BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
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
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội - 2018
2
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
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. Tái cấu trúc lưới điện là một trong nhưng phương pháp giảm tổn thất được
nghiên cứu nhiều.
Hiện nay đề giải quyết bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối là bài toán tối ưu thuộc lớp
NP-khó, do đó để giải quyết bài toán này, có các phương pháp tiếp cận để giải quyết vấn đề:
- Tìm kiếm theo phương pháp tối ưu toán học
- Tìm kiếm heuristic để tìm lời giải đủ tốt.
- Tìm lời giải gần đúng nhờ các thuật toán mô phỏng tự nhiên như: Mô phỏng luyện kim,
giải thuật di truyền, tối ưu bầy đàn,…
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án
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/không 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/ không có 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:
Bài toán tái cấu trúc với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất trong trường hợp
có/không 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.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu áp dụng phương pháp Heuristic và 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: Luận án đã đạt được một số nội dung nghiên cứu sau:
Đề xuất phương pháp cho bài toán tái cấu trúc lưới điện dựa trên luật kinh nghiệm
“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.
Đề xuất cải tiến giải thuật mô phỏng luyện kim cho bài toán tái cấu trúc lưới điện với
hàm hàm mục tiêu giảm tổn thất điện năng.
3
Đề xuất sử dụng giải thuật di truyền cho bài toán tái cấu trúc 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 công suất.
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.
Phương pháp nghiên cứu theo hướng MetaHeuristic cho 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
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.
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
Chương 2: Phương pháp Heuristic cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối
Chương 3: Phương pháp MetaHeuristic cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối
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
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
VÀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
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.
Các điều kiện vận hành lưới phân phối luôn phải thoả mãn các điều kiện:
- Cấu trúc vận hành hở
- Tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép
- Các hệ thống bảo vệ relay phải thay đổi phù hợp
- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải
1.1.2 Giới thiệu bài toán tái cấu trúc lưới điện
a. Giới thiệu bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối:
Bài toán tái cấu trúc lưới điện là bài toán điều khiển trạng thái của các thiết bị đóng/ cắt
trên lưới điện phân phối, trong các trường hợp vận hành nhằm đảm bảo một số mục tiêu.
b. Phân loại bài toán tái cấu trúc lưới điện
4
*Phân loại theo hàm mục tiêu:
Bài toán 1: Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 thời đoạn để chi phí vận
hành bé nhất.
Bài toán 2: Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát để tổn thất
năng lượng bé nhất.
Bài toán 3: Xác định cấu trúc lưới điện tại 1 thời điểm để tổn thất công suất bé nhất.
Bài toán 4: Tái cấu trúc lưới điện cân bằng tải (giữa các đường dây, máy biến thế nguồn ở các
trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của lưới điện.
Bài toán 5: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa.
Bài toán 6: Xác định cấu trúc lưới điện theo nhiều mục tiêu như: tổn thất công suất bé nhất,
mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối lưới bé nhất cùng đồng
thời xảy ra, ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến tái cấu trúc lưới điện phân phối…vv
Bài toán 7: Xác định cấu trúc lưới điện để đảm bảo mục tiêu giảm năng lượng ngừng cung
cấp hay nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.
*Phân loại theo phương pháp nghiên cứu:
Hình 1.3 Phân loại bài toán tái cấu trúc theo phương pháp nghiên cứu
* Một số kết quả nghiên cứu của các bài toán tái cấu trúc
Bài toán 3 – Xác định cấu trúc lưới giảm
P là bài toán quan trọng nhất
Bài toán xác định cấu trúc lưới giảm tổn thất công suất tác dụng – bài toán 3 là một bài
toán quan trọng, được xem như một module để giải quyết các bài toán khác trong hệ thống
các bài toán tái cấu trúc lưới. Điều này được chứng minh qua các thuật toán của các nghiên
cứu từ trước đến nay.
Bài toán 1 - Cực tiểu hàm chi phí vận hành
Hàm mục tiêu này rất phù hợp với lưới điện phân phối có chi phí chuyển tải thấp, linh
hoạt trong vận hành, cấu trúc lưới có thể thay đổi nhiều lần trong ngày.
Hàm mục tiêu này rất phù hợp với lưới điện phân phối có chi phí chuyển tải thấp, linh hoạt
trong vận hành, cấu trúc lưới có thể thay đổi nhiều lần trong ngày.
Bài toán 2 - Cực tiểu hàm tổn thất năng lượng
Trong thực tế, ngay cả ở những nước công nghiệp tiên tiến, chi phí chuyển tải ảnh hưởng
rất lớn đến quyết định thay đổi cấu trúc lưới. Vì đôi khi chi phí này lớn hơn nhiều lợi ích thu
được.
Vì vậy xuất hiện bài toán 2 - Xác định cấu trúc lưới điện không đổi trong thời gian khảo
sát để tổn thất năng lượng bé nhất.
Bài toán 4 - Cân bằng công suất giữa các đường dây và trạm biến áp
Thuật toán này áp dụng phù hợp cho những khu vực thường xuyên bị quá tải hay có phụ
tải không ổn định. Trong [91], Tim Taylor, …
Phân loại phương pháp giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối
Phương pháp toán
học giải tích
Phương pháp Heuristic
(luật kinh nghiệm)
Phương pháp Meta Heuristic
(sử dụng các thuật toán AI)
5
Bài toán 5 – Tái cấu trúc lưới điện phân phối sau sự cố
Đây là mục tiêu được đông đảo các nhà khoa học đề cập trong các nghiên cứu của mình.
Bài toán 6 - Tái cấu trúc lưới theo hàm đa mục tiêu
Trong vận hành lưới điện phân phối có rất nhiều mục tiêu vận hành mà người điều độ viên
phải lựa chọn sao cho phù hợp với các đặc tính của lưới điện tại khu vực.
1.1.3 Hiện trạng lưới điện phân phối Việt Nam
Đặc điểm hiện trạng của lưới điện Việt Nam
- Do lịch sử phát triển, ở mỗi miền đất nước có nhiều cấp điện áp phân phối và giữa các
miền các cấp điện này cũng khác nhau (6.6, 10, 15, 22, 35 kV)…
- Recloser và máy cắt có tải (LBS) không được điều khiển từ xa và có số lượng không
đáng kể nên chí phí đóng/cắt lớn và thời gian chuyển tải lâu..…
Các bài toán trong quá trình vận hành lưới điện Việt Nam được mô tả trong các bài toán 1
đến bài toán 7
1.1.4 Mô hình bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối
a. Mô hình toán học lưới điện phân phối
Về mặt toán học, tái cấu trúc lưới là bài toán qui hoạch phi tuyến rời rạc theo dòng công
suất chạy trên các nhánh, tại [78] mô hình được trình bày:
Cực tiểu hàm F =
n
i
n
j
ijij
n
i
n
j
ijijij LCRIC
1 11 1
2
(1.4)
thoả mãn:
n
1i jij DS
(1.5)
Sij Sij max (1.6)
DVij DVij max (1.7)
max.
t
f
n
t
ft
fSS
(1.8)
1
t
ft
f
(1.9)
Hàm mục tiêu bị gián đoạn, rất khó để giải bài toán tái cấu trúc bằng phương pháp giải
tích toán học truyền thống [11].
b. Một số giả thiết để đơn giản bài toán tái cấu trúc lưới
Bù công suất phản kháng khi xem xét bài toán tái cấu trúc lưới
Ross Baldick [49]: “Có thể bỏ qua các thiết bị bù công suất phản kháng trên lưới khi giải
bài toán xác định cấu trúc lưới điện phân phối.”
Một số giả thiết khác cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối
- Thao tác đóng/cắt để chuyển tải, không gây mất ổn định của hệ thống điện
- Điện áp tại các nút tải không thay đổi và có giá trị gần bằng Uđm
- Khi giải bài toán phân bố công suất trên lưới hình tia, bỏ tổn thất công suất.
- Độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối được xem là không đổi khi cấu trúc lưới
thay đổi.
