Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Xây dựng thuật toán trí tuệ nhân tạo cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

Thêm vào BST

Báo xấu

68
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án gồm 4 phần: tổng quan lưới điện phân phối và bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối; phương pháp Heuristic cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối; phương pháp MetaHeuristic cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối; thuật toán di truyền cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối có xét đến quy hoạch nguồn điện phần tán. Để nắm rõ chi tiết các nội dung nghiên cứu, mời các bạn cùng tham khảo luận án.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Xây dựng thuật toán trí tuệ nhân tạo cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Tùng Linh XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TRÍ TUỆ NHÂN TẠO CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - Năm 2018 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Tùng Linh XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TRÍ TUỆ NHÂN TẠO CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TSKH PHẠM THƯỢNG CÁT 2.PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH Hà Nội - Năm 2018 ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của đồng tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Tùng Linh iii
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Phòng Công nghệ tự động hóa đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới người thầy quá cố PGS.TSKH.Phạm Thượng Cát và thầy hướng dẫn PGSTS. Trương Việt Anh, hai thầy đã định hướng và tận tình hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Điện lực và Phòng Đào tạo Sau Đại học và các đơn vị trong Nhà trường đã quan tâm giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi có thể thực hiện nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các cán bộ Phòng Công nghệ Tự động hóa – Viện Công nghệ thông tin, các đồng nghiệp thuộc Khoa kỹ thuật điều khiển tự động hóa, khoa Kỹ Thuật Điện trường Đại học Điện lực đã động viên và trao đổi kinh nghiệm trong quá trình hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, người thân, các bạn đồng nghiệp những người luôn dành cho tôi những tình cảm nồng ấm, luôn động viên và sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc sống và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành quá trình nghiên cứu. Hà Nội, ngày ….tháng 03 năm 2018 Tác giả luận án Nguyễn Tùng Linh iv
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iv MỤC LỤC ..................................................................................................................v DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ......................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................x MỞ ĐẦU ................................................................................................................. xii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ..................................................................1 1.1 Giới thiệu tổng quan lưới điện phân phối ...........................................................1 1.1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối .........................................................................1 1.1.2 Giới thiệu bài toán tái cấu trúc lưới điện ........................................................4 1.1.3 Hiện trạng lưới điện phân phối Việt Nam .....................................................13 1.1.4 Mô hình bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ........................................14 1.2 Tổng quát các nghiên cứu giải bài toán tái cấu trúc với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất.............................................................................................................17 1.2.1 Kết hợp heuristics và tối ưu hóa....................................................................17 1.2.2 Các thuật toán thuần túy dựa trên Heuristics ................................................20 1.2.3 Các thuật toán dựa trên trí tuệ nhân tạo ........................................................23 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP HEURISTIC CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI .........................................................................32 2.1 Phương pháp Heuristic cho bài toán tái cấu trúc lưới điện ..............................32 2.1.1 Giới thiệu.......................................................................................................32 2.1.2 Mô hình bài toán tái cấu trúc lưới điện .........................................................33 2.2 Đề xuất thuật toán Heuristic cho bài toán tái cấu trúc lưới điện ......................41 2.2.1 Hàm mục tiêu của bài toán ............................................................................41 2.3 Mô phỏng và đánh giá kết quả nghiên cứu.......................................................48 2.3.1 Mô phỏng kết quả nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tụ bù đến tái cấu trúc lưới điện phân phối....................................................................................................48 v
2.3.2 Mô phỏng kết quả nghiên cứu của thuật toán đề xuất ..................................50 2.3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng: ............................................................................59 CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP META HEURISTIC CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ................................................................62 3.1 Phương pháp sử dụng thuật toán mô phỏng luyện kim (SA) cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ............................................................................................62 3. 1.1Giới thiệu thuật toán mô phỏng luyện kim ......................................................62 3.1.2 Đề xuất cải tiến thuật toán SA cho bài toán tái cấu trúc lưới điện ...................68 3. 2 Kiểm tra và đánh giá kết quả trên lưới mẫu IEEE .............................................76 CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN DI TRUYỀN CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN QUY HOẠCH NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN ..............................................................................................................84 4.1 Áp dụng thuật toán di truyền cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối .......84 4.1.1 Giới thiệu thuật toán di truyền .........................................................................84 4.1.2 Một số tính chất của thuật toán di truyền .........................................................85 4.1.3 Một số nghiên cứu liên quan ............................................................................85 4.2 Phương pháp đề xuất ...........................................................................................87 4.2.1 Mô tả bài toán và hàm mục tiêu .......................................................................87 4.2.2 Đề xuất phương pháp sử dụng thuật toán GA cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ...........................................................................................................90 4.3 Kiểm tra và đánh giá kết quả trên lưới mẫu IEEE ..............................................99 4.4 Kết luận chương ................................................................................................113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ...........................................116 TÀI LIỆU THAM KHẢO vi
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị tính Ý nghĩa P,Q kW, KvAr Công suất trung bình tại nút P",Q" kW, kVAr Công suất trung bình cần chuyển tải Pi kW Công suất tác dụng trên nhánh i Qi kVAr Công suất phản kháng trên nhánh i Vi kV Điện áp tại nút i C(x) Hàm năng lượng của thuật toán SA Ili A, kA Dòng điện khi chưa kết nối DG IDG A, kA Dòng khi DG hoạt động; PDgi kW Công suất của nguồn điện phân tán R(i,i+1) Ω Điện trở dây giữa nút i và nút i+1 ΔPi: kW Tổn thất công suất tác dụng trên nhánh thứ i Ploss kW Tổn thất công suất tác dụng của hệ thống; PDGjmax kW Công suất phát lớn nhất của nguồn điện phân tán thứ j RMNLoop Ω Tổng điện trở các nhánh trong vòng kín MN Simax kVA Khả năng mang tải của nhánh thứ i PL kW Hàm tổn thất công suất tác dụng IPi, IQi A, kA Dòng thành phần của nhánh thứ i trong lưới có n nhánh IPlDG , IQlDG A, kA Các thành phần dòng điện của DG thứ l trong lưới  ft 0,1 1 nếu đường dây ft làm việc, 0 nếu đường dây ft không làm việc n Số nút tải có trên lưới. Cij Hệ số trọng lượng của tổn thất trên nhánh ij Lij Tổn thất của nhánh nối từ nút i đến nút j Sij Dòng công suất trên nhánh ij Dj Nhu cầu công suất điện tại nút j DVij Sụt áp trên nhánh ij vii
Sft Dòng công suất trên đường dây ft ft Các đường dây được cung cấp điện từ máy biến áp t Hằng số thích nghi, Ti Nhiệt độ tại lần tính thứ i. C(x) Hàm năng lượng của thuật toán SA GA Thuật toán di truyền SA Thuật toán mô phỏng luyện kim DG Nguồn điện phân tán IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phạm vi ứng dụng của bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ...............6 Bảng 2.1 Nhánh trên sơ đồ 32 ...................................................................................35 Bảng 2.3 Thông số lưới điện và tụ bù ......................................................................48 Bảng 2.4 Kết quả cấu trúc lưới điện ........................................................................48 Bảng 2.5 Quá trình phân bố phụ tải giai đoạn 1 lưới điện 16 nút không có DG ......52 Bảng 2.6 Quá trình phân bố phụ tải giai đoạn 1 của lưới điện 16 nút có 2 DG ........53 Bảng 2.7 Quá trình phân bố phụ tải giai đoạn 1 lưới điện 16 nút có DG nút 9 .......55 Bảng 2.8 Quá trình phân bố phụ tải giai đoạn 1 lưới điện 16 nút có DG nút 13 ......56 Bảng 2.9 Kết quả tổng kết khảo sát trên lưới điện phân phối 16 nút ........................56 Bảng 2.10 Thông số các DG [11]..............................................................................57 Bảng 2.11 Bảng so sánh trước và sau khi tái cấu trúc lưới điện 33 nút ....................57 Bảng 2.12 Bảng so sánh trước và sau khi tái cấu trúc lưới điện 69 nút ....................59 Bảng 3.1 So sánh quá trình vật lý và bài toán tối ưu ................................................64 Bảng 3.2 So sánh thuật toán SA với các thuật toán khác ..........................................78 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp so sánh phương pháp đề xuất với phương pháp khác .......80 Bảng 3.4 Thông số các DG [11]................................................................................81 Bảng 3.5 So sánh thuật toán SA với PSO và PSS/ADEPT trên lưới 33 nút .............82 Bảng 4.1 Kết quả thực hiện bằng hai phương pháp trên hệ thống 16 nút ...............101 Bảng 4.2 Kết quả thực hiện trên hệ thống 16 nút....................................................101 Bảng 4.3 Kết quả thực hiện trên mạng 33 nút bằng phương pháp 1 .......................106 Bảng 4.4 Kết quả thực hiện hai giai đoạn trên hệ thống 33 nút ..............................107 Bảng 4.5 So sánh kết quả thực hiện với cấu trúc ban đầu ......................................109 Bảng 4.6 So sánh kết quả thực hiện với một số phương pháp ................................110 Bảng 4.7 Kết quả thực hiện hai giai đoạn trên lưới điện phân phối 69 nút ............112 Bảng 4.8 So sánh kết quả thực hiện với các phương pháp trên LĐPP 69 nút ........113 ix
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Vị trí vai trò của lưới điện phân phối ...........................................................2 Hình 1.2 Mô hình lưới điện phân phối [11] ................................................................3 Hình 1.3 Sơ đồ điều khiển online bài toán tái cấu trúc lưới điện ………………... 4 Hình 1.4 Phân loại bài toán tái cấu trúc theo phương pháp nghiên cứu .....................6 Hình 1.5 Lưu đồ thuật toán của Chen và Cho [9] ......................................................8 Hình 1.6 Lưu đồ thuật toán của Rubin Taleski và Dragoslav [90] ............................9 Hình 1.7 Sơ đồ đánh giá lưới điện phân phối của R.E.Lee và C.L.Brooks ...............6 Hình 1.8 Thuật toán của Merlin và Back được Shirmohammadi [80] cải tiến ...........8 Hình 1.9 Sơ đồ thuật toán của Civanlar và các cộng sự [17]. ...................................22 Hình 1.10 Mô phỏng thuật toán đàn kiến (ACS). .....................................................27 Hình 1.11 Sơ đồ chung của phương pháp bầy đàn (PSO). .......................................29 Hình 2.1 Lưới điện phân phối tổng quát ...................................................................33 Hình 2.2 Lưới điện 32 nút 37 nhánh của nút Baran [11] .........................................35 Hình 2.3 Thành phần của dòng điện vận hành hở có tụ bù và máy phát phân tán ...36 Hình 2.4 Mạch vòng lưới điện phân phối .................................................................36 Hình 2.5 Quá trình chuyển mạch đóng/cắt phân bố phụ tải......................................36 Hình 2.6. Lưới điện phân phối gồm máy phát và tụ bù ............................................39 Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán tái cấu trúc lưới điện có DG và tụ bù tìm P bé nhất .....46 Hình 2.8 Sơ đồ lưới điện đơn giản xét ảnh hưởng tụ bù ...........................................48 Hình 2.9 Sơ đồ lưới điện phân phối 3 nguồn ............................................................49 Hình 2.10 Sơ đồ lưới điện 16 nút – IEEE .................................................................51 Hình 2.11 Sơ đồ mạng 1 nguồn 33 nút có 4 DG [11] ...............................................57 Hình 2.12 Sơ đồ lưới điện phân phối 69 nút IEEE ...................................................58 Hình 3.1 Mô hình không gian của thuật toán SA......................................................63 Hình 3.2 Lưới điện IEEE gồm 3 nguồn.(a,b là sơ đồ trước, sau khi tái cấu trúc) ....70 Hình 3.3 Sơ đồ thuật toán SA cho bài toán tái cấu trúc lưới điện.............................73 Hình 3.4 Sơ đồ lưới điện có kết nối nguồn phân tán ................................................74 Hình 3.5 Sơ đồ thuật toán SA cho bài toán tái cấu trúc lưới điện có xét DG ...........76 Hình 3.6 Lưới điện mẫu 33 nút IEEE - Baran & Wu ...............................................77 x
Hình 3.7 Cấu hình sau khi tái cấu trúc lưới điện Baran - Wu ...................................77 Hình 3.8 Đặc tính hội tụ của thật toán ....................................................................78 Hình 3.9 Đồ thị điện áp của các nút ..........................................................................78 Hình 3.10 Sơ đồ lưới điện 16 nút – IEEE .................................................................79 Hình 3.11 Quá trình hội tụ thuật toán SA .........................................................79 Hình 3.12 Đồ thị điện áp của các nút ........................................................................79 Hình 3.13 Sơ đồ 1 nguồn 33 nút có 4 DG [10] .........................................................81 Hình 3.14 Quá trình hội tụ của lưới điện 33 nút không có các DG ..........................81 Hình 3.15 Quá trình hội tụ của lưới điện 33 nút có các DG .....................................81 Hình 4.1 Cơ chế ghép chéo của thuật toán GA .........................................................91 Hình 4.2 Cơ chế đột biến trong thuật toán GA .........................................................92 Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán của thuật toán GA để thực hiện ....................................93 Hình 4.4 Lưới điện phân phối kín và hở ...................................................................94 Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán GA với 2 giai đoạn .......................................................98 Hình 4.6 Lưới điện 3 nguồn ......................................................................................99 Hình 4.7 Điện áp trước và sau khi thực hiện tối ưu ................................................102 Hình 4.8 Đặc tính hội tụ của thuật toán di truyền ...................................................102 Hình 4.9 Lưới điện 33 nút của IEEE .......................................................................103 Hình 4.10 Vị trí DG, cấu trúc lưới tối ưu giảm tổn thất công suất phương pháp 1 105 Hình 4.11 Điện áp các nút trước và sau khi thực hiện phương pháp 1 ...................105 Hình 4.12 Tổn thất công suất trên các nhánh của phương pháp 1 .......................... 105 Hình 4.13 Đặc tính hội tụ của thuật toán theo phương pháp 1 ...............................106 Hình 4.14 Đặc tính hội tụ của thuật toán di truyền giai đoạn 1 - phương pháp 2 ...107 Hình 4.15 Đặc tính hội tụ của thuật toán di truyền giai đoạn 2 - phương pháp 2 ...108 Hình 4.16 Điện áp các nút trong hai giai đoạn tính toán bằng phương pháp 2 ......108 Hình 4.17 Điện áp trước và sau khi tối ưu lưới điện bằng phương pháp 2 .............108 Hình 4.18 Cấu trúc lưới tối ưu bằng phương pháp 2 ..............................................109 Hình 4.19 Sơ đồ lưới điện phân phối 69 nút IEEE .................................................111 Hình 4.20 Đặc tính hội tụ của GA trong giai đoạn – I trên lưới điện 69 nút .........113 Hình 4.21 Đặc tính hội tụ của GA trong giai đoạn – II trên lưới điện 69 nút .........113 xi
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Lưới điện phân phối là thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện từ nơi sản xuất điện năng đến các hộ tiêu thụ điện, được trải rộng trên toàn bộ lãnh thổ của các quốc gia. Lưới điện phân phối có thể được thiết kế có cấu trúc mạch vòng hoặc cấu trúc hình tia, tuy nhiên vì lý do kỹ thuật và điều kiện vận hành nên nó được vận hành theo cấu trúc hình tia. Theo thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam thì tổng tổn thất điện năng những năm gần đây khoảng từ 9-15% sản lượng điện sản xuất, trong đó lưới điện phân phối chiếm 5-7%. Do đó việc nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối là một nhu cầu cần thiết, mang lại nhiều lợi ích kinh tế. Hệ thống lưới điện phân phối là một hệ thống lớn có đặc điểm trải rộng trên toàn bộ lãnh thổ quốc gia, gồm nhiều phần tử, nhiều thông số, do đó các bài toán tính toán và phân tích cho lưới điện phân phối có số lượng nghiệm lớn, yêu cầu độ chính xác và thời gian tính toán xử lý nhanh nên cần phải có các phương pháp hiện đại để giúp giải quyết các bài toán này một cách hiệu quả. Bài toán giảm tổn thất cống suất trên lưới điện phân phối là một bài toán được nghiên cứu nhiều và mang lại giá trị kinh tế trong sản xuất và vận hành hệ thống điện. Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối như: nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối, thay đổi tiết diện dây dẫn, hoặc giảm truyền tải công suất phản kháng trên lưới điện bằng cách lắp đặt tụ bù. Trong các biện pháp nêu trên tính khả thi thực hiện là rất cao, tuy nhiên gặp phải vấn đề về vốn đầu tư, chi phí lắp đặt và thời gian sửa chữa sẽ ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện. Một phương pháp mà được nghiên cứu nhiều đó là phương pháp tái cấu trúc lưới điện. Ngày nay khi các giải pháp về tự động hóa, công nghệ thông tin được triển khai mạnh mẽ thì một trong những giải pháp được nghiên cứu gần đây đó là phương pháp tái cấu trúc lưới điện. Phương pháp tái cấu trúc lưới điện được thực hiện thông qua việc chuyển đổi tải bằng cách đóng/mở các cặp khoá điện có sẵn trên lưới, cũng có thể giảm tổn thất điện năng đáng kể khi đạt được cân bằng công suất giữa các xii
tuyến đường 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 lưới điện phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối đường dây, giảm thiểu số lượng hộ tiêu thụ bị mất điện khi có sự cố hay khi cần sửa chữa đường dây và tăng độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống lưới điện phân phối. Trong quá trình vận hành thực tế, việc vận hành lưới điện phân phối thông qua tái cấu trúc sẽ gặp khó khăn đối với các nhân viên vận hành do lưới phân phối có số lượng thiết bị đóng cắt lớn, việc tính toán đảm bảo các điều kiện kĩ thuật sẽ gặp khó khăn. Do đó để áp dụng phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối cần có các phương pháp phân tích, thuật toán tính toán đủ mạnh để tái cấu trúc trong điều kiện thỏa mãn các mục tiêu và điều kiện ràng buộc của bài toán tái cấu trúc. Các thuật toán tái cấu trúc lưới điện phân phối luôn được xem xét dưới hai góc độ phân tích đó là góc độ thiết kế và góc độ vận hành. Ở góc độ bài toán thiết kế, thuật toán phải xem xét tính toán để chỉ ra được vị trí đặt khóa, sử dụng thiết bị đóng cắt nào để có thể cực tiểu hóa tổn thất năng lượng và giảm chi phí đóng/cắt khi chuyển mạch, giúp cho nhân viên điều độ, vận hành có không gian điều khiển đủ lớn đáp ứng sự phát triển của phụ tải trong tương lai. Ở góc độ vận hành trên cơ sở các khóa có sẵn trên lưới điện, người điều độ cần phân tích, tính toán chỉ ra được cấu trúc vận hành tối ưu sao cho chi phí vận hành và tổn thất bé nhất, tương tự khi có sự cố, hay sửa chữa cần phải thay đổi, cũng cần có cấu trúc mới để giảm thiểu số lượng khách hàng mất điện, chống quá tải trên các nhánh của lưới, đảm bảo điện năng và giảm thiểu tối đa tổn thất năng lượng. Trong luận án tác giả nghiên cứu bài toán tái cấu trúc lưới điện dưới góc độ vận hành. Trí tuệ nhân tạo (Artificical intelligent) là một lĩnh được áp dụng nhiều trong các bài toán thực tế. Cụ thể các ứng dụng bao gồm các tác vụ điều khiển, lập kế hoạch và lập lịch (scheduling), các hệ chuyên gia về chẩn đoán bệnh, trả lời khách hàng về các sản phẩm của một công ty, nhận dạng chữ viết tay, nhận dạng tiếng nói và khuôn mặt…vv. Bởi vậy việc nghiên cứu và áp dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo, đã trở thành một hướng nghiên cứu đang được quan tâm hiện nay, với mục đích xiii
chính là cung cấp lời giải cho các bài toán thực tế trong cuộc sống. Hiện nay, các thuật toán trí tuệ nhân tạo được dùng thường xuyên trong kinh tế, y dược, các ngành kỹ thuật và quân sự, cũng như trong các phần mềm máy tính thông dụng trong gia đình và trò chơi điện tử. Trong lĩnh vực hệ thống điện, các thuật toán trí tuệ nhân tạo cũng được áp dụng nhiều trong các bài toán sau [8]: 1. Xác định cấu trúc tối ưu của hệ thống cung cấp điện 2. Đánh giá và chuẩn đoán sự cố của các phần tử trên hệ thống lưới điện 3. Dự báo nhu cầu phụ tải điện trong các giai đoạn khác nhau như: ngắn hạn, trung hạn và dài hạn 4. Điều khiển và tự động hóa lưới điện ở tất cả các cấp: Sản xuất, truyền tải, tiêu thụ điện năng. 5. Dự báo và định giá điện năng trong thị trường điện trong tương lai. 6. Mô phỏng hệ thống lưới điện, các thiết bị điện. 7. Bảo vệ và cài đặt điều khiển hệ thống. 8. Tính toán các bài tối ưu trong hệ thống như: Bài toán vận hành tối ưu hồ chứa, tính toán vận hành chi phí nhiêu liệu trong nhà máy nhiệt điện, các bài toán tính các chế độ vận hành hệ thống. Các bài toán tính toán tối ưu trong hệ thống điện có đặc điểm là không gian nghiệm lớn, khối lượng tính toán nhiều, các tham số tham gia trong quá trình là các tham số biến động, hàm mục tiêu có nhiều các điều kiện ràng buộc, đặc biệt là tính đáp ứng thời gian thực của bài toán. Do đó việc sử dụng các phương pháp cổ điển sẽ gặp nhiều khó khăn. Bài toán tái cấu trúc lưới điện là bài toán tối ưu, trong đó nghiệm của bài toán là trạng thái đóng/mở của các khóa (CDL, Reclose…) để vận hành tối ưu hệ thống lưới điện phân phối. Việc tìm ra phương án tối ưu dựa trên việc thay đổi trạng thái của các thiết bị đóng cắt trên sơ đồ lưới điện và yêu cầu thời gian tính toán, phân tích để đưa ra phương án cần thực hiện nhanh để đáp ứng được yêu cầu của hệ thống điện. Bài toán tái cấu trúc lưới điện, thực tế là mô hình của bài toán điều khiển tối ưu, để tìm ra lời giải tối ưu theo hàm mục tiêu và hàm ràng buộc đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. xiv
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án Mục tiêu của luận án là phân tích và đưa ra các phương pháp mới cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối. Nhằm mục tiêu giảm tổn thất công suất, sử dụng các thuật toán đề xuất làm cơ sở nghiên cứu tổn thất công suất và các bài toán đối với hàm đa mục tiêu, cụ thể luận án có các nhiệm vụ sau:  Đề xuất thuật toán theo phương pháp Heuristic áp dụng cho bài toán tái cấu trúc lưới điện với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất xét trong trường hợp có nguồn điện phân tán kết nối vào lưới điện phân phối.  Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện phân tán khi kết nối vào lưới điện phân phối, ảnh hưởng đến bài toán tái cấu trúc lưới điện.  Đề xuất thuật toán theo phương pháp Meta Heuristic pháp mới cho bài toán tái cấu trúc lưới điện với hàm mục tiêu giảm tổn thất điện năng trong các trường hợp có kết nối nguồn điện phân tán, không có kết nối nguồn điện phân tán và trường hợp có xét đến vị trí và dung lượng của nguồn điện phân tán khi kết nối lưới điện phân phối. 3. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung vào bài toán tái cấu trúc trên lưới điện phân phối có cấu trúc mạch vòng và vận hành hình tia, bài toán tái cấu trúc được xem xét cụ thể với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất kèm theo các điều kiện ràng buộc.  Bài toán tái cấu trúc với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất trong trường hợp không có nguồn điện phân tán kết nối vào lưới và trong trường hợp có nguồn điện phân tán kết nối vào lưới.  Bài toán tái cấu trúc lưới điện có xét đến vị trí và công suất của nguồn điện phân tán khi kết nối vào lưới điện phân phối với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất.  Phương pháp đề xuất được kiểm tra trên các lưới mẫu của IEEE để đánh giá độ chính xác và tin cậy của phương pháp. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp lí thuyết và kiểm chứng trên các lưới điện mẫu của IEEE đồng thời so sánh với các nghiên cứu khác để đánh giá, cụ thể: xv
 Nghiên cứu áp dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối  Sử dụng phương pháp mô phỏng để kiểm tra độ chính xác của các thuật toán đề xuất thông qua việc kiểm tra trên các bài toán mẫu của IEEE 5. Điểm mới của luận án Các điểm mới của luận án được thể hiện trong các công trình nghiên cứu của tác giả, tập trung chính vào các điểm sau:  Đề xuất phương pháp cho bài toán tái cấu trúc lưới điện dựa trên luật kinh nghiệp “Heuristic” với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất và xét trong 2 trường hợp, không có kết nối nguồn điện phân tán và có kết nối nguồn điện phân tán, ưu điểm của thuật toán đề xuất: - Thuật toán xây dựng hàm tối ưu cho bài toán tái cấu trúc lưới điện - Đề xuất được luật kinh nghiệm để giảm khối lượng tính toán, việc tính cho bài toán chế độ xác lập chỉ cần tính 1 lần, không phải lặp đi lặp lại - Kết quả tính toán được kiểm tra trên lưới mẫu IEEE.  Đề xuất cải tiến thuật toán mô phỏng luyện kim cho bài toán tái cấu trúc lưới điện với hàm hàm mục tiêu giảm tổn thất điện năng, ưu điểm của thuật toán là: - Sử dụng bậc của khóa để thay đổi trạng thái đóng mở của các khóa - Xây dựng hàm giá đảm bảo hàm mục tiêu của bài toán tái cấu trúc lưới điện - Thuật toán đã đề xuất được hàm giảm nhiệt độ, điều kiện dừng của thuật toán - Thuật toán có thời gian hội tụ nhanh. - Kết quả được kiểm tra trên bài toán mẫu IEEE  Đề xuất sử dụng thuật toán di truyền cho bài toán tái cấu trúc có xét đến vị trí và công suất của nguồn điện phân tán khi kết nối với lưới điện phân phối với hàm mục tiêu giảm tổn thất điện năng. Kết quả nghiên cứu đưa ra 2 phương pháp: - Phương pháp 1 đề xuất sử dụng thuật toán di truyền khi đồng thời tìm vị trí, công suất và cấu trúc tối ưu đồng thời. Đối với phương pháp này, kết quả tính toán chính xác trên các lưới mẫu, tuy nhiên trong phương pháp này tốc độ tính toán còn chưa nhanh. xvi
- Phương pháp 2 đề xuất giải quyết thành 2 giai đoạn, giai đoạn 1 tìm được vị trí và công suất của nguồn phân tán, giai đoạn 2 tìm cấu trúc tối ưu khi đã có kết nối của nguồn phân tán. Ưu điểm của phương pháp này cho tốc độ tính toán nhanh hơn. - Kết quả nghiên cứu của 2 phương pháp đề xuất được thử nghiệm trên lưới mẫu và được so sánh với nhau. 6. Giá trị thực tiễn của luận án: Các kết quả nghiên cứu của luận án đạt được có giá trị thực tiễn trong vấn đề nghiên cứu về bài toán tái cấu trúc và áp dụng thực tế:  Phương pháp đề xuất theo hướng nghiên cứu Heuristic một lần nữa khẳng định được việc áp dụng các luật kinh nghiệm và phương pháp tối ưu cho các bài toán tối ưu vẫn được sử dụng tốt trong một số trường hợp, tuy nhiên để thực hiện được phương pháp này, đòi hỏi người xây dựng phải nắm bắt được rõ về tính chất cũng như đặc điểm của bài toán.  Phương pháp nghiên cứu theo hướng MetaHeuristic hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực, đối với bài toán tái cấu trúc lưới điện tác giả đề xuất sử dụng thuật toán mô phỏng luyện kim và thuật toán di truyền cho bài toán tái cấu trúc lưới điện với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất trong trường hợp có nguồn điện phân tán và không có nguồn điện phân tán và trường hợp có xét đến vị trí, dung lượng nguồn điện phân tán kết nối với lưới phân phối. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng thuật toán MetaHeuristic có rất nhiều ưu điểm, như số lượng không gian nghiệm lớn, thời gian xử lí nhanh,…đây là 2 yếu tố cần thiết khi thực hiện trên các lưới điện thực tế.  Là công cụ hỗ trợ ra quyết định cho việc thiết kế, vận hành lưới điện phân phối khi tham gia vào thị trường điện cạnh tranh.  Tạo các tình huống khác nhau trong lưới điện phân phối để khảo sát các trường hợp đề xuất. 7. Bố cục luận án: Luận án được chia làm 4 chương Chương 1: Tổng quan lưới điện phân phối và bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối Trong chương này tác giả trình bày tổng quan về lưới điện phân phối và bài toán tái cấu trúc lưới điện, mô hình toán học của bài toán tái cấu trúc lưới điện, phân tích xvii
và tìm hiểu các phương pháp đã được nghiên cứu, từ đó có định hướng nghiên cứu trong luận án của mình. Chương 2: Phương pháp Heuristic cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối Trong chương này tác giả trình bày kết quả nghiên cứu sử dụng luật kinh nghiệm “Heuristic cho bài toán tái cấu trúc lưới điện với hàm mục tiêu giảm tổn thất điện năng, áp dụng cho trường hợp có kết nối/không kết nối nguồn điện phân tán. Chương 3: Phương pháp MetaHeuristic cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối Trong chương này tác giả trình bày kết quả nghiên cứu sử dụng thuật toán mô phỏng luyện kim cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối với hàm mục tiêu giảm tổn thất điện năng, được xét trong hai trường hợp không có kết nối nguồn điện phân tán và có kết nối nguồn điện phân tán. Chương 4: Thuật toán di truyền cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối có xét đến quy hoạch nguồn điện phần tán Trong chương này tác giả trình bày kết quả nghiên cứu sử dụng thuật toán di truyền cho bài toán tái cấu trúc lưới điện có xét đến vị trí và dung lượng của nguồn điện phân tán khi kết nối vào lưới điện. xviii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Giới thiệu: Trong chương này tác giả trình bày tổng quan về lưới điện phân phối, giới thiệu bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối, trên cơ sở phân loại bài toán tái cấu trúc lưới điện theo hàm mục tiêu, theo phương pháp giải bài toán và đánh giá tình hình nghiên cứu của bài toán tái cấu trúc lưới điện. Tác giả trình bày mô hình toán học của bài toán, các điều kiện ràng buộc cũng như giả thiết để đơn giản hóa bài toán tái cấu trúc lưới điện. Ngoài ra tác giả trình bày một số nghiên cứu điển hình của bài toán này đã được nghiên cứu từ trước đến nay, để có được định hướng cho các nghiên cứu của mình trong các chương tiếp theo. 1.1 Giới thiệu tổng quan lưới điện phân phối 1.1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối Lưới điện phân phối là thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện từ nơi sản xuất đến các hộ tiêu thụ điện, được trải rộng trên toàn bộ lãnh thổ của các quốc gia. Lưới điện phân phối có thể được thiết kế có cấu trúc mạch vòng hoặc cấu trúc hình tia, tuy nhiên vì lý do kỹ thuật và điều kiện vận hành nên nó được vận hành theo cấu trúc hình tia. Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng loại relay quá dòng. Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đường dây kế cận được cấp điện từ một trạm biến áp trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đường dây bị sự cố. Việc khôi phục lưới được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các cặp khoá điện nằm trên các mạch vòng, do đó trên lưới phân phối có rất nhiều khoá điện. Một đường dây phân phối luôn có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh hoạt, thương mại dịch vụ, công nghiệp …) và các phụ tải này được phân bố không đồng đều giữa các đường dây. Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa. Vì vậy, trên các đường dây, đồ thị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ. Điều này gây ra quá tải đường dây và làm tăng tổn thất trên lưới điện phân phối.
220/110kV 110/22kV 110/22kV Dây nổi trung áp Cáp ngầm trung áp Trạm ngắt Máy phát Trạm ngắt 22/0,4kV phân tán 22/0,4kV Hình 1.1 Vị trí vai trò của lưới điện phân phối 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/cắt các cặp khoá điện hiện có trên lưới. Vì vậy, trong quá trình thiết kế, các loại khoá điện (Recloser, LBS, DS…) sẽ được lắp đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng/cắt các khoá này vừa có thể giảm chi phí vận hành và vừa giảm tổn thất năng lượng. Hay nói cách khác, hàm mục tiêu trong quá trình vận hành lưới điện phân phối là cực tiểu chi phí vận hành bao gồm cả chi phí chuyển tải và tổn thất năng lượng. Bên cạnh đó, trong quá trình