toán di truyền sử dụng cơ chế chọn lọc tự nhiên và tiến hóa được áp dụng để<br />
giải bài toán bù tối ưu công suất phản kháng [3] với hàm mục tiêu F đề cập trong phương<br />
trình 18.<br />
Số nút bù và vị trí bù được xác định dựa trên hệ số độ nhạy tổn thất như đã đề cập<br />
trong phần 3.2. Sau đó, dung lượng bù tại các nút này được mã hóa nhị phân (9 bit) dưới<br />
dạng các nhiễm sắc thể và được chọn lọc theo các cơ chế lai ghép và đột biến tại các bước<br />
lặp của thuật toán di truyền. Cơ chế lai ghép và tạo đột biến trên các nhiễm sắc thể mã hóa<br />
dung lượng bù tại các nút được minh họa trên hình 3.<br />
Quần thể đầu tiên của các dung lượng bù được lựa chọn ngẫu nhiên với điều kiện giá<br />
trị dung lượng bù không vượt quá công suất phản kháng tiêu thụ tại nút bù. Các thông số<br />
của thuật toán di truyền được sử dụng trong nghiên cứu này được giới thiệu trên bảng 1.<br />
Bảng 1. Thông số của thuật toán di truyền được sử dụng để tối ưu dung lượng tụ bù.<br />
Số cá thể trong quần thể Số thế hệ Hệ số đột biến Sai số của hàm mục tiêu<br />
Giá trị 100 200 0,1 10-6<br />
<br />
1 2 4 6 8 10<br />
478<br />
<br />
BĐ BĐ TĐ Số 5 NR<br />
Trần Phú 1 Trần Phú 2 Hùng Vương Ông Ích Khiêm Sứ quán Nga<br />
3 5 7 9 11<br />
<br />
22 20 18 16 14 12<br />
<br />
<br />
Bảo tàng Đội Cấn 19 Đội Cấn 3 Đội Cấn 2 Ngọc Hà 4 Đội Cấn 1<br />
B52<br />
23 21 19 17 15 13<br />
<br />
24 26 28 30 32 34<br />
<br />
<br />
Tòa nhà Đội Cấn 6 Ủy ban Văn phòng Đội Cấn 4 Đội Cấn 7<br />
195 Đội Cấn KTTW TW<br />
25 27 29 31 33 35<br />
<br />
46 44 42 40 38 36<br />
<br />
<br />
TC Cty Dệt Kim Đội Cấn 22<br />
Bảo Hiểm 1 Liễu Giai 7 Đội Cấn 8<br />
Xây Dựng Hà Nội<br />
Số 4 25 45 43 41 39 37<br />
<br />
<br />
48 50 52 54 56 58<br />
<br />
<br />
NK Dân tộc XN Siêu thị<br />
Liễu Giai 6 Trung tâm Liễu Giai 9<br />
Miền núi Xe máy Liễu Giai<br />
XTVL<br />
49 51 53 55 57 59<br />
<br />
70 68 66 64 62 60<br />
<br />
<br />
BTL TT Viện Viện NXB Bộ TL Số 4<br />
Lăng 2 KHXH KHXHNV Sự thật Lăng 1 Liễu Giai<br />
71 69 67 65 63 61<br />
<br />
<br />
72 74 76 78<br />
<br />
TT Ban Cột<br />
Cống Vị 2 Liễu Giai 10<br />
Tôn Giáo CP Liễu Giai<br />
73 75 77 79<br />
<br />
<br />
Hình 4. Sơ đồ xuất tuyến 478E1.14.<br />
<br />
<br />
32 T. T. Sơn, T. A. Tùng, “Bù tối ưu công suất phản kháng… và thuật toán di truyền.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
4. KẾT QUẢ<br />
Thuật toán đề xuất được áp dụng để tối ưu dung lượng bù cho xuất tuyến 478E1.14<br />
của điện lực Ba Đình. Sơ đồ xuất tuyến này được giới thiệu trên hình 4. Với thời gian lắp<br />
đặt tụ là 5 năm, hàm mục tiêu ứng với quá trình lựa chọn dung lượng bù cho các nút bù<br />
tiềm năng 58, nút 50 và 60 được tính toán bằng thuật toán di truyền và được báo cáo trên<br />
hình 5.<br />
Dung lượng bù tại các nút này lần lượt là 120kVAr (nút 58), 170kVAr (nút 50) và 160<br />
kVAr (nút 60). Để kiếm chứng độ tin cậy của thuật toán đề xuất, ba dung lượng bù được<br />
tối ưu bằng thuật toán di truyền sau đó được nhập vào ứng dụng CAPO của chương trình<br />
PSS/Adept để tối ưu vị trí đặt. Kết quả tính toán bằng ứng dụng CAPO cho kết quả trùng<br />
khớp với các vị trí các nút 50, 58 và 60 đã xác định bằng hệ số độ nhạy tổn thất.<br />
9085<br />
Gia tri cuc tieu cua ham muc tieu tai moi the he di truyen<br />
Ham muc tieu (trieu dong)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
9080<br />
<br />
<br />
9075<br />
<br />
<br />
9070<br />
<br />
<br />
9065<br />
<br />
<br />
9060<br />
0 20 40 60 80 100<br />
The he di truyen<br />
<br />
Hình 5. Hàm mục tiêu khi tính toán bù tối ưu công suất phản kháng<br />
cho lộ 478E1.14 tại ba nút 58, 50 và 60.<br />
Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng cho xuất tuyến 478E1.14 được giới thiệu<br />
trong bảng 2.<br />
Bảng 2. Hiệu quả kinh tế của phương án bù công suất phản kháng<br />
sử dụng thuật toán di truyền.<br />
Thông số Trước bù Sau bù<br />
ΔP (kW) 551,93 524,89<br />
Thiệt hại kinh tế do tổn thất/năm (triệu 2156 1770<br />
đồng/năm)<br />
Chi phí đầu tư, lắp đặt tụ 175 triệu đồng<br />
<br />
5. KẾT LUẬN<br />
Bài báo này giới thiệu một chương trình kết hợp thuật toán dòng điện nút tương đương<br />
và thuật toán di truyền để tính toán bù tối ưu công suất phản kháng. Thuật toán đề xuất<br />
được áp dụng để tính toán bù tối ưu công suất phản kháng cho lộ 478E1.14 thuộc lưới điện<br />
Ba Đình. Kết quả tính toán đã chỉ hiệu quả kinh tế của phương án bù, từ đó chứng tỏ độ tin<br />
cậy và hiệu quả của thuật toán được đề xuất.<br />
<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. T.T. Sơn, T.A. Tùng, “Tính toán tổn thất điện năng cho lưới điện phân phối bằng<br />
thuật toán dòng điện nút tương đương,” TC. KKHCN Đại học Đà Nẵng, số 11<br />
(2015), tr. 57-61.<br />
[2]. D. Sattianadan, Dr. M. Sudhkaran, K. Vijayakumar and S. Vidyasagar, “Optimal<br />
Placement of Capacitor in Radial DistributionSystem Using PSO,” Chennai and<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 33<br />
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông<br />
Dr.MGR University Second International Conference on Sustainable Energy and<br />
Intelligent System (SEISCON 2011).<br />
[3]. M. Delfanti, G. Granelli, P. Marannino, M. Montagna, “Optimal capacitor<br />
placement using deterministic and genetic algorithms,” Proc 21st 1999 IEEE<br />
International Conference (1999) 331-336.<br />
[4]. Y.T. Hsiao, C.H. Chen, C.C. Chien, “Optimal capacitor placement in distribution<br />
systems using a combination fuzzy-GA method,” International Journal of Electrical<br />
Power & Energy Systems 26 2004) 501-508.<br />
<br />
ABSTRACT<br />
OPTIMAL REACTIVE POWER COMPENSATION USING THE EQUIVALENT<br />
CURRENTS INJECTIONS METHOD AND GENETIC ALGORITHM<br />
Optimal reactive power compensation using the equivalent currents injections<br />
method and genetic algorithm is presented in this article. The equivalent current<br />
injections method is used to calculate load flow due to less computation time. The<br />
allocation of capacitor banks is determined by the sensitive power losses factor.<br />
After that, the genetic algorithm is applied to optimize the reactive power<br />
compensation at the predetermined point. The proposed algorithm is applied to<br />
478E1.14 feeder of Ba Dinh Power Company. The result showed that the obtained<br />
economic interest archived 386 million dong/year by placing three capacitor banks<br />
120, 160 and 170 kVAr.<br />
Keywords: Equivalent current injections method, Genetic algorithm, Load flow, Optimal reactive power<br />
compensation, Medium voltage distribution network.<br />
<br />
Nhận bài ngày 02 tháng 5 năm 2017<br />
Hoàn thiện ngày 10 tháng 6 năm 2017<br />
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 7 năm 2017<br />
<br />
Địa chỉ: Khoa Kỹ thuật điện, Đại học Điện lực.<br />
*<br />
E-mail: sontt@epu.edu.vn<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
34 T. T. Sơn, T. A. Tùng, “Bù tối ưu công suất phản kháng… và thuật toán di truyền.”<br />