Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường điện

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
1
PHẦN MỞ ðẦU
GIỚI THIỆU CHUNG

1. Tên dề tài:
ðề tài có tên: “Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện”. ðây là một
ñề tài tuy ñã ñược khai thác tại một số nước trên thế giới nhưng là khá mới tại Việt Nam.
Chưa có một tài liệu nào ñề cập tới vấn ñề này như một nội dung hoàn chỉnh mà chỉ xuất
hiện rải rác ở các nghiên cứu hay các bài báo. Chính bởi vậy, luận văn góp phần phát triển
hướng nghiên cứu và ứng dụng thuật toán di truyền nói riêng và các thuật toán trí tuệ nhân
tạo nói chung vào trong lĩnh vực nghiên cứu hệ thống ñiện tại Việt Nam. Bên cạnh ñó, ñề
tài cũng ñưa ra một số cải tiến trong kỹ thuật tính toán ñể tăng tốc ñộ, ñộ chính xác và linh
hoạt hơn cho thuật toán này.

2. Các mục tiêu và ñóng góp của ñề tài
ðề tài ñược thực hiện với các mục chính như sau:
-Giới thiệu về thuật toán di truyền, phân tích các ñặc ñiểm chính và một số ưu nhược
ñiểm của thuật toán.
-Xây dựng một số phương pháp ñể sử dụng thuật toán này trong việc giải các bài toán
ñiều ñộ tổ máy và tính giá cân bằng cho thị trường ñiện ngày tới ñể từ ñó có một số kết
luận quan trọng cho việc tiếp tục ứng dụng thuật toán này cho các bài toán khác của hệ
thống ñiện.
-ðem lại những cách tiếp cận mới cho những bài toán trong hệ thống ñiện, từ ñó có thể
xem xét khả năng áp dụng vào trong thực tế sản xuất năng lượng nhờ những ưu ñiểm và cả
khả năng kết hợp với thuật toán tối ưu khác của thuật toán di truyền.
-ðề xuất một số cải tiến trong xây dựng bài toán và phương thức tính toán cũng là

những ñóng góp quan trọng của ñề tài.
Bài toán có thể không mới, ñã từng ñược giải quyết bằng nhiều phương pháp khác nhau
tuy nhiên, việc giải bằng thuật toán di truyền ñưa lại một hướng ñi mới và linh hoạt trong
cách xử lí, ngay cả khi có những thay ñổi trong các yếu tố ñầu vào của bài toán ñó.

3. Nội dung chính của ñề tài:
ðề tài bao gồm các chương với nội dung chính như sau:
-Phần mở ñầu
-Chương 1: Cơ sở lý thuyết của thuật toán di truyền.
-Chương 2: Bài toán ñiều ñộ tổ máy và xác ñịnh giá cân bằng của thị trường ñiện ngày
tới
-Chương 3: Tính toán áp dụng cho thị trường ñiện tại Việt Nam.
-Chương cuối: Kết luận chung và các hướng phát triển của ñề tài.


Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
2
CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA THUẬT TOÁN DI TRUYỀN

1.1 Giới thiệu chung
Thuật toán di truyền nằm trong một lớp các phương pháp giải toán và tìm kiếm tối ưu
có tên gọi chung là Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence_AI).

Hình 1.1: Trí tuệ nhân tạo và các yếu tố tác ñộng.
Từ khi ra ñời vào năm 1956 ñến nay, ngành trí tuệ nhân tạo ñã trải qua nhiều giai ñoạn
thăng trầm và ñạt ñược những thành tựu to lớn trong việc ứng dụng tính toán cho các bài

toán kinh tế - kỹ thuật vào cuối những năm 80 và những năm 90 của thế kỷ trước. Từ ñó
ñến nay, các thuật toán trí tuệ nhân tạo luôn là một trong những sự lựa chọn hàng ñầu cho
việc giải các bài toán có khối lượng tính toán lớn, không gian tìm nghiệm rộng và mô hình
bài toán phức tạp. ðặc biệt là ñối với những bài toán ña mục tiêu và những bài toán không
nhất thiết phải tìm ñược tối ưu tuyệt ñối mà chỉ cần những nghiệm lân cận thì các thuật
toán trí tuệ nhân tạo luôn thể hiện ưu thế vượt trội. Thuật toán trí tuệ nhân tạo bao gồm một
số thành phần chính như sau: lập trình tiến hoá (Evolutionary Programming_EP), thuật
toán di truyền (Genetic Algorithm_GA), hệ Nơron, tìm kiếm Tabu (Tabu Search), hệ mờ
(Fuzzy)…


Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
3

Hình 1.2 Các mốc quan trọng trong sự phát triển của ngành trí tuệ nhân tạo

1.2 Các ñặc tính của thuật toán di truyền
Giống như thuật toán tiến hoá nói chung, thuật toán di truyền hình thành dựa trên quan
niệm cho rằng quá trình tiến hoá tự nhiên là quá trình hoàn hảo và hợp lý nhất và tự nó ñã
mang tính tối ưu. ðây là một tiên ñề ñúng, không thể chứng minh ñược nhưng phù hợp với
thực tế khách quan. Trong tính tối ưu trong tự nhiên thể hiện ở chỗ thế hệ sau bao giờ cũng
tốt hơn thế hệ trước nhờ hai quá trình cơ bản là sinh sản và chọn lọc tự nhiên. Những cá thể
nào phát triển thích nghi với môi trường sẽ tồn tại và ngược lại, những cá thể nào không
thích nghi với môi trường sẽ bị ñào thải. Sự thay ñổi của môi trường sẽ tác ñộng tới qúa
trình tiến hoá và bản thân quá trình tiến hoá cũng có tác ñộng làm thay ñổi môi trường. Cá
thể mới sinh ra trong quá trình tiến hoá nhờ vào sự lai ghép ở thế hệ cha-mẹ. Một cá thể
mới có thể mang những ñặc tính của cha-mẹ ở thế hệ trước (di truyền) hoặc mang những

ñặc tính mới hoàn toàn (ñột biến). Di truyền và ñột biến là hai cơ chế quan trọng như nhau
trong quá trình tiến hoá mặc dù xác suất ñể xảy ra hiện tượng ñột biến nhỏ nhiều (hàng
chục ñến hàng trăm lần tuỳ từng quá trình) so với hiện tượng di truyền. Mặc dù cơ chế là
ngẫu nhiên nhưng thuật toán di truyền không phải là một thuật toán ngẫu nhiên. Thuật toán
khai thác và tận dụng ñược một cách hiệu quả thông tin quá khứ ñể có ñược những kết quả
mới ñạt kết quả như mong muốn. Các cải tiến trong việc sử dụng thuật toán di truyền ñã
làm tăng thêm hiệu quả của việc sử dụng thuật toán trong các bài toán phức tạp. ðiều này
thể hiện ở việc giảm thời gian tính toán do các quá trình diễn ra trong thuật toán ngày càng
hiệu quả mà ta sẽ tìm hiểu cụ thể hơn ở dưới ñây.

1.2.1 Các quá trình cơ bản trong thuật toán di truyền:
a,Mã hoá dữ liệu hay còn gọi là biểu diễn di truyền cho lời giải của bài toán: ðây là
bước ñầu tiên và rất quan trọng ñối với việc tìm ra lời giải của bài toán. Mỗi lời giải của
bài toán ñược biểu diễn dưới dạng một chuỗi kí tự hữu hạn hay còn ñược gọi là một nhiễm
sắc thể. Các kí tự có thể là số nhị phân, số thập phân,… tuỳ vào từng bài toán cụ thể. Trong
quá trình này, việc mã hoá cái gì, mã hoá như thế nào, trật tự các thành phần trong nhiễm
sắc thể ra sao,… luôn là những thách thức cho những người giải toán.


Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
4
b,Khởi tạo quần thể hay còn gọi là xây dựng tập hợp nghiệm (có thể ngẫu nhiên hoặc
không ngẫu nhiên) ban ñầu: Có nhiều cách ñể khởi tạo giá trị quần thể nghiệm ban ñầu, tuỳ
từng bài toán mà ta lựa phương pháp phù hợp. Thông thường, hệ nghiệm ban ñầu ñược
chọn ngẫu nhiên trong không gian tìm kiếm. Tuy vậy, việc chọn này cũng cần phải xem
xét về tương quan giữa ñộ thích nghi của các nhiễm sắc thể ñể tránh tình trạng nghiệm tìm
ra là nghiệm tối ưu cục bộ hay còn gọi là cực trị ñịa phương. Còn vấn ñề số lượng nghiệm

của tập nghiệm hay qui mô của quần thể cũng cần ñược xem xét kỹ dựa vào ñộ phức tập
của bài toán, ñộ chính xác yêu cầu (cao hay thấp) và thời gian tính toán yêu cầu (nhanh hay
chậm).

c,Xác ñịnh hàm thích nghi hay hàm lượng giá cho mỗi nhiễm sắc thể hay chính là cho
các phương án nghiệm trong tập nghiệm. Hàm này dùng ñể ñánh giá ñộ thích nghi của các
nhiễm sắc thể. Hàm thích nghi cần phải ñánh giá ñược mức ñộ thích nghi cho tất cả các
nghiệm khả thi và luôn ñược giả ñịnh là không âm ñể hiện ñộ thích nghi của các cá thể.
Công thức biểu diễn hàm cần phải thể hiện ñược tất cả các ñặc tính mong muốn của nhiễm
sắc thể, thông qua ñó có thể chọn lọc ñược các quần thể nghiệm tốt nhất cho bài toán.

d,Quá trình lai ghép: ñây là qúa trình nhiễm sắc thể mới ñược hình thành dựa trên
nhiễm sắc thể cha-mẹ bằng cách ghép một hay nhiều ñoạn nhiễm sắc thể cha mẹ với nhau.
Phép lai ghép xảy ra với xác suất là p
1
có thể ñược mô phỏng như sau:
*Chọn hai (hay nhiều) cá thể bất kì trong quần thể. Quần thể ở ñây bao gồm các
nhiễm sắc thể (cha-mẹ) có ñộ dài bằng nhau.
*Chọn ñiểm lai là một ñiểm có vị trí bất kì (như nhau) trên nhiễm sắc thể cha-mẹ
và thực hiện hoán ñổi các ñoạn gen của nhiễm sắc thể cha-mẹ tại ñiểm lai này.
*ðưa hai cá thể này vào quần thể ñể thực hiện vào các quá trình tiến hoá tiếp theo.


Nhiễm sắc thể cha-mẹ:
0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0
↕ ñiểm lai ghép
1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1

Hai nhiễm sắc thể con ñược sinh ra sau quá trình lai ghép:
0 1 1 1 0

1 0 0 0 1 1 0 0

1 0 1 0 0
1 0 0 0 1 1 0 0

Tuy nhiên trong quá trình tồn tại và phát triển, thuật toán di truyền ñã ñược bổ sung rất
nhiều các phương pháp lai ghép ñể nhằm thích ứng với nhiều kiểu bài toán và cũng là ñể
tăng hiệu quả của thuật toán. Có thể kể một số phép lai cải tiến như sau:
+Lai ghép có xét tới các ñặc tính trội và lặn trong tự nhiên. Các ñặc tính này ñược qui
ñinh trước trong khi biểu diễn cấu trúc nhiễm sắc thể. Bằng việc xem xét tới các ñặc tính
trội-lặn, quá trình sản sinh ra các “quần thể chất lượng tốt” sẽ nhanh hơn va do ñó thời gian
tính toán cũng ñược rút ngắn.
+Lai ghép từng phần (PMX_Partially-Matched Crossover). Việc giữ lại những ñoạn mã
ñã “tối ưu” trong nhiễm sắc thể cũng là một cách ñể quá trình lai ghép trở nên hiệu quả
hơn.

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
5
+Lai ghép có trật tự (OX_Order Crossover):
+Lai ghép dựa trên vị trí (PBX_Position_Based Crosover)
+Lai ghép chu trình (CX_Cycle Crossover)
+Lai ghép thứ tự tuyến tính (LOX_Liner Order Crossover)
+Lai ghép ña ñiểm (MX_Multipoint Crossover): với phương pháp này, chũng ta có thể
cho 2 cá thể lai ghép ở 2 hay nhiều ñiểm lai ghép. Phương thức này làm cho thuật toán trở
nên linh hoạt hơn, nhờ ñó các thế hệ cá thể con cũng có sẽ có chất lượng tốt hơn.

e, Quá trình ñột biến là quá trình cá thể con mang một hay một số tính trạng không có

trong mã di truyền của cha-mẹ. Quá trình này xảy ra với xác suất p
2
(nhỏ hơn nhiều so với
p
1
) có thể ñược mô tả như sau:
*Chọn ngẫu nhiên một cá thể bất kì trong quần thể
*Chọn một gen bất kì của cá thể vừa chọn
*Thay ñổi giá trị gen ñó (ñối với cách mã hoá gen theo số nhị phân thì quá trình
thay ñổi giá trị là ñổi giá trị từ 0 thành 1 hoặc từ 1 thành 0) rồi trả về quần thể ñể thực hiện
các quá trình tiếp theo.
Nhiễm sắc thể trước ñột biến:
0 1 1
1
0 1 0 0 0 1 1 0 0
↑ ñiểm tạo ñột biến
Nhiễm sắc thể sau ñột biến:
0 1 1
0
0 1 0 0 0 1 1 0 0

Tương tự như quá trình lai ghép, trong quá trình phát triển của thuật toán di truyền cũng
ñã ñược bổ sung rất nhiều cách thức ñể thực hiện qúa trình gây ñột biến ngày càng hiệu
quả hơn:
+ðột biến ñảo ngược (Inversion Mutation)
+ðột biến chèn (Insertion Mutation)
+ðột biến thay thế (Replacement Mutation)
+ðột biến tương hỗ (Reciprocal Exchange Mutation)
+ðột biến dịch chuyển (Shift Mutation)

f,Quá trình chọn lọc quá trình mà các cá thể mới sinh ra ñược giữ lại (hay loại bỏ) khỏi
quần thể dựa vào ñộ thích nghi của chúng. ðộ thích nghi ở ñây thường là một hàm gán một
giá trị thực cho các cá thể trong quần thể. ðối với quá trình này có rất nhiều cách ñể xác
ñịnh trình tự tính toán và thực hiện tuỳ vào cách lựa chọn ñộ thích nghi của cá thể nói riêng
và của cả quần thể nói chung.

1.2.2 Các tham số của thuật toán di truyền (hay còn gọi là các thông số ñiều khiển của
thuật toán):
+kích cỡ hệ nghiệm (pop-size): số lượng cá thể phù hợp trong mỗi thế hệ.
+xác suất lai tạo (p
c
): xác suất ñể mỗi cá thể trong quần thể ñược tham gia quá trình
lai ghép.
+xác suất ñột biến (p
m
): xác suất ñể mỗi bít trong nhiễm sắc thể bị ñột biến.
Thông thường, kích cỡ của quần thể phụ thuộc vào ñộ phức tạp của bài toán. Bài toán
càng phức tạp, nhiều ràng buộc -ñơn hoặc ña mục tiêu- thì cần phải số lượng cá thể trong
mỗi thế hệ càng phải lớn. Hai thông số xác suất trong quá trình di truyền có khoảng giá trị
rất khác nhau. ðối với xác suất lai tạo, giá trị thường rơi trong khoảng 0,5-0,95 nhưng giá

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
6
trị thông thường của xác suất ñột biến thấp hơn nhiều, chỉ ở khoảng 0,001-0,05. ðiều này
cũng phải ánh ñúng xác suất xảy ra hai quá trình trong thực tế.
Từ một ví dụ trên ñây có thể tính ñược một số ưu ñiểm của thuật toán di truyền như
phương pháp này tìm từ một quần thể các ñiểm chứ không phải một ñiểm. ðiều này làm

cho việc giải các bài toán ña mục tiêu hay việc tìm một tập hợp các phương án lân cận
nghiệm trở nên dễ dàng. Thêm vào ñó, việc ñánh giá thông tin bằng hàm mục tiêu chứ
không dùng ñạo hàm hay các tri thức bổ sung cũng là một ưu ñiểm của thuật toán.

.

Hình 1.3 Sơ ñồ quá trình tính toán của thuật toán di truyền
Nhận xét cụ thể các bước trong quá trình trong hình 1.3:
Khởi tạo quần thể ban ñầu (tạo các chuỗi
bằng phương pháp ngẫu nhiên)
ðánh giá các cá thể bằng hàm thích nghi
Tạo quần thể kế tiếp bằng quá trình chọn lọc
Thực hiện quá trình di truyền thông qua các
cơ chế lai ghép và ñột biến
Kết thúc-In (lưu) kết quả tính toán
ðánh giá quần thể mới
Khởi tạo/lựa chọn các thông số cho quá trình
tính toán theo thuật toán di truyền
Thoã mãn ñiều kiện
Không thoã mãn
ñiều kiện

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện

ðại học ðiện lực _11/2007
7
Bước 1: Khởi tạo/lựa chọn các thông số cho quá trình tính toán: Bước này người lập
trình tính toán phải lựa chọn các thông số như: số lượng cá thể trong quần thể, cách thức
hoá bài toán cần tính toán dưới dạng các nhiễm sắc thể (ñộ dài của nhiễm sắc thể, kiểu số
biểu diễn dữ liệu,…), số thế hệ tính toán, xác suất lai ghép, xác suất ñột biến, hàm thích
ghi…
Bước 2: Khởi tạo quần thể ban ñầu: xác ñịnh bằng phương pháp tạo số ngẫu nhiên ñể
tạo giá trị cho các nhiễm sắc thể cho quần thể ban ñầu. Tuỳ vào cách biểu diễn của các
nhiễm sắc thể mà ta chọn phương pháp tạo số ngẫu nhiên phù hợp.
Bước 3: ðánh giá các nhiễm sắc thể bằng hàm thích nghi ñã xác ñịnh ở bước 1.
Trong bước này, ngoài việc ñánh giá các nhiễm sắc thể riêng rẽ, chúng ta còn có thể ñánh
giá ñộ thích nghi của một nhiễm sắc thể hay cả quần thể. Nếu một nhóm hay cả quần thể
có ñộ thích nghi “trung bình” (theo tiêu chí của từng trường hợp của người lập trình) thấp
thì có thể loại nhóm nhiễm sắc thể hay quần thể ñó ra khỏi quá trình di truyền.
Bước 4: Thực hiện quá trình di truyền thông qua các cơ chế lai ghép và ñột biến. Có
thể thực hiện lần lượt hai quá trình này hoặc thực hiện ñồng thời theo các phương pháp ñã
ñề cập bên trên. Trong quá trình thực hiện thuật toán di truyền, giai ñoạn này là giai ñoạn
mà mỗi người có thể thực hiện theo những phương pháp rất khác nhau. Giai ñoạn này cũng
là giai ñoạn quyết ñịnh tới sự thành công của thuật toán. Người thực hiện cũng có thể ñưa
ra những phương thức tiến hành lai ghép hay ñột biến mới trong giai ñoạn này. Trong quá
trình thực hiện, ñể có ñược một bộ các thông số lai ghép hay ñột biến hiệu quả, người lập
trình thường phải trải qua nhiều bước tính toán thử. Khâu này phụ thuộc nhiều vào kinh
nghiệm và kỹ năng tính toán của người lập trình.
Bước 5: Tạo quần thể mới bằng quá trình chọn lọc. Quá trình này cũng dựa vào ñánh
giá các nhiễm sắc thể thông qua hàm thích nghi. Cá thể nào có ñộ thích nghi cao sẽ ñược
giữ lại cho thế hệ kế tiếp. Cũng giống như ở bước 3, chúng ta có thể sử dụng những hàm
thích nghi phù hợp ñể ñánh giá từng cá thể ñơn lẻ hoặc cả một nhóm các cá thể. Sau quá
trình này, nhóm cá thể nào thoã mãn tiêu chuẩn ñánh giá với với mức ñộ từ cao xuống thấp
sẽ ñược ñưa vào quần thể mới

Bước 6: ðánh giá quần thể vừa có ñược trong bước 5. Thông thường có hai tiêu chí
ñể dừng quá trình di truyền tại bước này. Thứ nhất, ñộ thích nghi của từng cá thể và cả
quần thể thoả mãn một ñiều kiện hội tụ ñã ñược ñặt ra ban ñầu. Các ñiều kiện hội tụ thể
hiện mức ñộ chấp nhận ñược của kết quả tìm ñược. Thứ hai, quần thể mới tạo thành là
quần thể ở thế hệ thứ (N+1) với N là số thế hệ dự ñịnh tính toán ñã giả thiết ban ñầu. Trong
khi thực hiện các quá trình di truyền, những ngưòi tính toán có thể ñưa các tiêu chí riêng ñể
dừng quá trình di truyền. Các tiêu chí ñưa ra góp phần quyết ñịnh tới thành công của thuật
toán.

1.2.3 Bài toán người du lịch.
Nội dung của bài toán ñược mô tả như sau: Một nguời khách du lịch ñến một ñất nước
nọ. Anh ta muốn ñi thăm tất cả các thành phố nổi tiếng của ñất nước ñó nhưng muốn mỗi
thành phố chỉ ñi qua một lần rồi trở ñiểm xuất phát. Chi phí di chuyển giữa các thành phố
ñược cho trước. Cần xây dựng một lộ trình thoã mãn yêu cầu của anh ta với chi phí di
chuyển là nhỏ nhất. ðây là một bài toán tối ưu tổ hợp, giải bài toán này bằng thuật toán di
truyền ta sẽ có thể hiểu thêm cách tiếp cận trong việc sử dụng thuật toán này ñể giải các bài
toán trong hệ thống ñiện. Bài toán du lịch này có thể ñược giải bằng nhiều phương pháp
như phương pháp cận nhánh, phương pháp tìm kiếm heuristic (tìm kiếm theo kinh nghiệm)

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
8
hay phương pháp gần ñúng,… Với phương pháp di truyền, ta có thể giải bài toán này theo
các bước như dưới ñây.
Biểu diễn nhiễm sắc thể. Việc biểu diễn nhiễm sắc thể của quần thể là một bước trọng,
có tác ñộng mạnh tới ñộ chính xác và thời gian chính xác của quá trình tính toán. Ở bài
toán này, nếu chúng ta dùng cách biểu diễn nhị phân sẽ gặp phải các vấn ñề sau ñây. Giả
sử có n thành phố cần ñi thăm, mỗi thành phố sẽ phải mã hoá bằng một chuỗi [log

2
(n)] bít
và khi ñó nhiễm sắc thể sẽ là một chuỗi với ñộ dài là n*[log
2
(n)] bít (cần chú ý rằng nếu
log
2
(n) không phải là số nguyên thì ta làm tròn lên số nguyên gần nhất). Như vậy khi thực
hiện các phép toán di truyền có thể tạo ra một lộ trình không phù hợp với yêu cầu của bài
toán như là có thể sẽ ñi thăm một thành phố nào ñó 2 lần. Thêm vào ñó, giả sử ñối với một
bài toán có 25 thành phố ñược ñánh số từ 1 ñến 20, ta phải dùng một chuỗi 5 bít ñể biểu
diễn mã của các thành phố này nhưng sẽ ñể ý thấy chuỗi số [11110] không biểu diễn cho
thành phố nào cả vì với chuỗi số 5 bít ta có thể biểu diễn cho 33 thành phố (tương ứng với
các số từ 0 tới 32). Như vậy, nếu áp dụng thuật toán lai ghép và ñột biến như truyền thống
ta sẽ tìm ñược những nghiệm không thuộc không gian tìm kiếm. Tuy rằng ñiều này có thể
khắc phục bằng cách sử dụng thuật tự sửa chữa ñể ñưa nghiệm không hợp lệ về không gian
tìm kiếm nhưng ñiều này sẽ làm cho bài toán tở lên phức tạp hơn, ảnh hưởng tới thời gian
và ñộ chính xác của thuật giải. Như vậy trong trường hợp này, ta sẽ ñánh số cho các thành
phố và dùng một vecto nguyên ñể biểu diễn nhiễm sắc thể cho lộ trình ñi. Như vậy, việc
kết hợp các hiểu biết về bài toán vào thuật giải ñã giúp chúng ta rút ngắn thời gian tính
toán và tránh ñược việc phải dùng thuật giải sửa chữa. Với các biểu diễn nhiễm sắc thể
này, một vecto các thành phần nguyên v=<i
1
, i
2
,…i
n-1
, i
n
> sẽ biểu diễn một lộ trình ñi từ i

1

tới i
2
…tới i
n-1
rồi qua i
n
ñể trở về i
1
. Ở ñây, vecto v chính là một hoán vị của vecto <1, 2,
…n>.
Khởi tạo quần thể ban ñầu. ðối với quá trình này, ta có thể sử dụng thuật toán heuristic
hay một cách ñơn giản nhất là chọn ngẫu nhiên các cá thể từ các hoán vị của vecto <1, 2,
…n>.
Xác ñịnh ñộ thích nghi. Với bài toán này, yêu cầu là khá rõ ràng nên ñộ thích nghi của
các nhiễm sắc thể chính là tổng chi phí ñi lại giữa các thành phố trong lộ trình. Vấn ñề ở
ñây là cần phải biết trước chi phí ñi lại giữa các thành phố.
Các phép toán di truyền. ðối với cách biểu diễn nhiễm sắc thể như trên, việc tiến hành
lai ghép hay ñột biến có một số ñiểm khác so với cách ñã trình bày ở trên. Có thể lấy ví dụ
như sau:
Cá thể bố-mẹ:
<1 2 3 5 7 8 6 4 9 10>
<1 8 2 9 10 4 6 5 3 7>
Ta phải chọn thứ tự lộ trình từ 1 cá thể ñể tiến hành lai ghép và ñảm bảo thứ tự cấu trúc
ở cá thể kia. Giả sử nhóm dùng lai ghép là 5 7 8 như trên, ta có cá thể con như sau:
<1 2 9 5 7 8 10 4 6 3 >
Như vậy, cá thể con sinh ra có quan hệ cấu trúc với cả hai cá thể cha mẹ và vai trò của
nhiễm sắc thể có thể ñược hoán ñổi khi tạo cá thể con thứ 2.
ðối với quá trình ñột biến, phương pháp tiến hành ñơn giản hơn nhiều bằng cách hoán

ñổi 2 vị trí bất kì trong nhiễm sắc thể ñược chọn ñể gây ñột biến. Có thể lấy ví dụ minh hoạ
như sau:
Nhiễm sắc thể ban ñầu:
< 1 3 4 6 8 9 2 7 10 5>

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
9
Nhiễm sắc thể sau khi gây ñột biến bằng cách hoán ñổi giá trị 2 vị trí 3 và 9 như trong
hình:
< 1 3 10 6 8 9 2 7 4 5>
Trên ñây chỉ trình bày những bước cơ bản nhất và cũng là những bước ban ñầu trong
việc ứng dụng thuật toán di truyền ñể giải bài toán ngưòi du lịch. Tác giả ñã cố gắng tổng
hợp và ñưa ra những bước giải chính, thể hiện ñầy ñủ các tính chất ñặc trưng của thuật
toán. Với những tính chất ñặc biệt, thuật toán di truyền ñã ñược xem như là một phương
pháp hiệu quả trong việc giải các bài toán tối ưu mà ta sẽ xét trong các chương sau ñây.



Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
10

CHƯƠNG 2
ðIỀU ðỘ TỔ MÁY VÀ XÁC ðỊNH GIÁ CÂN BẰNG CHO THỊ
TRƯỜNG ðIỆN NGÀY TỚI

2.1 Giới thiệu chung
Ngành công nghiệp năng lượng ở nhiều nước trên thế giới ñang có xu hướng chuyển từ
ñiều tiết tập trung sang phi ñiều tiết, hoạt ñộng theo ñịnh hướng thị trường. Trong ngành
công nghiệp năng lượng nói chung hay ñiện năng nói riêng, khi hoạt ñộng theo mô hình
ñiều tiết tập trung, kế hoạch sản xuất ñược lập ra nhằm cực tiểu chi phí sản xuất. Trong thị
trường ñiện cạnh tranh, các nguồn ñiện ñược ñiều ñộ dựa theo các bản chào mua và chào
bán của những người mua và bán trên thị trường.
Một trong những mô hình thị trường ñiện cạnh tranh là mô hình thị trường ñấu giá, nơi
mà các thành phần tham gia thị trường phải ñưa ra các bản chào mua hoặc bán ñiện năng.
Trong thị trường ñấu giá ñiện năng, có hai thành phần chính tham gia ñó là các công ty
phân phối (DISCOs) và các công ty phát ñiện (GENCOs). Các thành phần tham gia này
ñưa các bản chào giá mua hoặc bán của họ tới công ty vận hành hệ thống ñộc lập (ISO
Company_Independent System Operation Company). Mỗi bản chào giá bán sẽ ñưa ra giá
bán cho 1MW và sản lượng (MW) mà công ty sẵn sàng phát trong những khoảng thời gian
nhất ñịnh. Mỗi bản chào giá mua ñưa ra giá mua cho 1MW và sản lượng MW mà công ty
phân phối sẵn sàng mua trong những khoảng thời gian nhất ñịnh. Trong mô hình thị trường
ñiện ở ñây, ta không ñề cập trực tiếp tới thị trường công suất phản kháng và chi phí truyền
tải.
2.2 Mô hình thị trường chào giá tại một nút
Trước tiên, ta xét thị trường ñấu giá tại một nút. ðường cung và ñường cầu ñược tại nút
ñược minh hoạ như hình 4.1. ðường cung ñược hình thành nên bằng cách sắp xếp các bản
chào bán theo thứ tự giá bán tăng dần. Ngược lại, ñường cầu ñược xây dựng bằng cách sắp
xếp các bản chào giá mua theo thứ tự giá mua giảm dần. Trong hình 2.1, trục x thể hiện giá
trị tích luỹ của sản lượng ñầu giá và trục y thể hiện giá trị tích luỹ của các giá ñấu giá. Giao
ñiểm của hai ñường này cho ta biết giá và sản lượng giao dịch tại nút ñang xét. Lợi nhuận
của các thành phần tham gia thị trường ñược mô tả như trong hình 2.1.

ðường cầu
ðường cung
Sản lượng cân bằng
Giá
cân
bằn
g

0

Sản lượng chào
Giá chào
Lợi nhuận người mua
Lợi nhuận người bán

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện

ðại học ðiện lực _11/2007
11

Hình 2.1 Lợi nhuận của các thành phần tham gia thị trường
Ngoài ra, mô hình ñấu giá tại một nút cũng có thể ñược mô tả một cách toán học như
dưới ñây:
Giả sử rằng có M
k
bản chào giá bán và N
k
bản chào giá mua ở nút thứ k. Gọi S
ik
là bản
chào giá bán thứ i tại nút k và S
ik
= {x
ik
s
, p
ik
s
} với x
ik
s
là giá bán còn p
ik
s
là sản lượng bán.
Tiếp ñó, gọi B

ik
là bản chào giá mua thứ i tại nút k và B
ik
= {x
ik
d
, p
ik
d
} với x
ik
d
là giá mua
còn p
ik
d
là sản lượng mua. Nếu
k
x
−
và
k
p
−
là giá và sản lượng giao ngay tại nút k, ta có thể
tính tổng lợi nhuận của các thành phần như sau:
∑∑
∈∈
−+−=
d

k
s
k
Nj
d
jk
k
d
ik
Mi
s
ik
s
ikkk
pxxpxxB ).().(
(2.1)
Trong ñó
d
ik
s
ik
pp ,
tương ứng là sản lượng ñược ñiều ñộ của các nhà cung cấp và các
phụ tải; M
sk
, N
ks
là số các nhà cung cấp và các phụ tải ñược ñiều ñộ trong tại thời ñiểm
ñang xét.

2.3 Mô hình chào giá ña nút
ðối với việc ñấu giá năng lượng ña nút, ta cần xét ñến các ñường dây truyền tải kết nối
giữa các nút chào giá. Chính những ñường dây truyền tải này tạo thêm các luồng công suất
p
k
, q
k
vào các nút trong hệ thống (so với việc xét các nút ñộc lập). Một luồng công suất
bơm vào một nút nào ñó có thể ñược coi như là có bản chào mua tăng thêm (hoặc là chào
bán tăng thêm nếu luồng công suất ñó có giá trị âm) của hệ thống với một sản lượng là p
k

tại mức giá bán (mua) là
k
x
−
, mức giá này bằng với mức giá cân bằng. Sẽ có hai trường
hợp xảy ra khi có những luồng công suất trao ñổi liên vùng. Trong trường hợp lượng công
suất P
k
tới nút ñược cung cấp bởi bản chào của máy phát ñã ñược ñiều ñộ. Khối lượng giao
ngay ở nút sẽ tăng nhưng mức giá thanh toán không thay ñổi. Nếu lượng công suất ñưa
thêm vào lớn hơn lượng công suất dự trữ của các máy phát ñã ñược ñiều ñộ thì mức giá ñể
huy ñộng lượng công suất thêm này sẽ lớn hơn mức giá hiện tại của nút. Và như vậy, giá
cân bằng tại nút sẽ tăng. ðây như là một tín hiệu ñể nút ñang xét có thể huy ñộng ñủ công
suất ñáp ứng cho nhu cầu của nút.
Thông qua lập luận trên, ta có thể thấy tác ñộng về giá và sản lượng giao ngay tại nút
khi có luồng công suất thực ñược bơm vào nút ñó. ðiều này có thể dẫn tới sự thay ñổi
trong tập hợp các nguồn cung và cầu ñược ñiều ñộ. Và như vậy, lợi nhuận của những thành
phần tham gia thị trường tại nút k sẽ ñược biểu diễn theo công suất sau:

k
k
Nj
d
jk
k
d
ik
Mi
s
ik
s
ik
k
k
pxpxxpxxB
d
k
s
k
.).().(
'''
''
−−+−=
∑∑
∈∈
(2.2)
Trong ñó,
s
k

s
k
NM
''
,
tương ứng là tập hợp các nhà cung cấp và phụ tải ñược ñiều ñộ ,
'
k
x
là giá cân bằng mới của nút và thành phần cuối cùng là lượng phải chi trả cho ñường
dây truyền tải hay chính là lượng phải trả cho lượng công suất bơm thêm vào nút. Từ công
thức trên ta có thể tính toán ñược lợi nhuận của tất cả các thành phần tham gia thị trường ở
tất cả các nút như sau:

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
12

}.).().({
'''
1
'
''
k
k
Nj
d
jk

k
d
ik
Mi
s
ik
s
ik
k
K
k
pxpxxpxxB
d
k
s
k
−−+−=
∑∑∑
∈∈
=
(2.3)
Trong ñó K là tổng số các nút trong hệ thống. Từ công thức trên dễ dàng thấy rằng lợi
nhuận của các thành phần tham gia thị trường tại mỗi nút là một hàm số phụ thuộc vào
công suất bơm vào nút ñó. Do vậy có thể thấy bài toán tối ưu lợi nhuận của tất cả các thành
phần tham gia thị trường ở tất cả các nút cũng giống như bài toán tối ưu hoá chế ñộ truyền
thống với một sự khác biệt là thay vì cực tiểu chi phí sản xuất thì hàm mục tiêu ở ñay là
cực ñại lợi nhuận của các bên tham gia thị trường.
Bài toán tối ưu trong phần này có thể ñược mô tả như sau:
Hàm mục tiêu: Cực ñại:
}.).().({

'''
1
''
k
k
Nj
d
jk
k
d
ik
Mi
s
ik
s
ik
k
K
k
pxpxxpxx
d
k
s
k
−−+−
∑∑∑
∈∈
=
(2.4)
Các hàm ràng buộc:

++ Giới hạn về lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng bơm và hệ thống từ
một nút bất kì:

kkk
kkk
qqq
ppp
≤≤
≤≤
(2.5)
với k = 1,…, K;
kkkk
qqpp ,,,
lần lượt là giá trị công suất tác dụng, công suất phản
nhỏ nhất, lớn nhất mà các máy phát có thể trao ñổi với nút k.

++Giới hạn về công suất chạy trên các ñường dây:
klkl
pp ≤
(2.6)
với
kl
p
là giá trị công suất lớn nhất có thể chạy trên ñường dây nối từ nút k tới nút l.
Công suất tác dụng và công suất phản kháng bơm vào nút k bất kì có thể ñược xác ñịnh
bằng tổng tất cả các luồng công suất thực và công suất phản kháng chạy trên các ñường
dây truyền tải có nối tới nút k:
∑
≠
=

=
K
kl
l
klk
pp
1
(2.7)
∑
≠
=
=
K
kl
l
klk
qq
1
(2.8)
với p
kl
và q
kl
lần lượt là công suất tác dụng và công suất phản kháng chạy trên ñường
dây truyền tải nối liền hai nút l và k. Hai giá trị công suất này ñược tính theo công thức
sau:
(
)
(
)

(
)
(
)
lklkkllklkkklkl
vvBvvvGp
θ
θ
θ
θ
−
−
−
−
=
sin cos
2
(2.9)
(
)
(
)
(
)
(
)
lklkkllklkkklkl
vvGvvvBp
θ
θ

θ
θ
−
+
−
−
−
=
sin cos
2
(2.10)
với G
kl
và B
kl
là thành phần thực và ảo của tổng dẫn trên ñường dây truyền tải nối nút k
và nút l; v
k
, θ
k
và v
l
, θ
l
lần lượt là giá trị ñiện áp và góc lệch pha tại ñiểm k và ñiểm l.


Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện

ðại học ðiện lực _11/2007
13

2.4 Áp dụng thuật toán di truyền ñể giải bài toán cực ñại hoá lợi nhuận trong thị trường
ñiện:
ðể thực hiện giải bài toán như ñã ñề cập ở trên, ta lấy một hệ thống bao gồm 17 nút với
sơ ñồ và các thông số lưới và thông số thị trường như ở dưới ñây:

Hình 2.2 Sơ ñồ một sợi của hệ thống 17 nút IEEE

Bảng 2.1 Bảng dữ liệu các ñường dây truyền tải
Tên ñường Nút ñầu Nút cuối X (pu) B (pu) Giới hạn (MW)
L1
1 16 0,0105 0,06045 960

L2
2 4 0,00115 0,0073 2470

L3
3 1 0,000733 0,002967 858

L4
3 4 0,00065 0,00535 1494

L5
4 5 0,0164 0,0966 286

L6
4 9 0,0678 0,1912 69

L7
5 7 0,0107 0,0631 286

L8
6 4 0,1525 0,07235 488

L9
7 12 0,0014 0,0082 286

L10
8 7 0,00125 0,00925 1144

L11
8 10 0,0099 0,0239 207

L12
9 1 0,1595 0,4272 69

L13
9 11 0,02535 0,06695 138

L14
11 12 0,0008 0,0045 1492

L15
11 14 0,1951 0,3683 61

L16
11 15 0,1467 0,3999 69

L17
12 6 0,0063 0,02995 488


Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
14

L18
13 11 0,043 0,0823 122

L19
13 12 0,0084 0,0543 488

L20
13 14 0,053167 0,0108 183

L21
14 15 0,0111 0,02405 152

L22
15 12 0,000967 0,008633 975

L23
16 13 0,0046 0,0323 488

L24
16 15 0,00395 0,0271 976

L25
26 17 0,0068 0,0645 747

L26
17 15 0,0023 0,0191 716


Bảng 2.2 Ràng buộc về công suất phản kháng tại các nút
Nút
k
q
(MVAr)
k
q
(MVAr)
Nút
k
q
(MVAr)
k
q
(MVAr)
1
187,6 -119
10
64 -72,8
2
400 -400
11

47 -62,6
3
0 0
12
403 -531
4
32,2 -21,68
13
43.5 -63
5
58,1 -92,4
14
0 0
6
96 -140
15
140 -124
7
66 71,6
16
468 -432
8
50 -50
17
0 0
9
0 0

Bảng 2.3 Bảng thông số chào bán ñiện tại các nút
Nút x

s
1k
p
s
1k
x
s
2k
p
s
2k
x
s
3k
p
s
3k
x
s
4k
p
s
4k
x
s
5k
p
s
5k
x

s
6k
p
s
6k
x
s
7k
p
s
7k

1
1,14 400 1,7 200
2
0,5 200 0,5 200 0,7 200 1,0 200 1,2 200 1,4 200
3

4
1,0 5 1,4 5
5
1,1 60 1,3 60
6
1,0 50 1,2 50 1,4 50 1,5 50
7
0,01 235
8
8,0 65 8,1 65 8,2 65 8,3 65
9

10
1,0 70 1,3 70
11
1,1 75 1,2 75 1,3 40 1,4 40
12
1,0 100 1,1 100 1,2 100 1,3 100 1,4 100 1,5 100 1,6 75
13
1,0 50 1,1 50 1,2 50 1,3 50
14

15
0,8 40 0,9 40 1,0 40
16
1,0 680 1,6 320
17


Bảng 2.4 Bảng thống số chào mua ñiện năng tại các nút
Nút Giá

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
15

1
0 4 19 31 23 7 0 0

2
4 33 133 195 124 33 6 0
3
0 6 27 28 14 8 1 0
4
0 9 35 35 34 7 0 0
5
0 5 12 11 12 2 1 0
6
0 2 2 2 2 0 0 0
7
0 1 6 11 6 0 0 0
8
1 10 54 55 32 15 0 1
9
0 1 4 13 4 2 0 0
10
0 5 18 15 7 3 0 0
11
25 25 88 166 93 29 2 0
12
0 0 5 4 4 2 0 0
13
0 17 57 97 54 12 1 2
14
0 3 14 18 11 1 1 0
15
10 40 176 257 187 45 5 0
16
2 9 63 79 48 14 0 0

17
2 21 86 167 88 20 0 0

ðể giải bài toán xác ñịnh giá cân bằng thị trường ñiện như mô hình ở trên ñã trình bày,
ta sẽ thực hiện lần lượt các bước như sau.
Thực hiện mã hoá dữ liệu xây dựng cấu trúc nhiễm sắc thể sử dụng trong thuật toán di
truyền. Vấn ñề ở ñây ñưa ra là tìm giá và sản lượng giao ngay tại tất cả các nút với mục
tiêu là tối ña hoá lợi nhuận cho tất cả các thành phần tham gia thị trường. Như chúng ta ñã
ñề cập ở phần trên, giá và sản lượng giao ngay ở mỗi nút phụ thuộc công suất tác dụng và
công suất phản kháng tại các nút ñó, các ñại lượng này lại phụ thuộc vào giá trị và goc lệch
pha của ñiện áp nút nên ở ñây ta sẽ mã hoá chuỗi công suất của các nút hoặc ñiện áp của
các nút. Ở ñây ta chọn cách mã hoá thông số theo công suất các nút. Trong hệ thống ñiện,
luôn có một nút cân bằng cho hệ thống và trong bài toán chế ñộ, công suất của nút này sẽ
phụ thuộc vào công suất tất cả các nút còn lại và vì vậy, ta sẽ dùng nhiễm sắc thể nhị phân
bao gồm 2x10x(K-1) bít ñể biểu diễn các ñại lượng công suất tại các nút. Số 2 thể hiện ta
biểu diễn cả công suất tác dụng và công suất phản kháng. Số 10 thể hiện mỗi giá trị công
suất ñược biểu diễn bằng một ñoạn gen có ñộ dài 10 bít. (K-1) thể hiện số nút ñược biểu
diễn trong sơ ñồ gen, nút cân bằng sẽ ñược tính qua bài toán Load-flow sau khi ñã có giá
trị công suất các nút khác.
Xác ñịnh hàm thích nghi. ðể ñơn giản cho bài toán, ta chọn luôn hàm mục tiêu làm hàm
thích nghi ñể ñánh giá ñộ thích nghi của mỗi cá thể:

}.).().({
'''
1
''
k
k
Nj
d

jk
k
d
ik
Mi
s
ik
s
ik
k
K
k
pxpxxpxxF
d
k
s
k
−−+−=
∑∑∑
∈∈
=
(2.11)
Ngoài việc ñánh giá các nhiễm sắc thể qua hàm thích nghi trên, các ñiều kiện ràng buộc
về giá trị giới hạn công suất trên các ñường dây truyền tải. Bằng phương pháp Gauss-
Seidel, các thông số của hệ thống sẽ ñược tính toán ñể kiểm tra các ñiều kiện ràng buộc.
Quá trình lai ghép và ñột biến. Như ñã trình bày ở trong chương 1, có rất nhiều cách
thực hiện quá trình lai ghép và ñột biến. Rất khó có thể ñánh giá cách thức thực hiện nào là
hiệu quả nhất vì ñiều này còn phụ thuộc vào hàm thích nghi và các thông số ñiều khiển quá

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện

ðại học ðiện lực _11/2007
16

trình di truyền. ðối với bài toán này, ta chọn phương thức lai ghép hai ñiểm và ñột biến hai
ñiểm ñể thực hiện quá trình di truyền.
Chọn lựa các thông số ñiều khiển của quá trình di truyền. Các thông số này bao gồm:
xác suất lai ghép p
c
, xác suất ñột biến p
m
, kích thước quần thể và số thế hệ sản sinh dự
kiến. Thông số cụ thể ta chọn như sau:
+ p
c
= 0,7
+ p
m
= 0,01
+ kích thước quần thể: 300 cá thể
+ số thế hệ tính toán: 300
ðể kết quả thu ñược chính xác hơn, ta thực hiện quá trình di truyền với các thông số
như trên 10 lần và lấy kết quả tốt nhất trong 10 lần chạy ñó. Cũng cần chú ý rằng, việc ñưa
ra tiêu chí ñể dừng quá trình di truyền có thể là số lượng thế hệ sản sinh hoặc bằng cách
ñánh giá ñộ thích nghi qua từng các thế ñược sản sinh. Nếu ñộ thích nghi tốt nhất, ñộ thích
nghi trung bình qua vài thế hệ thay ñổi trong khoảng nhỏ (ñược qui ñịnh trước) thì cũng có
thể cho dừng quá trình di truyền và lấy kết quả tính toán.
Các bước tính toán của thuật giải di truyền trong bài toán tìm giá cân bằng trong thị
trường ñiện:

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
17

Hình 2.3 Sơ ñồ biểu diễn các bước chính trong thuật toán di truyền

*Hình thành quần thể ñầu tiên: bằng cách lựa chọn ngẫu nhiên tập hợp các nghiệm ban
ñầu, với chú ý các giá trị công suất cần phải nằm trong khoảng cho phép ñã cho phía trên.
Trong thực tế vận hành, ñể chất lượng của các cá thể tốt, ta chủ ñộng chọn lựa một số giá
trị công suất ban ñầu dựa vào kết quả vận hành của các thời ñiểm tương ứng trong quá khứ.
*Giải bài toán chế ñộ của hệ thống: Dựa vào các công suất nút có ñược ở bước trên, giải
bài toán chế ñộ của hệ thống ñể có ñược công suất trên các nhánh, ñiện áp tại các nút ñể
kiểm tra các ñiều kiện ràng buộc. Nếu có cá thể nào vi phạm thì cần hiệu chỉnh về phạm vi
cho phép.

*ðánh giá ñộ thích nghi của quần thể và mỗi cá thể (nghiệm): sau khi ñã có một quần
thể “ñạt yêu cầu”, ta sẽ sử dụng hàm thích nghi ñể ñánh giá ñộ thích nghi của từng cá thể
và ñộ thích nghi trung bình của cả quần thể.

Hình thành quần thể ñầu tiên (i=0)
Giải bài toán chế ñộ của hệ thống
ðánh giá ñộ thích nghi
Ki
ểm tra số thế hệ
ñã sinh sản

Thực hiện quá trình lai ghép
Thực hiện quá trình ñột biến
Thực hiện quá trình chọn lọc
Hình thành thế hệ kế tiếp
i := i+1
Kết thúc-In kết quả
i > 10
i ≤ 10

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
18

*Kiểm tra số thế hệ ñã sản sinh: Kiểm tra xem thế hệ ñang xét là thế hệ thứ mấy nếu ñã
thoã mãn về số thế hệ di truyền ñề ra ban ñầu thì ta dừng quá trình di truyền, nếu chưa thoã
mãn thì ta tiếp tục thực hiện các bước như ở phía dưới ñây.

*Thực hiện quá trình lai ghép, quá trình ñột biến: Thực hiện lai ghép theo ñúng phương
pháp ñã trình bày

*Thực hiện quá trình chọn lọc, hình thành quần thể mới: Sau khi ñã có thế hệ con từ các
quá trình lai ghép và ñột biến, ta thực hiện quá trình chọn lọc các nhiễm sắc thể có ñộ thích
nghi cao. Ở ñây cần nhấn mạnh rằng ta không bỏ ñi toàn bộ các nhiễm sắc thể cha-mẹ ñã
tham gia quá trình lai ghép hay ñột biến mà lựa chọn ñể giữ lại các cá thể theo thứ tự ñộ
thích nghi từ cao xuống thấp ñể hình thành nên quần thể ở thế hệ kế tiếp.

Dưới ñây là kết quả của qúa trình tính toán:
Bảng 2.5 Thông số nút sau khi thiết lập cân bằng thị trường

Nút P (MW) Q (MVAR)
1
170

167

2
309

132

3
-79

-59

4
-104

-60

5
18

-10

6
44

21

7
212

79

8
-115

-86

9
-22

-16

10
27

12

11
-249

-139

12
244

377

13
-123

-70

14
-35

-27

15
-416

-175

16
475

119

17
-300

-34


Bảng 2.6 Giá trị công suất trên các ñường dây truyền tải
ðường dây P
lk

(MW) P
kl
(MW) ðường dây P
lk
(MW) P
kl
(MW)
L1
96 -95
L14
-215 216
L2
309 -308
L15
4 -4
L3
-54 54
L16
4 -4
L4
-24,47 24
L17
-130 131
L5
49 -49
L18
3 -3
L6
42 -41
L19

-10 9
L7
67 -66
L20
37 -36
L8
-86 87
L21
5 -5
L9
150 -150
L22
-296 298
L10
-128 129
L23
155 -154

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
19

L11
-27 27
L24
262 -259
L12
-19 20

L25
154 -152
L13
39 -38
L26
-148 148

Bảng 2.7 Bảng tổng hợp lợi nhuận của thị trường
Nút Giá
Tổng lợi nhuận
tại nút
Lợi nhuận của các bên
mua-bán ñiện trong nút
Lợi nhuận của
ñường dây
1
1.14 -179,03

14,61

-193,64

2
1.20 85,76

456,60

-370,84

3

1.10 102,57

16,20

86,37

4
1.20 137,91

13,40

124,51

5
1.10 -11,46

8,30

-19,76

6
1.20 -42,68

10,60

-53,76

7
1.10 27,84

260,74

-232,90

8
1.20 203,46

16,91

186,55

9
1.20 28,58

2,71

25,87

10
1.20 -14,71

17,80

-32,51

11
1.20 350,49

52,21

298,28

12
1.20 -260,63

31,80

-292,43

13
1.20 187,62

40,50

147,12

14
1.20 46,64

4,70

41,94

15
1.20 614,68

114,60

500,08

16
1.20 -412,34

157,90

-570,24

17
1.20 400,45

40,29

360,16

Tổng 1265,14

1320,34

5,29



Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
20

CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO THỊ TRƯỜNG ðIỆN VIỆT NAM

3.1 Một vài nét về thị trường ñiện Việt Nam.
3.1.1 Sự cần thiết phát triển thị trường ñiện
Sau hơn một thập kỷ nhu cầu ñiện tăng với tốc ñộ cao, ngành ñiện Việt Nam ñang
bước vào giai ñoạn phát triển mang tính quyết ñịnh. Ngành ñiện ñang ñối mặt với một loạt
những thách thức và vấn ñề cần giải quyết. Nếu không ñược giải quyết, sự phát triển của
ngành ñiện không thể bền vững. Các vấn ñề chính ñặt ra cho ngành ñiện ñược tóm tắt dưới
ñây:
Cận biên dự phòng công suất thấp ở mức nguy hiểm: Hiện tại (cuối năm 2006),
cầu ñỉnh vào khoảng 9.400 MW, công suất lắp ñặt xấp xỉ 11.500 MW, công suất khả dụng
vào khoảng 9.950 MW (không tính vào sửa chữa). Giá trị thực tế của công suất phát xấp xỉ
9.500 MW trong mùa khô, mùa lũ còn giảm thấp hơn do các hồ thủy ñiện phải giảm mức
nước hồ dành dung tích lũ. Cận biên dự phòng thấp cực tiểu như vậy không thể ñảm bảo
tính tin cậy và an ninh của hệ thống ñiện. Rất cần công suất mới ñể không xảy ra thiếu ñiện
trong tương lai.
Cầu tiếp tục tăng trưởng với tốc ñộ cao và các yêu cầu vốn lớn: Theo dự báo, cầu
sẽ tiếp tục tăng 15 – 16% một năm trong thời kỳ kế hoạch 2006 – 2010. Vào năm 2005,
tổng cầu ñiện năng khoảng 53,8 tỉ kWh và sẽ là từ 98 ñến 102 tỉ kWh vào năm 2010. Nói
cách khác, trong 5 năm tới, mỗi năm cần có xấp xỉ 2.500 MW công suất mới ñể ñáp ứng
nhu cầu ñược dự báo. ðáp ứng nhu cầu là vấn ñề then chốt ñối với mục tiêu phát triển kinh
tế của quốc gia. Theo tính toán của EVN, yêu cầu vốn ñầu tư hàng năm cho phát triểm
nguồn và lưới ñiện ñã vào khoảng 3 tỷ ñô la Mỹ trong giai ñoạn từ năm 2005 ñến 2010.
Lỗ hổng ngày càng lớn trong cấp vốn cho phát triển ngành: Trong Kế hoạch
Phát triển ngành ðiện Việt Nam sửa ñổi ñược Thủ tướng thông qua ngày 21/3/2003, Chính
phủ chỉ có thể cung cấp xấp xỉ 70% vốn ñầu tư cần thiết cho phát triển ngành ñiện. Như
vậy, trong giai ñoạn từ 2005 ñến 2010, cần có xấp xỉ 5 tỷ ñô la Mỹ vốn ñầu tư từ các nguồn
chi phi Chính phủ. Thu hút một lượng vốn ñầu tư phi Chính phủ lớn như vậy vào ngành
ñiện là một thách thức lớn ñặt ra cho EVN.
Thu hồi chi phí và nguồn thu nhập không ñủ: Hiện tại, mức giá ñiện trung bình xấp
xỉ 5,6 xen Mỹ/kWh, thấp hơn chi phí cận biên dài hạn ước tính là 7,0 xen Mỹ / kWh.

Không thể ñạt ñược và duy trì ñược khả năng tài chính của ngành ñiện nếu không có sự
tăng giá phù hợp.
Mâu thuẫn giữa biểu giá thống nhất trên toàn quốc và cải thiện trên cơ sở thị
trường: Do mật ñộ khách hàng khác nhau, do sự pha trộn giữa các khách hàng và do hoàn
cảnh ñịa lý, chi phí cung ứng ñiện tất yếu khác nhau giữa các khu vực khác nhau. EVN
không thể tiến dần ñến việc thành lập các công ty ñiện lực trách nhiễm hữu hạn cấp tỉnh và
cấp huyện vì có biểu giá thống nhất trên toàn quốc. Sở dĩ như vậy là do công ty trách
nhiệm hữu hạn chỉ có thể ñặt giá các dịch vụ ñiện năng do công ty cung cấp tại mức giá
thống nhất trên toàn quốc mà không cần quan tâm ñến chi phí cung cấp các dịch vụ. ðối
với EVN, biểu giá thống nhất trên toàn quốc ñòi hỏi EVN cung cấp trợ giá chéo giữa các
khu vực (các công ty ñiện lực) thông qua ñịnh giá chuyển tải ñiện bán buôn nội bộ. Thực
tiễn trợ giá chéo không khuyến khích các công ty ñiện lực cắt giảm các chi phí và nâng cao

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
21

hiệu năng. Biểu giá ñiện bán lẻ thống nhất trên toàn quốc mâu thuẫn với cải cách kinh tế
của Chính phủ và nguyên tắc ñịnh giá trên cơ sở chi phí.
Cải cách ngành ñiện, từng bước xây dựng thị trường ñiện nhằm giúp giải quyết tất cả
các vấn ñề ñược miêu tả trên ñây trở thành một nhu cầu cấp thiết. Xuất phát từ tình hình
hiện nay của ngành ñiện, cải cách cần tập trung vào các ưu tiên hàng ñầu sau ñây:
- Thiết lập một khuôn khổ ñiều tiết và pháp lý rõ ràng và lành mạnh nhằm thu hút
ñầu tư phi Chính phủ vào ñiện, góp phần ñáp ứng nhu cầu ñiện ñang tăng lên nhanh chóng;
- Tái cơ cấu EVN, từng bước ñưa cạnh tranh vào lĩnh vực phát ñiện, phân phối ñiện
và xây dựng các quy tắc kinh tế cho các dịch vụ truyền tải ñể nâng cao hiệu năng và trách
nhiệm giải trình của ngành ñiện;
- Thiết lập các quy ñịnh và tiêu chuẩn giá rõ ràng và minh bạch, phản ánh chi phí

cung ứng dịch vụ nhằm nâng cao khả năng và sự vững mạnh về tài chính của ngành ñiện;
và
- Từng bước loại bỏ biểu giá ñiện bán lẻ thống nhất trên toàn quốc bằng việc thực thi
chính sách và cơ chế trợ giá phù hợp nhằm ñạt ñược các mục tiêu phát triển xã hội của
Chính phủ.
- Một vấn ñề quan trọng nữa của ngành ñiện Việt Nam là ñiện khí hóa nông thôn.
Việt Nam ñã xây dựng Chương trình ðiện khí hóa nông thôn và EVN ñang thực hiện
chương trình này.

3.1.2 Quan ñiểm xây dựng và phát triển thị trường ñiện Việt Nam
- Phù hợp với mục tiêu cải tổ của Chính phủ

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
22

Gð2:

TT Bán buôn
ñiện cạnh
tranh
Gð3: TT Bán lẻ
ñiện cạnh
tranh
Gð1: TT Phát ñiện cạnh
tranh
một người mua

TT nội bộ EVN
TT phát ñiện
hoàn chỉnh
TT bán buôn thử
nghiệm
TTð bán buôn
hoàn chỉnh
TT bán lẻ thử
nghiệm
TT bán lẻ hoàn
chỉnh

Hình 3.1 Các giai ñoạn phát triển thị trường ñiện ở Việt Nam
Việc xây dựng từng bước ñi cụ thể cho phát triển thị trường ñiện tại Việt Nam phải
thỏa mãn ñược các mục tiêu ngắn hạn và dài hạn của Chính phủ về cải tổ ngành ñiện. Từ
năm 1995, Chính phủ ñã ñưa ra các mục tiêu cơ bản của cải tổ ngành ñiện Việt Nam. Các
mục tiêu này ñược cập nhật bổ sung qua các năm. Một số mục tiêu chính là (i) Thu hút vốn
ñầu tư tư nhân, giảm gánh nặng ñầu tư của nhà nước cho ngành ñiện; (ii) Tăng cường hiệu
quả kinh tế của ngành ñiện; (iii) Phát triển thị trường ñiện, xóa bỏ bao cấp trong ngành
ñiện, tăng quyền lựa chọn mua ñiện cho khách hàng sử dụng ñiện; (iiii) ðảm bảo cung cấp
ñiện ổn ñịnh, tin cậy và chất lượng; (iiiii) ðảm bảo phát triển ngành ñiện bền vững.
- Phát triển thị trường qua từng cấp ñộ
Luật ñiện lực ñược thông qua tháng 12/2004 ñã khẳng ñịnh “Thị trường ñiện lực
ñược hình thành và phát triển theo thứ tự các cấp ñộ sau ñây: thị trường phát triển ñiện
cạnh tranh, thị trường bán buôn ñiện cạnh tranh, thị trường bán lẻ ñiện cạnh tranh”. Việc
xây dựng bước ñi cụ thể của thị trường phải theo ñúng trình tự các cấp ñộ thị trường với
tính cạnh tranh tăng dần và ñích cuối cùng là thị trường bán lẻ ñiện hoàn chỉnh, mọi khách
hàng ñều có quyền lựa chọn nhà cung cấp ñiện.
-ðảm bảo ổn ñịnh
Phát triển thị trường phải ñược tiến hành từng bước từ từ và thận trọng không gây
ñột biến, xáo trộn trong hoạt ñộng sản xuất kinh doanh và cơ cấu tổ chức dẫn ñến những
ảnh hưởng tiêu cực về kinh tế, xã hội, môi trường. Việc phát triển thị trường ñiện tại Việt
Nam phải ñược bắt ñầu bằng việc tái cơ cấu EVN. Với quan ñiểm ñảm bảo ổ ñịnh thì việc
tái cơ cấu EVN sẽ diễn ra từng bước và chỉ thực hiện khi ñã ñáp ứng ñủ các ñiều kiện về
năng lực quản lý kinh doanh, về khả năng tài chính, về cơ sở hạ tầng kỹ thuật cần thiết
ñồng bộ với yêu cầu của từng cấp ñộ phát triển của thị trường.

3.1.3 Lộ trình phát triển thị trường ñiện Việt Nam
Bước 1 Bước 2 Bước 1

Bước 2 Bước 2



Bư
ớc

1

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
23

Quá trình hình thành và phát triển thị trường ñiện tại Việt Nam sẽ trải quả 3 giai
ñoạn. Tại mỗi giai ñoạn ñều có bước thử nghiệm trước khi tiến hành thị trường hoàn chỉnh.
Giai ñoạn 1: Thị trường phát ñiện cạnh tranh
Bước 1: Thị trường phát ñiện cạnh tranh thử nghiệm nội bộ
Bước 2: Thị trường phát ñiện cạnh tranh hoàn chỉnh
Giai ñoạn 2: Thị trường bán buôn ñiện cạnh tranh
Bước 1: Thị trường bán buôn ñiện cạnh tranh thử nghiệm
Bước 2: Thị trường bán buôn ñiện cạnh tranh hoàn chỉnh
Giai ñoạn 3: Thị trường bán lẻ ñiện cạnh tranh
Bước 1: Thị trường bán lẻ ñiện cạnh tranh thử nghiệm
Bước 2: Thị trường bán lẻ ñiện cạnh tranh hoàn chỉnh

Các giai ñoạn phát triển thị trường ñiện ở Việt Nam qua từng cấp ñộ ñược thể hiện
ở hình 4.1

3.2 Tính toán giá cân bằng tại các nút trong thị trường ñiện taị Việt Nam.
ðối với thị trường ñiện tại Việt Nam, như ñã phân tích mô hình và phương thức vận
hành cũng như qui ñịnh thị trường như ở trên, ñể có thể áp dụng ñược mô hình lý thuyết
vừa trình bày, cần giả sử rằng hệ thống ñiện toàn quốc ñược chia thành 3 “nút” là Bắc –
Trung – Nam trong khi xét tới các bản chào giá bán của các nhà máy cũng như các ñiều
kiện ràng buộc trên lưới truyền tải. Khi phân chia như vậy, trong tính toán ta bỏ qua các
giới hạn truyền tải nội vùng Bắc, Trung, Nam.
Hàm mục tiêu của bài toán là tối ña hoá lợi nhuận của tất cả các bên tham thị trường
trong từng giờ. Tuy rằng việc tính tối ưu cho từng giờ có thể sẽ chỉ ñưa lại kết quả tối ưu
cục bộ cho bản thân giờ ñược xét nhưng việc tính toán tối ưu theo thời gian 24h sẽ dẫn tới
những khó khăn sau:
-Khối lượng tính toán sẽ trở lên rất lớn do số biến và số phép tính sẽ tăng theo cấp số
nhân.
-Sẽ có các ràng buộc khác, phức tạp hơn, phải ñưa vào trong mô hình của bài toán
như: tốc ñộ tăng-giảm tải của các tổ máy tham gia chào giá, chi phí khởi ñộng hay dừng tổ
máy. Sở dĩ phải xét tới chi phí khởi ñộng hay ngừng tổ máy vì thị trường ñiện ở Việt Nam
hiện tại theo mô hình thị trường pool, theo qui ñịnh của mô hình thị trường này thì các bản
chào giá bán của các tổ máy không bao gồm chi phí khởi ñộng này, nhà ñiều ñộ thị trường
phải tính toán tới yếu tố này khi ñiều ñộ của tổ máy sao cho có một lượng thanh toán trong
thị trường bù ñắp ñược chi phí này của các tổ máy và việc khởi ñộng hay dừng các tổ máy
hoàn toàn do ñiều ñộ thị trường qui ñịnh.
-Trong một vài giờ và ở một số nút nào ñó, tổ máy có giá chào lớn sẽ ñược huy ñộng
trong khi những tổ máy chào giá rẻ hơn tại những giờ ñó không ñược huy ñộng do tính tối
ưu ở ñây ñược xét trên tổng số 24h trong ngày chứ không phải cho một giờ nào ñó cụ thể.
Tuy rằng quyền lợi của các tổ máy vẫn ñược ñảm bảo và không có sự “không minh bạch”
của bên ñiều ñộ thị trường. Tuy nhiên những tranh cãi là vẫn không thể tránh khỏi.

Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
24

*Các số liệu ñầu vào cho tính toán giá cân bằng cho thị trường ñiện Việt Nam (Xem
Phụ lục luận văn).
-Giới hạn ñiện áp tại các nút: Cận dưới: Uñm (1-10%); Cận trên: Uñm (1+5%)
*Kết quả tính toán của thị trường:
Bảng 3.8: Kết quả công suất phát của các tổ máy

Nhà máy Giờ 1 Giờ 2 Giờ 3 Giờ 4 Giờ 5 Giờ 6
Hoà Bình
1560

1560

1560

1552

1560

1528

Thác Bà
90

75

60

45

45

45

Ialy
0

0

0

0

0

0

Sesan 3
0

0

0

0

0

0

Sesan 3A
0

0

0

0

0

0

Sông Hinh
0

0

0

0

0

0

Trị An
0

0

0

0

0

0

ða Nhim
160

160

160

160

160

160

Hàm Thuận
0

0

0

0

0

0

ða Mi
0

0

0

0

0

0

Thác Mơ
70

70

70

70

70

70

Cần ðơn
0

0

0

0

0

0

Phả Lại 1
328

328

328

328

328

334

Phả Lại 2
520

520

520

520

520

550

Ninh Bình
70

69

68

68

68

68

Uông Bí 2
100

100

100

100

100

100

GT Bà Rịa
250

204

190

190

190

190

Phú Mỹ 22
715

715

715

715

715

715

Phú Mỹ 3
600

600

549

430

566

519

Phú Mỹ 1
710

656

576

576

576

576

Phú Mỹ 2.1
650

601

567

561

567

567

Phú Mỹ 4
440

391

367

367

378

367

Cao Ngạn

66

66

66

66

66

66

ðạm PMỹ
20

20

20

20

20

20

Formosa
77

77

77

77

77

77

Na Dương
66

66

66

66

66

66

Nhà máy Giờ 7

Giờ 8

Giờ 9

Giờ 10

Giờ 11

Giờ 12

Hoà Bình
1560

1560

1560

1544

1544

1560


Áp dụng thuật toán di truyền trong tính toán thị trường ñiện


ðại học ðiện lực _11/2007
25

Thác Bà
45

90

90

90

90

90

Ialy
0

0

130

340

170

0

Sesan 3
0

0

0

110

110

0

Sesan 3A
0

0

0

37

37

0

Sông Hinh
0

0

70

70

60

0

Trị An
0

0

60

120

120

0

ða Nhim
160

160

160

160

160

160

Hàm Thuận
0

0

0

291

291

0

ða Mi
0

88

88

88

88

0

Thác Mơ
70

70

70

70

70

70

Cần ðơn
0

0

0

0

0

0

Phả Lại 1
334

334

328

328

328

328

Phả Lại 2

550

550

560

560

560

560

Ninh Bình
68

70

73

73

73

70

Uông Bí 2
100

100

234

250

100

100

GT Bà Rịa
190

250

250

250

250

250

Phú Mỹ 22
715

715

715

715

715

715

Phú Mỹ 3
515

718

718

718

718

718

Phú Mỹ 1
576

710

692

692

692

692

Phú Mỹ 2.1
567

636

633

645

645

634

Phú Mỹ 4
367

429

444

444

444

426

Cao Ngạn
66

66

66

66

66

66

ðạm PMỹ
20

20

21

21

21

20

Formosa
80

80

80

80

80

80

Na Dương
66

66

66

66

66

66

Nhà máy Giờ 13

Giờ 14

Giờ 15

Giờ 16

Giờ 17

Giờ 18

Hoà Bình
1560

1560

1560

1560

1560

1560

Thác Bà
90

90

90

90

90

90

Ialy
0

0

0

130

170

340

Sesan 3
0

0

0

0

110

110

Sesan 3A
37

37

37

37

37

37

Sông Hinh
66

40

70

70

46

0

Trị An
0

0

0

60

120

120

ða Nhim
160

160

160

160

160

160

Hàm Thuận
0

0

0

0

0

0