(Luận văn thạc sĩ) Mở rộng lưới truyền tải bằng giải thuật Meta Heuristic

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 04 năm 2018
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Ngơ Hiếu Tồn

ii


LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian học tập tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM,
với nỗ lực hết mình của bản thân và được sự giúp đỡ, hỗ trợ nhiệt tình của Thầy Cơ,
bạn bè đồng nghiệp và gia đình, tơi đã hồn thành luận văn tốt nghiệp.
Với lịng biết ơn sâu sắc Tơi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy
PGS.TS.Trương Việt Anh, Thầy đã từng bước giúp đỡ, nhiệt tình giảng dạy, động
viên, truyền đạt những kinh nghiệm q báu, giúp Tơi hồn thành luận văn này. Đồng
thời, Tôi cũng xin cảm ơn các Thầy Cơ trong khoa Điện – Điện tử, Phịng Đào tạo,
Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM đã cho Tôi những nền
tảng kiến thức – tri thức quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi học tập, nghiên
cứu thực hiện tốt đề tài trong thời gian qua.
Trong q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn này vì thời gian và trình
độ có hạn nên khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng
góp của q Thầy Cơ và bạn bè đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!

iii

TÓM TẮT
Quy hoạch mở rộng lưới điện truyền tải là một phần rất quan trọng trong quy
hoạch mở rộng hệ thống điện. Mục tiêu chính của quy hoạch mở rộng lưới điện truyền
tải là xác định được nơi nào cần quy hoạch và mở rộng, công suất cần phải mở rộng,
xác định được tổng chi phí quy hoạch, độ tin cậy của hệ thống phải được cải
thiện…Quy hoạch mở rộng mạng lưới truyền tải là bài tốn tối ưu hóa phi tuyến rất
phức tạp, tập trung chính vào việc tìm ra cấu trúc tối ưu để hệ thống điện vận hành
ổn định với chi phí đầu tư thấp nhất trong hệ thống điện. Trong luận văn này, việc
mở rộng lưới được thực hiện bằng cách xem xét thêm một hay một vài đường dây để
loại bỏ nghẽn mạch trên đường dây truyền tải. Đã có nhiều cơng bố về vấn đề này
được đưa ra trong những năm gần đây, nhiều phương pháp được áp dụng như các
phương pháp GA kinh điển, phương pháp Heuristic tiến , Heuristic lùi, PSO kinh điển
… Các phương pháp này đều cho kết quả khả quan khi áp dụng vào bài toán chống
nghẽn mạch lưới truyền tải. Tuy nhiên, đây là vấn đề quan trọng trong vận hành tối
ưu hệ thống, nên vẫn cần thêm các phương pháp tối ưu khác để làm tham chiếu đánh
giá lựa chọn phương án hợp lý nhất cho một dự án lớn với chi phí cao như xây dựng
đường dây truyền tải điện. Trong luận văn, phương pháp Meta-Heuristic được đề xuất
áp dụng trong bài toán này. Để đánh giá kết quả đạt được, hệ thống điện IEEE 30 nút
được dùng để mô phỏng và ghi nhận kết quả trên phần mềm Matlab. Qua kết quả thu
nhận được đã chứng minh phương pháp được đề xuất có tính khả thi cao khi áp dụng
vào bài toán tối ưu chi phí mở rộng lưới điện trong hệ thống điện được mô phỏng.

iv


ABSTRACT
Transmission expansion planning (TEP) is a very important part of power
system expansion planning. The main TEP decided the local to be planed and
expanded, the expanded power, investment cost, the reliability index to be
improved…Transmission network expansion planning (TNEP) is an extremely

complex nonlinear optimization problem. Its main focus is to find the optimal
structure for the stable operation of the system with the minimum cost transmission
investment in the power system. In this thesis, network expansion is performed by
considering adding one or few lines to eliminate congestion on the transmission line.
There have been many publications on this issue in recent years, many methods are
applied such as GA classic, forward heuristic, backward heuristic, PSO classic and
so on. These methods create the satisfactory results when applied to the problem of
congestion eliminated of transmission network. However, this is an important issue
in the optimal operation of the system, so it is still necessary to add other optimal
methods, reference to evaluate and select the most reasonable planning for a large
project with high costs like the construction of power transmission line. In this thesis,
the hybrid Meta-heuristic method is considered to apply to this problem. To evaluate
achieved results, IEEE 30 bus test system is used to simulate and record results on
MATLAB software. The obtained results show that the proposed method is highly
feasible when applying to the cost of optimal problem of power network expansion
in the simulated power system.

v


MỤC LỤC
TRANG TỰA

TRANG

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
LÝ LỊCH CÁ NHÂN ................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
TÓM TẮT .................................................................................................................. iv

MỤC LỤC .................................................................................................................. vi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH ......................................................................................... x
DANH SÁCH CÁC BẢNG ....................................................................................... xi
Chương 1: GIỚI THIỆU .......................................................................................... 1
1.1. Tính cấp thiết của luận văn: ................................................................................. 1
1.2. Tổng quan các cơng trình nghiên cứu: ................................................................. 4
1.2.1. Tổng quan phương pháp quy hoạch nguồn: ............................................. 4
1.2.2. Tổng quan phương pháp dùng thiết bị Facts: ........................................... 5
1.2.3. Tổng quan phương pháp thêm đường dây mới: ....................................... 7
1.2.4. Tổng quan phương pháp quy hoạch nguồn kết hợp lắp đặt thêm đường
dây mới: ....................................................................................................................... 8
1.3. Mục tiêu của luận văn: ......................................................................................... 9
1.4. Nhiệm vụ của luận văn:........................................................................................ 9
1.5. Phạm vi của luận văn: .......................................................................................... 9
1.6. Phương pháp nghiên cứu:..................................................................................... 9
1.7. Kết quả: .............................................................................................................. 10
1.8. Nội dung của luận văn: ...................................................................................... 10
Chương 2: TỔNG QUAN ....................................................................................... 11
2.1. Tổng quan mơ hình hóa hệ thống Truyền tải điện: ............................................ 11
2.1.1. Mơ hình tải: ............................................................................................ 11

vi


2.1.2. Mơ hình nguồn phát điện: ...................................................................... 12
2.1.3. Mơ hình đường dây: ............................................................................... 13
2.1.4. Mơ hình máy biến áp: ............................................................................. 15
2.1.5. Mơ hình tụ bù dọc: ................................................................................. 15
2.1.6. Mơ hình bài tốn: ................................................................................... 15

2.2. Thuật tốn tối ưu hóa bầy đàn PSO: .................................................................. 16
2.2.1. Giới thiệu về thuật toán tối ưu hóa bầy đàn: .......................................... 16
2.2.2. Lịch sử phát triển của giải thuật tối ưu hóa bầy đàn: ............................. 16
2.2.3. Khái quát hóa giải thuật tối ưu hóa bầy đàn: .......................................... 17
2.2.4. Các khái niệm trong giải thuật PSO: ...................................................... 19
2.2.5. Các bước trong việc xây dựng giải thuật PSO: ...................................... 20
2.2.6. Lưu đồ giải thuật PSO: ........................................................................... 20
2.2.7. Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO: ................... 21
2.2.8. Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO:............................................ 24
2.3. Các phương pháp đã được áp dụng: ................................................................... 24
2.3.1 Phương pháp ACO: ................................................................................. 25
2.3.2. Phương pháp SA:.................................................................................... 25
2.3.3. Phương pháp tìm kiếm Tabu: ................................................................. 26
2.3.4. Phương pháp DE: ................................................................................... 27
2.3.5. Phương pháp GA: ................................................................................... 27
2.3.6. Phương pháp Keruel- Oriented: ............................................................. 28
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP LUẬN ..................................................................... 29
3.1. Các đại lượng mô tả hệ thống: ........................................................................... 29
3.1.1. Các loại nút trong hệ thống điện: ........................................................... 29
3.1.2. Ma trận tổng dẫn nút Ybus và ma trận tổng trở nút Zbus: ..................... 29
3.2. Phương trình tốn các thành phần hệ thống điện: .............................................. 30
3.2.1. Phương trình dịng cơng suất:................................................................. 30
3.2.2. Phương trình cơng suất trên đường dây và các tổn thất: ........................ 30

vii


3.3. Mơ tả bài tốn cực tiểu chi phí vận hành và chi phí mở rộng lưới bằng giải thuật
PSO: .......................................................................................................................... 31
3.3.1. Mơ tả bài tốn với giải thuật PSO: ......................................................... 31

3.3.2. Hàm mục tiêu: ........................................................................................ 35
3.4. Ràng buộc: ......................................................................................................... 38
3.4.1. Phương trình dịng tải: ............................................................................ 38
3.4.2. Giới hạn truyền tải: ................................................................................. 39
3.4.3. Giới hạn phân bố công suất truyền tải:................................................... 39
3.4.4. Ràng buộc điện áp: ................................................................................. 40
3.4.5. Ràng buộc cơng suất: ............................................................................. 40
3.5. Lưu đồ thuật tốn: .............................................................................................. 41
3.6. Mơ hình hệ thống thử nghiệm: ........................................................................... 41
Chương 4: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG...................................................................... 50
4.1. Kết quả phân bố cơng suất cho lưới điện hiện có: ............................................. 50
4.1.1. Kết quả phân bố công suất tại 100% tải: ................................................ 50
4.1.2. Kết quả phân bố công suất tại 120% tải: ................................................ 53
4.2. Thực thi chương trình mở rộng phụ tải: ............................................................. 55
4.3 Kết quả phân bố công suất cho lưới điện sau mở rộng: ...................................... 59
4.3.1. Kết quả phân bố công suất tại 110% tải ................................................. 59
4.3.2. Kết quả phân bố công suất tại 120% tải: ................................................ 61
4.3.3. Kết quả phân bố công suất tại 130% tải: ................................................ 62
4.3.4. Kết quả phân bố công suất tại 140% tải: ................................................ 63
4.3.5. Kết quả phân bố công suất tại 145% tải: ................................................ 64
Chương 5: KẾT LUẬN ........................................................................................... 65
5.1. Nhận xét: ............................................................................................................ 65
5.2. Các vấn đề đã thực hiện được trong luận văn: ................................................... 65
5.3. Các vấn đề chưa thực hiện được: ....................................................................... 67
5.4. Các kiến nghị và hướng phát triển của đề tài: .................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 68

viii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Viết tắt

TEP

Transmission Expansion Planning

TNEP

Transmission Network Expansion Planning

PGPSO

Pseudo-Gradient Particle Swarm Optimization

GA

Genetic Algorithm

TS

Tabu Search

OPF

Optimal Power Flow

APC

All Possible Candidates

AFC

All Feasible Candidates

AGC

All Good Candidates

FACTS

Flexible Alternating Current Transmission System

DE

Differential Evolutions

ACO

Ant Colony Optimization

SA

Simulated Annealing

LSM

Least Square Monte Carlo

GEP

Generation Expansion Planning

ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Hệ thống điện .............................................................................................. 1
Hình 1.2: Trạm biến áp 500kV. .................................................................................. 2
Hình 1.3: Đường dây 500kV ....................................................................................... 3
Hình 1.4: Nhà máy nhiệt điện ..................................................................................... 4
Hình 1.5: Tụ bù dọc đường dây 500kV ...................................................................... 6
Hình 1.6: Đường dây 500kV ....................................................................................... 8
Hình 2.1: Mơ hình đương dây thơng số tập trung ..................................................... 14
Hình 2.2: Mơ hình đường dây thơng số rải.. ............................................................. 14
Hình 2.3: Khái niệm về sự thay đổi diểm tìm kiếm của PSO ................................... 18
Hình 2.4: Lưu đồ chung cho giải thuật PSO. ............................................................ 21
Hình 2.5: Chuyển động của cá thể ............................................................................ 23
Hình 3. 1: Mơ hình khảo sát một nút bất kỳ trong hệ thống ..................................... 30
Hình 3. 2: Mơ hình đường dây truyền tải để tính phân bố cơng suất ....................... 31
Hình 3. 3: Mã hóa đường dây ................................................................................... 32
Hình 3. 4: Hệ thống thử nghiệm Garver 5 nút .......................................................... 33
Hình 3. 5: Các đường dây ứng viên đưa vào hệ thống.............................................. 34
Hình 3. 6: Sơ đồ lưới điện mới sau khi mở rộng ...................................................... 35

Hình 3. 7: Lưu đồ thuật tốn giải thuật PSO ............................................................. 41
Hình 3. 8: Sơ đồ hệ thống IEEE 30 nút..................................................................... 49
Hình 4. 1: Đồ thị phân bố điện áp tại 100% tải trong lưới điện hiện tại ................... 51
Hình 4. 2: Đồ thị phân bố cơng suất tại 100% tải trong lưới điện hiện tại ............... 52
Hình 4. 3: Biểu đồ phân bố điện áp tại 120% tải ...................................................... 53
Hình 4. 4: Biểu đồ phân bố cơng suất tại 120% tải ................................................... 54
Hình 4. 5: Sơ đồ hệ thống điện sau khi mở rộng ...................................................... 56
Hình 4. 6: Đồ thị tăng tải trong 10 năm .................................................................... 58
Hình 4. 7: Trình tự xây dựng các đường dây trong 10 năm ...................................... 59

x


Hình 4. 8: Phân bố cơng suất trên các nhánh tại 110% tải ........................................ 60
Hình 4. 9: Phân bố cơng suất trên các nhánh tại 120% tải ........................................ 61
Hình 4. 10: Phân bố công suất trên các nhánh tại 130% tải...................................... 62
Hình 4. 11: Phân bố cơng suất trên các nhánh tại 140% tải...................................... 63
Hình 4. 12: Phân bố cơng suất trên các nhánh tại 145% tải...................................... 64

xi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 3. 1: Kết quả mã hóa để chọn đường dây thêm vào hệ thống.......................... 34
Bảng 3. 2: Thông số nút trong hệ thống IEEE 30 nút ............................................... 42
Bảng 3. 3: Thông số nhánh trong hệ thống IEEE 30 nút .......................................... 43

Bảng 3. 4: Thông số nhánh có thể thêm vào trong hệ thống IEEE 30 nút ................ 44
Bảng 3. 5: Chi phí đường dây hiện hữu và ứng viên. ............................................... 45
Bảng 4. 1: Kết quả phân bố điện áp tại 100% tải trong lưới điện hiện tại ................ 51
Bảng 4. 2: Kết quả phân bố công suất tại 100% tải trong lưới điện hiện tại ............ 52
Bảng 4. 3: Phân bố điện áp tại các nút tại 120% tải .................................................. 53
Bảng 4. 4: Phân bố công suất trên đường dây tại 120% tải ...................................... 54
Bảng 4. 5: Các đường dây được thêm vào hệ thống điện ......................................... 55
Bảng 4. 6: Cấu trúc đường dây của hệ thống điện mới ............................................. 57

xii


Chương 1

GIỚI THIỆU
1.1.

Tính cấp thiết của luận văn:
Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng đang đặt ra sức ép lên hệ thống điện, việc

phát triển ngành điện phải gắn liền với chiến lược phát triển kinh tế - xã hội và phải
đảm bảo cung cấp điện cho nền kinh tế quốc dân và đời sống xã hội với chất lượng
điện năng ngày càng cao, đồng thời phải sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên năng
lượng, đa dạng hóa các nguồn năng lượng sơ cấp cho sản xuất điện, bảo tồn nhiên
liệu và đảm bảo an ninh năng lượng cho tương lai. Hiện nay vấn đề các nguồn sản
xuất điện thường ở xa khu tiêu thụ, vì vậy cần phải truyền tải điện từ nơi này đi nơi
khác. Trong quá trình vận hành và phát triển lưới điện gặp nhiều khó khăn vì phải
đảm bảo tính cung cấp điện liên tục, đảm bảo hệ thống hoạt động tốt nên phải thường
xuyên theo dõi, kiểm tra sửa chữa lưới truyền tải.

Hình 1.1: Hệ thống điện

1


Tương xứng với nhu cầu tiêu thụ điện ngày một tăng, thị trường điện ra đời đã
mang lại nhiều phúc lợi xã hội. Tuy nhiên, sự nghẽn mạch trên hệ thống điện xảy ra
thường xuyên hơn. Vì vậy, việc cấp thiết đặt ra của ngành điện là phải đầu tư mở rộng
hệ thống truyền tải nhằm đáp ứng nhu cầu cung cấp đầy đủ điện năng đến tâm phụ
tải. Việc mở rộng này nên được thực hiện một cách kịp thời đáp ứng các tiêu chí như:
tối ưu hóa về kỹ thuật, kinh tế vận hành và đáp ứng độ tin cậy.
Trong hệ thống điện việc cải tạo và nâng công suất hệ thống là một nhu cầu
luôn luôn phải thường xuyên thực hiện để theo kịp với sự phát triển của phụ tải. Trong
lưới điện truyền tải các đường dây luôn phải thay đổi phương thức vận hành nhưng
quá tải vẫn thường xuyên xảy ra, nếu để xảy ra quá tải lâu dài khi đó có thể sẽ dẫn
đến tụt lèo, tụt mối nối, phát nhiệt, tăng độ võng gây đe dọa sự cố cho hệ thống.
Mạng lưới điện truyền tải đóng góp một vai trị quan trọng trong việc truyền
tải công suất cung cấp tới tất cả thành phần liên quan trong một thị trường để cung
cấp và phân phối nguồn điện.

Hình 1.2: Trạm biến áp 500kV

2


Hình 1.3: Đường dây 500kV
Để giải quyết bài tốn quy hoạch mở rộng lưới, hiện nay có 3 phương pháp
chính bao gồm: đặt thêm nhà máy phát điện, sử dụng thiết bị Facts và kéo thêm đường
dây mới. Ưu và nhược điểm của các phương pháp được phân tích dưới đây:
Phương pháp đặt thêm nhà máy phát điện: có ưu điểm là cung cấp công suất

với tổn thất thấp nhất. Nhưng nhược điểm của nó là khơng phải lúc nào cũng đặt được
nhà máy phát điện, mà phải phụ thuộc vào các yếu tố như vị trí đía lí, mơi trường,
nguồn nguyên liệu, tâm phụ tải, bên cạnh đó chi phí lắp đặt nhà máy phát điện rất tốn
kém, cần phải cân nhắc trong quá trình đầu tư.
Phương pháp sử dụng thiết bị Facts: có ưu điểm là chống nghẽn mạch, nâng
cao độ ổn định hệ thống điện. Nhưng khi phụ tải tăng q lớn thì khơng thể giải quyết
bằng phương pháp thiết bị Facts, bởi vì bản thân nó không làm tăng khả năng truyền
tải của đường dây.
Phương pháp kéo thêm đường dây mới: có ưu điểm tăng cơng suất truyền tải
dài hạn, nhưng chi phí để xây dựng thì rất tốn kém.

3


Sau khi phân tích các phương pháp trên để quy hoạch mở rộng mạng lưới
truyền tải điện thì nhận thấy phương pháp kéo thêm đường dây mới là hợp lý. Có thể
tăng cơng suất truyền tải dài hạn khắc phục được hạn chế không đặt được nhà máy
phát tại các trung tâm kinh tế, cách xa nguồn nguyên liệu và ô nhiễm môi trường của
phương pháp đặt thêm nhà máy phát, đồng thời cũng đáp ứng quá trình tăng tải theo
sự phát triển kinh tế - xã hội, khắc phục hạn chế của việc lắp đặt thiết bị Facts.
Vì vậy, trong luận văn đề xuất việc quy hoạch mở rộng mạng lưới truyền tải
bằng cách kéo thêm đường dây mới. Tuy chi phí để mở rộng đường dây truyền tải là
rất tốn kém, nhưng về lâu về dài sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn các phương
pháp quy hoạch mở rộng trên. Luận văn này sử dụng giải thuật Meta-Heuristic với
phương pháp PSO để giải quyết bài toán quy hoạch mở rộng mạng lưới. Kết quả sẽ
được phân tích trong các nội dụng phía sau.
1.2.

Tổng quan các cơng trình nghiên cứu:

1.2.1. Tổng quan phương pháp quy hoạch nguồn:
Quy hoạch mở rộng nguồn phát là bước quan trọng đầu tiên trong các bài toán
quy hoạch dài hạn. Phải xác định khi nào nhà máy phát được đặt, đặt ở chỗ nào và
đặt để làm gì.

Hình 1.4: Nhà máy nhiệt điện

4


Trong [1], đề xuất việc quy hoạch mở rộng nguồn tích hợp nguồn năng lượng
tái tạo sử dụng mơ hình cây quyết định, mơ hình này có đủ tính linh hoạt, có khả năng
mơ phỏng sự khơng chắc chắn của bài toán; Bài báo nghiên cứu khả năng cạnh tranh
lâu dài của việc tích hợp nguồn năng lượng tái tạo cùng với các nguồn năng lượng
truyền thống khác trong quy hoạch mở rộng nguồn phát, bằng cách kết hợp giữa mơ
hình quy hoạch ngắn hạn và mơ hình quy hoạch dài hạn; Kết quả của việc đưa hệ
thống nguồn năng lượng tái tạo vào là để cải thiện độ tin cậy hệ thống bằng cách giảm
tổn thất hệ thống và dự trữ cơng suất; Ngồi ra, cũng giảm được tổng chi phí và cơng
suất thay thế. Trong [2], quy hoạch mở rộng dài hạn nguồn phát sử dụng hệ thống
động và giải thuật di truyền; Bài báo trình bày phương pháp giúp người quản lý thị
trường phát triển các kế hoạch đầu tư nguồn phát dài hạn, xem xét các khoản đầu tư
của các đối thủ cạnh tranh khác và cho phép một cái nhìn sâu hơn, có các giải pháp
bền vững hơn; Bài báo cũng tiến hành nghiên cứu độ nhạy, phương pháp này rất hữu
dụng cho các chủ đầu tư, các cơ quan quản lý nhà nước trong việc mô tả sự tiến triển
nhu cầu điện và giá điện. Nghiên cứu ứng dụng và so sánh các kỹ thuật Meta-heuristic
vào bài toán quy hoạch mở rộng nguồn phát [3] đề xuất quy trình lập bản đồ ảo và hệ
số phạt để cải thiện hiệu quả của các kỹ thuật Meta-heuristic, áp dụng 9 kỹ thuật
heuristic cho ba trường hợp thử nghiệm để giải quyết bài toán cực tiểu chi phí GEP,
hiệu quả của các kỹ thuật Meta-heurisic đã được cải thiện khi áp dụng các quy trình
lập bản đồ ảo, hệ số phạt vào việc khắc phục hạn chế của quy hoạch động bằng các

kỹ thuật heuristic cải tiến; Giải pháp tối ưu hóa hoặc gần tối ưu hóa đạt được trong
thời gian hợp lý.
1.2.2. Tổng quan phương pháp dùng thiết bị Facts:
Việc cân bằng lại công suất giữa các đường dây bằng cách sử dụng thiết bị
FACTS kết hợp với quy hoạch lại nguồn phát (GEP) để đáp ứng nhu cầu phụ tải có
một ý nghĩa quan trọng. Nó khơng chỉ giải quyết được tắc nghẽn cục bộ mà cịn có
thể tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành, giảm tổn thất điện năng, nâng cao tính ổn
định của hệ thống.

5


Trong bài toán TEP, mở rộng hệ thống điện bằng cách thêm thiết bị Facts, tăng
khả năng truyền tải của hệ thống điện. Trong [4], thiết bị Facts được lựa chọn để khắc
phục vấn đề điện áp thấp và nghẽn mạch đường dây; Các trường hợp được mô phỏng
trên hệ thống Garver 6 nút, hàm mục tiêu là cực tiểu tổng chi phí xây dựng và vận
hành hệ thống trong tương lai; Bài báo đã chỉ ra được các ứng viên dễ bị tổn thương
nhất trong trường hợp xảy ra sự cố kéo dài (quá tải, đứt đường dây), việc thêm nhiều
đường dây vào hệ thống không nhất thiết là cho hệ thống mạnh mẽ hơn việc thêm ít
đường dây mà nó phụ thuộc vào việc bố trí kéo đường dây nào hợp lývà cũng cho
thấy được hệ thống điện quy mơ lớn thì mạnh mẽ hơn hệ thống điện có quy mơ nhỏ
và sự hiệu quả sử dụng thiết bị Facts để loại bỏ nghẽn mạch và điện áp thấp, đảm
bảo độ tin cậy, an ninh của hệ thống điện; Bài báo cũng chỉ ra nhược điểm của TCSC
có thể làm giảm hoặc loại bỏ nghẽn mạch, nhưng nó có thể gây quá điện áp trên
đường dây lắp đặt TCSC; Cuối cùng bài báo cũng chỉ ra được ưu điểm của thiết bị
Facts là dùng để nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năng truyền
tải công suất trên đường dây, là giải pháp tuyệt vời để vượt qua các tác động của các
dự án trì hỗn.

Hình 1.5: Tụ bù dọc đường dây 500kV

6


Việc quy hoạch mở rộng mạng lưới dưới điều kiện khơng chắn chắn và vai trị
Facts trong việc cung cấp chế độ vận hành linh hoạt [5] đề xuất phương pháp quy
hoạch mở rộng trong đó đánh giá và đưa ra so sánh việc lựa chọn đầu tư đường dây
truyền tải với việc đầu tư thiết bị Facts; Bài báo này cũng trình bày sự kết hợp giữa
việc đầu tư đường dây truyền tải và đầu tư thiết bị Facts, điều đó mang lại sự linh
hoạt trong việc đầu tư mở rộng hệ thống điện trong quy hoạch ngắn hạn và quy hoạch
dài hạn; Bài báo này sử dụng phương pháp LSM để giải quyết bài tốn tối ưu hóa;
Bài báo đã xác định các kế hoạch mở rộng linh hoạt và cải thiện độ thích nghi đối với
các kịch bản không chắn chắc trong tương lai đạt được bằng cách kết hợp các thiết bị
Facts với đầu tư đường dây truyền tải truyền thống trong tầm nhìn quy hoạch; Đạt
được cân bằng tối ưu hóa giữa việc đầu tư đường dây truyền tải và đầu tư thiết bị
Facts , đáp ứng đúng tiến độ hệ thống truyền tải đến sự phát triển của thị trường điện.
1.2.3. Tổng quan phương pháp thêm đường dây mới:
Việc xây dựng mới các đường dây truyền tải để loại trừ nghẽn mạch thường
được thực hiện trong bài toán TEP. Tuy nhiên, điều này thường gặp nhiều khó khăn
từ chi phí đầu tư và mơi trường. Trong [6], đề xuất tìm ra cấu trúc tối ưu với chi phí
đầu tư thấp nhất, loại bỏ nghẽn mạch đường dây; sử dụng thuật tốn xấp xỉ ngồi để
giải bài tốn tìm cấu trúc tối ưu, cực tiểu chi phí đầu tư đường dây, hiệu quả mơ hình
chứng minh trong hệ thống điện 39 nút và kết quả được trình bày trong. Quy hoạch
mở rộng hệ thống truyền tải sử dụng giải thuật heuristic [7], với mục tiêu là cực tiểu
chi phí kéo thêm đường dây mới do sự phát triển của phụ tải trong tương lai; đề xuất
sử dụng giải thuật heuristic để giải quyết bài toán; Giải pháp được đề xuất là chính
xác hơn so với phương pháp thêm dây ngẫu nhiên; Đồng thời, hiệu quả của thuật tốn
cịn được biểu hiện qua việc tích hợp phân tích độ nhạy để xem xét chi phí các nhánh
dây, chứng minh trong hệ thống Garver 6 nút. Quy hoạch mở rộng hệ thống truyền
tải trong nhiều năm sử dụng giải thuật bầy đàn tiến hóa rời rạc; Các kết quả đã chứng

minh trong [8] chứng tỏ mơ hình đề xuất là chính xác, xác định giải pháp chất lượng
tốt ít đàn hơn và ít lặp đi lặp lại hơn so với các thuật toán bầy đàn cổ điển.

7


Hình 1.6: Đường dây 500kV
1.2.4. Tổng quan phương pháp quy hoạch nguồn kết hợp lắp đặt thêm đường
dây mới:
Mơ hình quy hoạch hệ thống điện truyền tải có thể phân biệt thành loại mơ
hình tĩnh hay mơ hình động. Mơ hình tĩnh thường được áp dụng khi quy hoạch hệ
thống điện trong một giai đoạn duy nhất, không xét đầu tư vốn lắp đặt thiết bị ở nhiều
thời điểm khác nhau, chỉ xác định một tình huống phương án tối ưu quy dẫn về một
năm. Trong [9], đưa ra kết quả áp dụng mơ hình động với phương pháp đơn hình
trong việc quy hoạch phát triển mở rộng hệ thống điện, xem xét vài giai đoạn đầu tư
vốn lắp đặt thiết bị trong nhiều năm, xác định phương án phát triển tối ưu của các giai
đoạn khác nhau đối với một hệ thống điện cần quy hoạch. Tập thông số cấu trúc của
hệ thống điện được hiểu là các thông số liên quan đến các nguồn phát và đường dây
truyền tải điện chủ đạo. Mức công suất máy phát và sản lượng điện năng tối ưu của
các nhà máy điện phụ thuộc vào chi phí nhiên liệu và chi phí lắp đặt tổ máy, và đồng

8


thời cũng phụ thuộc vào chi phí lắp đặt đường dây, có xét khấu hao thiết bị và tổn
thất điện truyền tải hàng năm. Thơng thường thì bài tốn tối ưu hóa cấu trúc của hệ
thống điện thuộc lớp bài toán tối ưu đa mục tiêu với hàm mục tiêu có dạng phi tuyến.
Áp dụng phép tuyến tính hóa hàm mục tiêu cùng với các phương trình ràng buộc dạng
tuyến tính cho phép ứng dụng thuận lợi giải thuật quy hoạch tuyến tính để tối ưu hóa
cấu trúc của hệ thống điện. Kết quả bài báo đã thiết kế tối ưu hóa cấu trúc của hệ

thống điện lực bao gồm quy hoạch tối ưu công suất nguồn máy phát và thiết kế tối ưu
đường dây truyền tải điện, có xét đến điều phối kinh tế công suất P của các nguồn
điện, có xét các điều kiện ràng buộc kỹ thuật hoạt động của hệ thống.
1.3.

Mục tiêu của luận văn:
Mở rộng hệ thống lưới truyền tải điện 30 nút loại bỏ nghẽn mạch, cực tiểu chi

phí đầu tư đường dây, thỏa mãn các ràng buộc theo phương pháp được đề xuất.
1.4.

Nhiệm vụ của luận văn:
Tìm hiểu giải thuật Meta-Heuristic với phương pháp PSO
Tìm hiểu chương trình tính phân bố cơng suất.
Tìm hiểu Matlab, PowerWorld
Lấy kết quả.
Viết báo cáo.

1.5.

Phạm vi của luận văn:
Xây dựng mơ hình tốn học, dùng phần mềm Matlab và thuật toán PSO trong

việc giải bài toán TEP nhằm cực tiểu chi phí kéo thêm đường dây mới. Ứng dụng tính
tốn bài tốn TEP trên hệ thống điện chuẩn IEEE 30 nút.
1.6.

Phương pháp nghiên cứu:

Các phương pháp nghiên cứu sẽ được vận dụng trong luận văn này là:

Thu thập các tài liệu liên quan đến luận văn nghiên cứu.
Sử dụng mơ hình lý thuyết mạch điện trong xây dựng thuật toán.

9


Mơ phỏng trên máy tính bằng phần mềm Matlab.
Phân tích kết quả mô phỏng và đưa ra nhận xét.
1.7.

Kết quả:
Xác định được vị trí nghẽn mạch trong hệ thống điện từ đó xác định được vị

trí tối ưu để đưa ra giải pháp kéo đường dây trong hệ thống điện với chi phí thấp nhất
và khơng vi phạm hàm mục tiêu.
1.8.

Nội dung của luận văn:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan, tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề

tài.
Chương 2: Tổng quan về mơ hình hóa hệ thống truyền tải điện trong bài toán
mở rộng, các phương pháp giải đã được áp dụng và giới thiệu về giải thuật PSO.
Chương 3: Phương pháp luận, mơ tả bài tốn quy hoạch mở rộng hệ thống
truyền tải.
Chương 4: Kết quả mô phỏng hệ thống truyền tải 30 nút IEEE.
Chương 5: Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài.

10

Chương 2

TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan mơ hình hóa hệ thống Truyền tải điện:
2.1.1. Mơ hình tải:
Phụ thuộc vào mạng điện và mục đích của việc tính tốn chế độ, mơ hình phụ
tải điện có các dạng:
- Phụ tải được cho bằng công suất không đổi về giá trị:
PL = const
QL = const
Mơ hình này khá chính xác đối với các hệ thống điện có đủ các thiết bị điều
chỉnh điện áp (máy biến áp và máy biến áp tự ngẫu điều chỉnh điện áp dưới tải, máy
biến áp điều chỉnh đường dây, bộ tụ bù điều khiển, máy bù đồng bộ). Thực tế cho
phụ tải bằng công suất không đổi là giả thiết rằng điện áp tại tất cả các nút bằng với
điện áp định mức của mạng điện.
- Phụ tải được mơ hình hóa bằng tổng trở hay tổng dẫn không đổi:
ZL=RL+jXL = const
YL = GL – jBL = const
Mơ hình này tương đương với việc cho phụ tải bằng các dạng đặc tính bậc 2:
P L = U 2 GL
QL = U2BL
Mơ hình tải theo phương pháp này thường được sử dụng khi tính các q trình
q độ điện cơ.

11


Tuy nhiên, mơ hình này khơng đảm bảo độ chính xác cao của các kết quả nhận
được, bởi vì trong thực tế chính tổng trở và tổng dẫn của các phụ tải là hàm số của

tần số và điện áp đặt vào.
- Phụ tải được mơ hình hóa bằng các đường đặc tính tĩnh.
2.1.2. Mơ hình nguồn phát điện:
Trong tính tốn chế độ xác lập, tùy theo vai trị và công suất của nhà máy điện
trong hệ thống điện mà mơ hình nguồn điện sẽ được chọn lựa cho phù hơp:
Khi nguồn phát điện được mở rộng và cung cấp đủ nhu cầu cho phụ tải thì hệ
thống sẽ đảm bảo làm việc an toàn ổn định. Đây là giải pháp căn bản nhất trong một
hệ thống điện đang phát triển.
Mơ hình nguồn điện có cơng suất nhỏ: áp dụng cho các máy phát khơng có
thiết bị điều chỉnh điện áp, tức là các trạm phát điện công suất nhỏ, được đặc trưng
bởi biểu thức:
PG = const
QG = const
Mơ hình nguồn điện có cơng suất vừa và lớn: đây là nhà máy điện với điện áp
được điều chỉnh bởi thiết bị điều áp (AVR), việc duy trì điện áp được thực hiện bằng
cách điều chỉnh công suất phản kháng nguồn phát ra. Khoảng điều chỉnh này có giới
hạn, do giới hạn của dịng phần ứng và dịng kích từ, cũng như điều kiện làm việc ổn
định ở chế độ thiếu kích thích.
Mơ hình nút cân bằng: Nút cân bằng phát sinh do tổn thất công suất trong lưới
điện là không biết trước được. Mơ hình đối với nguồn điện được chọn làm nút cân
bằng thì khơng đưa ra các cơng suất phát mà chỉ đưa ra điện áp Ucb và góc pha δcb
của nó thường được chọn bằng 0 (δcb=0). Giá trị δcb cần đưa ra để cố định hệ trục
mà theo đó tất cả các góc phát cịn lại được xác định. Công suất phát của nút cân bằng
sẽ được xác định bằng điều kiện cân bằng công suất (theo P và theo Q) có tính đến

12


công suất phụ tải và tổn thất trong hệ thống điện. Thường nút cân bằng được chọn là
thanh góp cơng suất lớn vơ hạn hay nút nguồn có cơng suất lớn nhất.

2.1.3. Mơ hình đường dây:
Tất cả các đường dây trong hệ thống điện đều được đặc trưng bởi các thông số
như: điện trở, điện kháng, điện dung và điện dẫn. Điện kháng và điện dung là do ảnh
hưởng của từ trường và điện trường quanh dây dẫn. Những thông số này cần thiết để
phát triển mơ hình đường dây truyền tải sử dụng trong phân tích hệ thống điện. Để
tính tốn chính xác mức độ ảnh hưởng của các thông số đường dây khá phức tạp nên
trong thực tế tùy theo yêu cầu về mức độ chính xác của mơ hình và mục đích nghiên
cứu mà có thể sử dụng mơ hình đường dây hình π hay mơ hình thơng số rải.
- Mơ hình đường dây hình 𝛑: đối với các đường dây điện áp 110kV và lớn
hơn có chiều dài từ 250 − 300km thường không xét đến sự phân bố đều của các
thơng số, đồng thời có thể sử dụng các thông số tập trung là điện trở tác dụng, cảm
kháng, điện dẫn tác dụng và dung dẫn của đường dây trong khi phân tích chế độ xác
lập của mạng điện. Sơ đồ hình π có tổng trở Z và tổng dẫn Y, trong đó tổng trở Z= r1
+jX1 đặt tập trung ở giữa, Y=g1 + jb1 được chia thành hai phần bằng nhau và đặt ở hai
đầu đường dây.
Z1 = r1+jx1 = (r0+jx0)l
Y1 = g1+jb1 = (g0+jb0)l
Trong đó: r1, x1, g1 và b1 lần lượt là điện trở, cảm kháng, điện dẫn và dung dẫn
của đường dây (Ω); r0, x0, g0 và b0 lần lượt là điện trở, cảm kháng, điện dẫn và dung
dẫn trên một đơn vị chiều dài (Ω/km); l là chiều dài dây dẫn (km).

13


Hình 2.1: Mơ hình đương dây thơng số tập trung
Mơ hình đường dây thơng số rải: mơ hình này chỉ cần thiết trong khi tính
chế độ xác lập của các đường dây siêu cao áp U ≥ 330kV, có chiều dài từ 250-300km
và có thể mơ phỏng nhiều trạng thái hoạt động của đường dây đặc biệt là hiện tượng
truyền sóng và phản xạ sóng.

Mơ hình này sử dụng thực tế để xác định số lượng các modul tương đương
trên đường dây truyền tải, mỗi modul được mô tả bởi cơng thức e+zi. Trong đó e là
điện áp trên đường dây và I là dòng điện chạy trên đường dây. Điện áp và dịng điện
đó được xuất phát từ một đầu của đường dây và truyền trên đường dây đến cuối đường
dây, thời gian truyền hết đường dây là τ =l/v (l là chiều dài đương dây). Tại cuối
đường dây,sóng dịng và áp sẽ bị phản xạ trở lại.

Hình 2.2: Mơ hình đường dây thơng số rải.
Để thuận tiện trong việc tính tốn, mơ hình đường dây thơng số rải được chia
làm nhiều phân đoạn, mỗi phân đoạn được thay bằng mơ hình π, thành phần g chỉ
tính cho đường dây có điện áp rất cao trên 330kV.

14