Tái cấu trúc lưới điện để giảm tổn thất công suất tác dụng và nâng cao độ tin cậy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN TRUNG QUÝ

TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN ĐỂ GIẢM TỔN THẤT
CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ NÂNG CAO
ĐỘ TIN CẬY

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN TRUNG QUÝ

TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN ĐỂ GIẢM TỔN THẤT
CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ NÂNG CAO
ĐỘ TIN CẬY

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRƯƠNG VIỆT ANH
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014


v

MỤC LỤC

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Nhiệm vụ luận văn
Lời cam đoan................................................................................................................ i
Lời cảm tạ… ............................................................................................................. ii
Tóm tắt..........................................................................................................................iii
Abstract.........................................................................................................................iv
Mục lục ..................................................................................................................... v
Danh sách các chữ viết tắt............................................................................................vi
Danh sách các bảng .................................................................................................. vii
Danh sách các hình ................................................................................................ viii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN . ………………………………................ 1
1.1. Đặt vấn đề………………… .......................................................................... 1
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn ................................................................. 2
1.3. Phạm vi nghiên cứu………………….. ......................................................... 2
1.4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 2
1.5. Điểm mới của luận văn ................................................................................ 3
1.6. Giá trị thực tiễn……….. ................................................................................ 3
1.7. Bố cục của luận văn…… ................................................................................ 4
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁI CẤU TRÚC LƯỚI
ĐIỆN PHÂN PHỐI……………. .............................................................................. 5

2.1. Đặc điểm của lưới điện phân phối ................................................................... 5


v

2.1.1. Ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của hệ thống điện ................ 6
2.1.2. Cấu trúc lưới điện.................………… .................................................. 7
2.2. Thực trạng lưới phân phối của Việt Nam ........................................................ 8
2.3. Các bài toán tái cấu trúc lưới điện (TCTLĐ) ở góc độ vận hành...................... 9
2.4. Tổng quan về các phương pháp để tái cấu trúc để giảm tổn thất cho lưới điện
phân phối………………… ................................................................................ 11
2.4.1. Giải thuật của Merlin và Back – kỹ thuật vịng kín ................................. 11
2.4.2. Giải thuật của Civanlar và các cộng sự – kỹ thuật đổi nhánh .................. 13
2.4.3. Giải thuật di truyền (Genetic algorithm - GA) ........................................ 15
2.4.4. Giải thuật đàn kiến (Ant colony algorithm - ACS) .................................. 17
2.4.5. Phương pháp hệ thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network-ANN) ... 19
2.4.6. Hệ chuyên gia………………. ............................................................... 20
2.4.7. Phương pháp tìm kiếm TABU (Tabu Search Method - TS) ............... 20
2.4.8. Phương pháp bầy đàn ( Particle Swarm Method - PSO) ................... 22
CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐỀ NGHỊ.................................................................23
3.1. Bài toán tái cấu trục mạng để giảm chi phi ngừng điện.

............................ 23

3.2. Giới thiệu giải thuật giảm chi phí ngừng điện ............................................... 28
3.3. Kết quả tính tồn trên mạng 2 nguồn điện 16 nút .......................................... 33
3.4. Kết quả tính tồn trên mạng 3 nguồn điện 16 nút .......................................... 39
3.5. Kết quả tính tồn trên mạng 1 nguồn điện 33 nút .......................................... 45
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ............................................................. 52
4.1. Kết luận…………. ....................................................................................... 52

4.2. Những hạn chế và hướng phát triển của đề tài ............................................... 52
4.2.1. Những hạn chế………………………. .................................................. 52
4.2.2. Đề xuất hướng phát triển của đề tài….

................................................ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 54
PHỤ LỤC


1

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.
Hệ thống điện phân phối đóng vai trị quan trọng trong việc cung cấp điện đến
hộ tiêu thụ. Vì lý do kỹ thuật, nó ln được vận hành theo kiểu hình tia, mặc dù
được thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy trong quá trình cung cấp điện.
Theo thống kê của Điện lực Việt Nam thì tổng tổn thất điện năng khoảng từ 10-15%
sản lượng điện sản xuất, trong đó lưới điện phân phối chiếm 5-7%. Do đó nghiên
cứu các biện pháp giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy trên lưới phân
phối là một nhu cầu bức xúc, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích kinh tế.
Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất công suất và nâng cao
độ tin cậy trên lưới điện phân phối như: nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân
phối, tăng tiết diện dây dẫn, hoặc giảm truyền tải công suất phản kháng trên lưới
điện bằng cách lắp đặt tụ bù. Tuy các biện pháp này đều mang tính khả thi về kỹ
thuật nhưng lại tốn các chi phí đầu tư và lắp đặt thiết bị. Trong khi đó, biện pháp tái
cấu trúc lưới thơng qua việc chuyển tải bằng cách đóng/mở các cặp khố điện có
sẵn trên lưới cũng có thể giảm tổn thất điện năng đáng kể khi đạt được cân bằng

công suất giữa các tuyến dây mà khơng cần nhiều chi phí để cải tạo lưới điện.
Không chỉ dừng lại ở mục tiêu giảm tổn thất điện năng, tái cấu trúc lưới điện phân
phối cịn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới và giảm
thiểu số lượng hộ tiêu thụ bị mất điện khi có sự cố hay khi cần sửa chữa đường dây.
Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất
công suất và nâng cao độ tin cậy trong điều kiện phải thoả mãn các ràng buộc kỹ
thuật với hàng trăm khoá điện trên hệ thống điện phân phối là điều vơ cùng khó
khăn đối với các điều độ viên. Do đó ln cần một phương pháp phân tích phù hợp
với lưới điện phân phối thực tế và một giải thuật đủ mạnh để tái cấu trúc lưới trong
điều kiện thoả mãn các mục tiêu điều khiển của các điều độ viên.


2

1.2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN.
Mục tiêu nghiên cứu là tìm ra giải thuật tái cấu trúc lưới điện phân phối theo
hình tia nhằm giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy, nhằm giúp tăng lợi
ích kinh tế cho doanh nghiệp bao gồm doanh nghiệp bán điện (EVN), các doanh
nghiệp sản xuất, dịch vụ, thương mại và nhân dân trên các tuyến đường dây đang
cung cấp.
Từ mục tiêu nghiên cứu như trên, nên nhiệm vụ của luận văn bao gồm các vấn
đề sau:
1) Đọc các bài báo viết về tái cấu trúc lưới điện từ trước đến nay trên thế giới.
Phân loại theo các phương pháp khác nhau.
2) Đánh giá các phương pháp.
3) Đề nghị một phương pháp để tái cấu trúc lưới điện để giảm tổn thất công
suất.

4) Xây dựng hàm mục tiêu đạt mục đích đặt ra.
5) Kiểm chứng trên lưới điện mẫu nhằm đánh giá tính đúng đắn của ý tưởng đề

xuất.
6) Lập trình trên máy tính và chạy kiểm tra phương pháp đề nghị.
7) Đánh giá lại phương pháp thực hiện và khả năng áp dụng phương pháp đề
nghị vào thực tế. Đồng thời đề xuất hướng nghiên cứu phát triển đề tài.
1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU.
Nghiên cứu xoay quanh bài toán tái cấu trúc lưới trên lưới điện phân phối có
cấu trúc mạch vịng nhưng vận hành hình tia. Bài toán tái cấu trúc được nghiên cứu
trong luận án này là: Bài toán tái cấu trúc lưới để giảm tổn thất công suất và nâng
cao độ tin cậy.
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
Ở đây chúng ta sử dụng các phương pháp sau:
1) Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu có liên quan đến vấn đề tái cấu trúc
lưới điện.


3

2) Cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài nghiên cứu.
3) Thành tựu lý thuyết đã đạt được có liên quan đến đề tài nghiên cứu.
4) Kết quả nghiên cứu của đồng nghiệp đã công bố trên các ấn phẩm và có liên
quan đến đề tài nghiên cứu.
5) Các số liệu thống kê liên quan đến đề tài nghiên cứu.
6) Dựa trên giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO) để tái cấu trúc lưới điện nhằm giảm
tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy.
1.5. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN.
Đề xuất một giải thuật mới tái cấu trúc lưới để tái cấu trúc lưới điện nhằm
giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy dựa trên giải thuật tối ưu bầy đàn
(PSO). Sử dụng giải thuật đề nghị vào bài tốn tìm trạng thái khóa điện tối ưu của
lưới điện nhằm làm giảm tổn thất công suất tác dụng và nâng cao độ tin cậy. Ưu
điểm của giải thuật là đơn giản, tìm được lời giải một cách nhanh chóng, thỏa các

điều kiện ràng buộc, kết quả có thể chấp nhận được, phù hợp với lưới điện khơng
phức tạp, ít vịng kín, có tính khả thi cao khi áp dụng cho lưới điện phân phối của
Việt Nam.
1.6. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN.
Khi đề xuất giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO) để tái cấu trúc lại lưới điện phân
phối ở Việt Nam nhằm giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy thì:
1) Góp phần nâng cao chất lượng điện, khả năng truyền tải và khả năng vận
hành lưới điện của Việt Nam ngày càng tốt hơn.
2) Giúp giảm chi phí về vận hành, sửa chữa, cũng như giúp giảm tổn hao về
năng lượng.
3) Góp phần vào các nghiên cứu liên quan đến các bài toán tái cấu trúc lưới
điện phân phối.
4) Làm tài liệu tham khảo cho công tác nghiên cứu và vận hành lưới điện phân
phối.


4

1.7. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN.
Luận văn được thực hiện bao gồm các chương sau:
Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối
Chương 3: Giải thuật đề nghị.
Chương 4: Kết luận và hướng phát triển đề tài.


5

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁI CẤU
TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
2.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Lưới điện phân phối (LĐPP) là lưới điện chuyển tải điện năng trực tiếp từ các
trạm biến thế trung gian ( thường là các trạm: 110/22 kV, 110/35/22 kV, 35/22 kV)
đến khách hàng. Đường dây truyền tải thường được vận hành mạch vòng hay mạch
tia, còn các đường dây phân phối luôn được vận hành hở trong mọi trường hợp.
Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng loại relay quá
dòng. Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có
các mạch vịng liên kết với các đường dây kế cận được cấp điện từ một trạm biến áp
trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đường dây bị sự cố. Việc khơi phục
lưới được thực hiện thơng qua các thao tác đóng/cắt các cặp khố điện nằm trên các
mạch vịng, do đó trên lưới phân phối có rất nhiều khố điện.
Một đường dây phân phối ln có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh
hoạt, thương mại dịch vụ, công nghiệp …) và các phụ tải này được phân bố không
đồng đều giữa các đường dây. Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và
luôn thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa. Vì vậy, trên các đường dây,
đồ thị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch cơng suất tiêu thụ. Điều
này gây ra quá tải đường dây và làm tăng tổn thất trên lưới điện phân phối.
Để chống quá tải đường dây và giảm tổn thất, các điều độ viên sẽ thay đổi cấu
trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khố điện hiện có trên
lưới. Vì vậy, trong q trình thiết kế, các loại khố điện (Recloser, LBS, DS…) sẽ
được lắp đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng/cắt các khố này vừa có
thể giảm chi phí vận hành và vừa giảm tổn thất năng lượng. Hay nói cách khác, hàm
mục tiêu trong quá trình vận hành lưới điện phân phối là cực tiểu chi phí vận hành
bao gồm cả chi phí chuyển tải và tổn thất năng lượng.


6

Bên cạnh đó, trong q trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, vì vậy xuất
hiện nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụ thể.
Tuy nhiên, 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

2.1.1 Ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của hệ thống điện.
-

Do là cầu nối trực tiếp giữa nguồn và khách hàng, do đó nó ảnh hưởng trực tiếp
đến chất lượng điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ.

-

Tổn thất điện năng chiếm tỉ lệ lớn trong tổng tổn thất của hệ thống bao gồm: tổn
thất lưới truyền tải, phân phối, hạ áp.

Hình 2.1: Tổn thất điện năng của EVN
-

Vốn đầu tư cho mạng phân phối cũng chiếm tỷ trọng lớn: nếu chia theo tỷ lệ
vốn đầu tư theo thống kê cho thấy nếu đầu tư cho mạng cao áp là 1, thì mạng
trung áp từ 1,5 đến 2 lần, hạ áp từ 2 đến 2,5 lần.


7

-

Xác suất ngừng cung cấp điện do sự cố, sửa chữa bảo dưỡng theo kế hoạch cải
tạo, lắp đặt trạm mới trên lưới điện trung áp cũng nhiều hơn so với lưới truyền
tải.

-

Là khu vực khó xác định phương án vận hành hơn so với lưới truyền tải, và là
nơi chịu tác động nhiều nhất từ các điều kiện môi trường, thiết bị, nguồn dự
phòng,.v.v.

2.1.2. Cấu trúc lưới điện
Cấu trúc LĐPP đa dạng, phức tạp. Số lượng nút, nhánh rất nhiều do đó việc
tính tốn các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật gặp rất nhiều khó khăn, mặc dù trên thực tế đã
có khá nhiều phần mềm áp dụng để quản lý kể cả trong khâu kỹ thuật cũng như
khâu kinh doanh. Lưới điện phát triển nhanh, trải rộng; các hộ phụ tải đa dạng, đan
xen.
Chế độ vận hành bình thường lưới điện phân phối là vận hành hở. Các sơ đồ
lưới điện thường gặp là: hình tia, hình tia có nguồn dự phịng (lưới điện kín vận

hành hở). Các sơ đồ trên có những ưu điểm như: vận hành đơn giản; trình tự phục
hồi lại kết cấu sau sự cố dễ dàng hơn; ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt
điện cục bộ.
Một số sơ đồ cung cấp điện thường được sử dụng trong thực tế ở Việt Nam là:

Hình 2.2a: Sơ đồ lưới điện hình tia


8

Hình 2.2b: Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở

2.2. THỰC TRẠNG LƯỚI PHÂN PHỐI CỦA VIỆT NAM.
LĐPP của Việt Nam tồn tại 3 cấp điện áp (35, 22, 15)kV, trong đó lưới 35kV
có khối lượng rất nhỏ mà chủ yếu là lưới (15, 22)kV.
Đối với miền Nam trong thời gian vừa qua lưới 22kV các tỉnh phát triển mạnh
mẽ, nếu khơng tính hai khu vực TP.Hồ Chí Minh và tỉnh Đồng Nai, lưới 22kV khu
vực Tổng công ty điện lực Miền Nam quản lý chiếm 87,9% (theo dung lượngTBA),
81,9% (theo khối lượng đường dây). Mặt khác ở khu vực này lưới 15kV hầu hết
được thiết kế theo tiêu chuẩn 22kV, do vậy ở khu vực này việc chuyển đổi lưới
15  22kV cơ bản là rất thuận lợi. Trong một vài năm tới lưới 15kV cơ bản chuyển
thành lưới 22kV.


9

Hình 2.3: Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp LĐPP khu vực miền Nam
Trong những năm gần đây, Tổng Công ty điện lực Miền Nam đã đẩy mạnh phát
triển LĐPP, bình quân trong giai đoạn 5 năm từ 2007 đến 2011 phát triển trung bình
hơn 1.500 km đường dây phân phối và hơn 2.000 MVA dung lượng trạm biến áp.

Bảng 2.1. Khối lượng LĐPP và tổng dung lượng trạm của EVN SPC
Năm

2007

2008

2009

2010

2011

Đường dây phân phối (km)

44.620

45.852

47.255

53.190

54.694

Dung lượng trạm (MVA)

8.710

10.067

11.498

15.668

17.697

2.3. CÁC BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN (TCTLĐ) Ở GĨC ĐỘ
VẬN HÀNH
Các bài tốn vận hành LĐPP chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề sau:
giảm tổn thất công suất của lưới điện, cải thiện thời gian tái lập, cải thiện các hệ số
tin cậy của hệ thống, cải thiện khả năng tải của lưới điện, cải thiện tình trạng khơng
cân bằng tải, tối thiểu cơng suất tổn thất, giảm thiểu tổn thất của hệ thống lưới điện
không cân bằng,.v.v. Từ những mục tiêu cơ bản trên, chúng ta có thể tạm phân chia
bài tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối thành các bài toán nhỏ như sau:
-

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 tốn 2:Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát
để tổn thất năng lượng bé nhất.


10

Bài toán 3: Xác định cấu trúc lưới điện tại một thời điểm để tổn thất cơng suất

-

bé nhất.
Bài tốn 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 tốn 5: Khơi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa.

-

Bài toán 6: Xác định cấu trúc lưới 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 ( hàm đa mục tiêu)
Bài toán7: Xác định cấu trúc lưới tối ưu chi phí trong vận hành và nâng cao độ

-

tin cậy cung cấp điện (Bài toán xét trong luận văn).
Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của một lưới điện phân phối cực tiểu
tổn thất năng lượng hay cực tiểu chi phí vận hành thoả mãn các điều kiện kỹ thuật
vận hành ln là bài tốn quan trọng và kinh điển trong vận hành hệ thống điện.
Bảng 2.2. Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc lưới
Tênbàitoán

1

2

3

4

5

6


Đặcđiểm lướiđiện

Khoá điện được điều khiển từ xa







Chi phí chuyển tải thấp, khơng mất













Lưới điện thường xuyên bị quá tải





Lưới điện ít bị quá tải













7



điện khi chuyển tải

Chi phí chuyển tải cao, mất điện



khi chuyển tải

Lưới điện hầu như không quá tải










11

2.4. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỂ TÁI CẤU TRÚC ĐỂ GIẢM
TỔN THẤT CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI.
2.4.1. Giải thuật của Merlin và Back – kỹ thuật vịng kín
Giải thuật của Merlin và Back [1] khá đơn giản: “Đóng tất cả các khố điện lại
tạo thành một lưới kín, sau đó giải bài tốn phân bố cơng suất và tiến hành mở lần
lượt các khố có dịng chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện dạng hình tia”.
Ở đây Merlin và Back cho rằng với mạch vòng, lưới điện phân phối ln có
mức tổn thất cơng suất bé nhất. Vì vậy để có lưới điện phân phối vận hành hình tia,
Merlin và Back lần lượt loại bỏ những nhánh có tổn thất cơng suất nhỏ nhất, q
trình sẽ chấm dứt khi lưới điện đạt được trạng thái vận hành hở. Các giải thuật tìm
kiếm nhánh và biên ứng dụng luật heuristic này mất rất nhiều thời gian do có khả

năng xảy ra đến 2n cấu trúc nếu có n đường dây được trang bị khố điện.
Hình 2.4 mơ tả giải thuật của Merlin và Back, đã được Shirmohammadi và
Hong [2] bổ sung. Giải thuật này chỉ khác so với giải thuật nguyên thủy của Merlin
và Back ở chỗ có xét đến điện thế ở các trạm trung gian và yếu tố liên quan đến
dòng điện.


12

Đọc dữ liệu lưới điện và khoá điện

Đóng tất cảø khoá điện

Giải bài toán phân bố công suất và
thay thế tải bằng các các nguồn dòng

Giải bài toán phân bố công suất tối ưu

Mở khoá điện có dòng bé nhất

Vi phạm
các điều kiện vận
hành
Không
Không

Có

Đóngkhoá điện vừa mở
Mở khoá điện có dòng bé nhất tiếp theo

Lưới điện hình tia
Có
Xuất kết quả

Hình 2.4: Giải thuật của Merlin và Back được chỉnh sửa
Shirmohammadi [2] là tác giả đầu tiên sử dụng kỹ thuật bơm vào và rút ra một
lượng công suất không đổi để mô phỏng thao tác chuyển tải của lưới điện phân phối
hoạt động hở về mặt vật lý nhưng về mặt tốn học là một mạch vịng. Dịng cơng
suất bơm vào và rút ra là một đại lượng liên tục. Sau khi chỉnh sửa, kỹ thuật này vẫn
còn bộc lộ nhiều nhược điểm, có thể liệt kê như sau:
-

Mặc dù đã áp dụng các luật heuristics, giải thuật này vẫn cần quá nhiều thời
gian để tìm ra được cấu trúc giảm tổn thất công suất.


13

-

Tính chất khơng cân bằng và nhiều pha chưa được mô phỏng đầy đủ.

-

Tổn thất của thiết bị trên đường dây chưa được xét đến trong giải thuật.

2.4.2. Giải thuật của Civanlar và các cộng sự – kỹ thuật đổi nhánh.
Giải thuật của Civanlar [3] dựa trên heuristics để tái cấu trúc lưới điện phân
phối, lưu đồ mô tả giải thuật được trình bày tại hình 2.5. Giải thuật của Civanlar

được đánh giá cao nhờ:
-

Xác định được hai qui luật để giảm số lượng khóa điện cần xem xét.
 Nguyên tắc chọn khóa đóng : việc giảm tổn thất chỉ có thể đạt được
nếu như có sự chênh lệch đáng kể về điện áp tại khoá đang mở.
 Nguyên tắc chọn khóa mở : việc giảm tổn thất chỉ đạt được khi thực
hiện chuyển tải ở phía có độ sụt áp lớn sang phía có sụt áp bé hơn.

-

Xây dựng được hàm số mô tả mức giảm tổn thất công suất tác dụng khi có sự
thay đổi trạng thái của một cặp khóa điện trong q trình tái cấu trúc.
P( t )  Re 2   I i E M  E N *    R loop  I i
 


iD
 iD

Trong đó

2

D

: Tập các nút tải được dự kiến chuyển tải

Ii

: Dòng điện tiêu thụ của nút thứ i

EM

: Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút M

EN

(2.1)

: Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút N

Rloop : Tổng các điện trở trên vịng kín khi đóng khố điện đang mở.
Biểu thức (2.1) được rút ra từ phân tích mơ hình tải phân bố tập trung.
Biểu thức này tỏ ra chính xác khi ứng dụng cho các lưới mẫu nhỏ nhưng chưa
được kiểm chứng ở lưới điện lớn.


14

Giảm số lần thao tác khoá điện
bằng cách xem xét các luật heuristic

Tính toán tổn thất công suất cho
các thao tác đóng cắt được đề nghị

Các thao tác
đóng cắt làm giảm tổn
thất công suất

Không

Có
Thực hiện thao tác đóng/cắt có
mức độ giảm tổn thất công suất nhất

Phân bố công suất cho lưới điện mới

Không

Kiểm tra
quá tải và độ sụt áp
cho phép

Hệ thống được
xem là tối ưu

Có
Chọn thao tác đóng/cắt kế tiếp
Hình 2.5 : Lưu đồ giải thuật của Civanlar và các cộng sự [3].
Kỹ thuật đổi nhánh thể hiện ở quá trình thay thế 01 khóa mở bằng và 01
khố đóng trong cùng một vịng để giảm tổn thất cơng suất. Vịng được chọn để
đổi nhánh là vịng có cặp khố đóng/mở có mức giảm tổn thất cơng suất lớn nhất.
Q trình được lặp lại cho đến khi khơng thể giảm được tổn thất nữa.


15

Giải thuật Civanlar có những ưu điểm sau :
-

Nhanh chóng xác định phương án tái cấu trúc có mức tổn thất nhỏ hơn bằng
cách giảm số liên kết đóng cắt nhờ qui tắc heuristics và sử dụng công thức thực
nghiệm để xác định mức độ giảm tổn thất tương đối.

-

Việc xác định dịng tải tương đối chính xác.
Tuy nhiên, giải thuật cũng còn nhiều nhược điểm cần khắc phục:

-

Mỗi bước tính tốn chỉ xem xét 01 cặp khóa điện trong 01 vòng.

-

Chỉ đáp ứng được nhu cầu giảm tổn thất, chứ chưa giải quyết được bài tốn cực
tiểu hóa hàm mục tiêu.

-

Việc tái cấu trúc hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc xuất phát ban đầu.

2.4.3. Giải thuật di truyền (Genetic algorithm - GA).
Giải thuật di truyền - GA do D.E. Goldberg đề xuất năm 1968, sau này được
phát triển bởi L.Davis và Z.Michalevicz. Đây là thuật tốn hình thành từ việc nhận
xét thế giới tự nhiên: Quá trình tiến hố tự nhiên là q trình tối ưu nhất, hồn hảo
nhất.
Đây được xem như một tiên đề đúng, không chứng minh được, nhưng phù
sinh hợp với thực tế khách quan. Tư tưởng chính của giải thuật di truyền là ban đầu

phát ra 1 lúc nhiều lời giải khác nhau song song. Sau đó những lời giải được tạo ra,
chọn những lời giải tốt nhất để làm cơ sở phát sinh ra những lời giải sau với nguyên
tắc ‘càng về sau’ càng tốt hơn. Q trình đó cứ tiếp diễn cho đến khi tìm được lời
giải tối ưu trong thời gian cho phép. Mục tiêu chính của giải thuật di truyền khơng
nhằm đưa ra lời giải chính xác mà đưa ra lời giải tương đối chính xác trong thời
gian cho phép. Giải thuật di truyền tuy dựa trên tính ngẫu nhiên nhưng ngẫu nhiên
có sự điều khiển.Tính tối ưu của q trình tiến hố thể hiện ở chỗ thế hệ sau bao giờ
cũng tốt hơn (phát triển hơn, hoàn thiện hơn và phù hợp với môi trường hơn) thế hệ
trước.


16

Giải thuật này thích hợp cho việc tìm kiếm các bài tốn có khơng gian nghiệm
lớn như: bài tốn tìm kiếm mật mã khóa có 30 chữ số… Bên cạnh đó, bài tốn tái
cấu trúc mạng phân phối điện với số lượng khóa vơ cùng lớn nên khơng gian
nghiệm của bài tốn này rất lớn, bài tốn này địi hỏi phải tìm ra được cấu trúc tối
ưu trong thời gian nhanh nhất. Như vậy thuật tốn di truyền đều mơ phỏng bốn q
trình tiến hố cơ bản: lai ghép, đột biến, sinh sản, chọn lọc tự nhiên. Từ ý tưởng và
đặc điểm của giải thuật di truyền, ta nhận xét giải thuật này rất thích hợp để giải bài
tốn tái cấu trúc.
Các bước quan trọng trong việc áp dụng giải thuật di truyền vào bài toán tái
cấu trúc:
- Bước 1: chọn ra 1 số cấu trúc ngẫu nhiên có thể tìm được trong mạng phân phối
điện.
- Bước 2: kí hiệu các khóa đóng (sectionalize switches) trong mạng phân phối là
0; các khóa thường mở (tie switches) là 1.
- Bước 3: tìm hệ số thích nghi và hàm mục tiêu cho từng cấu trúc đã được tạo ra
ban đầu.
- Bước 4: chọn ra được cấu trúc tốt nhất dựa vào hàm mục tiêu, tiếp theo đem cấu

trúc này thay đổi 1 số vị trí hay cịn gọi là đột biến để tạo ra cấu trúc mới.
Cơng thức để tính tốn đột biến Bnp'(gen) = Bnp(gen) + S *k *delta
Trong đó:
 Bnp: chuỗi nhị phân tạo ra ngẫu nhiên.
 Bnp’: chuỗi nhị phân tạo ra do đột biến.
 S (-1, 1) với cùng xác suất GGAP đột biến.
 K: giá trị ngẫu nhiên (1, PRECI).


(2.2)


17

Với a j: là từng vị trí khóa đóng mở đã được mã hóa thành chuỗi nhị phân (0 or 1)
- Bước 5: tính các hệ số thích nghi và hàm mục tiêu cho các cấu trúc vừa mới tạo ra,
và loại bỏ các cấu trúc có hàm mục tiêu nhỏ hơn.
- Bước 6: nếu chưa hết thời gian cho phép thì lập lại bước 4 để tìm cấu trúc mới.
- Bước 7: nếu thời gian cho phép chấm dứt thì dừng chương trình tìm kiếm và báo
cáo kết quả tính được.
Ưu điểm của phương pháp gen:
- Lời giải khơng phụ thuộc vào trạng thái khóa điện ban đầu của mạng.
- Do xét khơng gian tìm kiếm rộng và bao qt, nhờ q trình chọn lọc, lai hóa và
đột biến nên kết quả đạt được thường là tối ưu toàn cục.
- Đây là một phương pháp giải đầy tiềm năng. Trong tương lai nếu cải tiến được
thuật toán mạnh hơn và tốc độ tính tốn của máy tính nhanh hơn thì hồn tồn có
thể áp dụng vào thực tế vận hành.
Khuyết điểm:
Cũng do khơng gian tìm kiếm lời giải lớn nên hiện tại phương pháp này có
tốc độ giải cịn khá chậm

2.4.4. Giải thuật đàn kiến (Ant colony algorithm - ACS).
Ban đầu, số con kiến bắt đầu từ tổ kiến để đi tìm đường đến nơi có thức ăn. Từ
tổ kiến sẽ có rất nhiều con đường khác nhau để đi đến nơi có thức ăn, nên 1 con
kiến sẽ chọn ngẫu nhiên một con đường đi đến nơi có thức ăn. Quan sát loài kiến,
người ta nhận thấy chúng tìm kiếm nhau dựa vào dấu chân mà chúng để lại trên
đường đi (hay còn gọi là dấu chân kiến để lại). Sau 1 thời gian lượng dấu chân
(pheromone) của mỗi chặng đường sẽ khác nhau. Do sự tích lũy dấu chân của mỗi
chặng đường cũng khác nhau đồng thời với sự bay hơi của dấu chân ở đoạn đường
kiến ít đi. Sự khác nhau này sẽ ảnh hưởng đến sự di chuyển của những con kiến sau
đi trên mỗi đoạn đường. Nếu dấu chân để lại trên đường đi nhiều thì sẽ có khả năng


18

thu hút các con kiến khác di chuyển trên đường đi đó, những chặng đường cịn lại
do khơng thu hút được lượng kiến di chuyển sẽ có xu hướng bay hơi dấu chân sau 1
thời gian qui định.
Điều đặc biệt trong cách hành xử loài kiến là lượng dấu chân trên đường đi có
sự tích lũy càng lớn thì cũng đồng nghĩa với việc đoạn đường đó là ngắn nhất từ tổ
kiến đến nơi có thức ăn. Từ khi giải thuật kiến trở thành 1 lý thuyết vững chắc trong
việc giải các bài tốn tìm kiếm tối ưu tồn cục đã có nhiều ứng dụng thực tế cho
giải thuật này như: tìm kiếm các trang web cần tìm trên mạng, kế hoạch sắp xếp
thời khóa biểu cho các y tá trong bệnh viện, cách hình thành các màu khác nhau dựa
vào các màu tiêu chuẩn có sẵn, tìm kiếm đường đi tối ưu cho những người lái xe
hơi… nói tóm lại phương pháp này đưa ra để giải quyết các bài tốn có khơng gian
nghiệm lớn để tìm ra lời giải có nghiệm là tối ưu nhất trong khơng gian nghiệm đó
với thời gian cho phép hay khơng tìm ra cấu trúc tối ưu hơn thì dừng. Phương pháp
này cũng rất thích hợp để giải bài tốn tái cấu trúc để có thể tìm ra trong các cấu
trúc có thể của mạng phân phối có 1 cấu trúc có cơng suất tổn thất là nhỏ nhất.
Các bước để tạo ra giải thuật kiến áp dụng cho bài toán tái cấu trúc:

- Bước 1: một số cấu trúc mạng phân phối sẽ được tạo ra ban đầu.
- Bước 2: mỗi cấu trúc tượng trưng cho đoạn đường mà kiến đã đi sẽ được tính
tốn hàm mục tiêu (giảm tổn thất cơng suất, cân bằng tải, v…v…).
- Bước 3: mỗi cấu trúc này sẽ được cập nhật vào ma trận dấu chân (ban đầu các
ma trận dấu chân này sẽ bằng nhau) theo cơng thức (2.3).

Trong đó:


: Dấu chân của kiến trên chặng đường xy của con kiến thứ i
con kiến j

x và

y, ở lần lặp thứ i.

 Q: Giá trị hằng số; ρ: Xác suất bay hơi dấu chân của những con kiến đi qua.


19



: Dấu chân ban đầu được tạo ra cho mỗi đoạn đường.
Sau khi các cấu trúc ban đầu tạo ra đã cập nhật vào ma trận dấu chân, ta sẽ

chọn ra được cấu trúc tốt nhất trong số các cấu trúc ban đầu, các cấu trúc cịn lại thì
ra sẽ làm bay hơi dấu chân của các cấu trúc này bằng công thức (2.4).

- Bước 4: dựa vào ma trận dấu chân ta sẽ xây dựng danh sách các cấu trúc được

chọn theo cơng thức (2.5).

Trong đó:
: Cường độ dấu chân lớn nhất hang thứ i
: Cường độ dấu chân lớn nhất của ma trận dấu chân.
: Khả năng đóng/cắt của các khóa điện trong từng vịng, giá trị
này Є[0 , 1] .
- Bước 5: nếu thời gian cho phép vẫn cịn và các cấu trúc chọn vẫn cịn thì ta
quay lại bước 2.
- Bước 6: nếu thời gian cho phép chấm dứt hay cấu trúc được chọn khơng cịn
thì ta dừng chương trình và xuất ra kết quả.
2.4.5. Phương pháp hệ thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN).
Hệ thần kinh nhân tạo tỏ ra đặc biệt hữu dụng để thực hiện tái cấu trúc lưới vì
chúng có thể mơ phỏng mối liên hệ giữa tính chất phi tuyến tính của tải với tính
chất của mạng lưới topo nhằm cực tiểu hóa tổn thất trên dây. Mặc dù ANN làm
giảm đáng kể thời gian tính tốn ngay cả khi áp dụng cho các hệ thống phức tạp,
việc ứng dụng chúng trong thực tế vẫn gặp khó khăn do những lý do sau:
- Thời gian huấn luyện kéo dài do tính chất phức tạp trong thao tác.


20

- Việc huấn luyện cần thực hiện cho từng yếu tố cấu thành lưới điện và cần
được cập nhật, điều chỉnh một cách liên tục sau này.
- Các số liệu mẫu phải thật chính xác để đảm bảo kết quả tính tốn có ý nghĩa.
Kim và các cộng sự [15] đã đề xuất một giải thuật gồm hai giai đoạn dựa trên
ANN trong nỗ lực tái cấu trúc hệ thống nhằm cực tiểu hóa tổn thất. Nhằm tránh
những khó khăn liên quan đến khối lượng lớn các dữ liệu, Kim đã đề nghị chia hệ
thống phân phối thành nhiều vùng phụ tải. Tại mỗi vùng phụ tải, một hệ thống gồm
hai ANN sẽ được sử dụng để phân tích mức độ tải và sau đó thực hiện tái cấu trúc

tuỳ theo điều kiện của tải. Việc ứng dụng ANN trong phương pháp này mang lại các
kết quả tính tốn nhanh vì khơng cần xem xét trạng thái đóng ngắt riêng rẽ trong
giải thuật tổng thể. Tuy nhiên, ANN cũng chỉ có thể tìm ra được trạng thái lưới sau
tái cấu trúc tốt như tập số liệu huấn luyện.
2.4.6. Hệ chuyên gia
Có nhiều nghiên cứu giải bài tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối bằng cách sử
dụng hệ chuyên gia. Có thể nói, hệ chuyên gia đã phối hợp được cách sử dụng các
giải thuật kết hợp heuristics và tối ưu hóa cũng như các giải thuật thuần túy
heuristic với các luật bổ sung dựa trên các điều kiện ràng buộc trong vận hành.
Taylor và Lubkeman đưa ra một hệ chuyên gia tái cấu trúc hệ thống phân phối dựa
trên sự mở rộng các luật của Civanlar. Taylor và Lubkeman mô tả các mục tiêu cơ
bản của họ như tránh quá tải máy biến áp, quá tải đường dây và độ sụt áp khơng
bình thường, các tác giả khẳng định rằng nếu thỏa mãn các điều kiện này sẽ dẫn đến
tối thiểu hóa tổn thất.
2.4.7. Phương pháp tìm kiếm TABU (Tabu Search Method - TS)
Khái niệm đầu tiên về bảng tìm kiếm (Tabu search) được dùng trong trí tuệ
nhân tạo. Không giống như một số giải thuật khác chẳng hạn như gen hay luyện
kim, nó khơng liên quan đến những hiện tượng sinh học hay vật lý. Giải thuật bảng
tìm kiếm được đề cập bởi Fred Glover đầu những năm 1980 và đã được ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Trong lĩnh vực hệ thống điện


21

hiện đại dùng để giải quyết các vấn đề của bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối
cực tiểu tổn thất trong các điều kiện vận hành bình thường, trong bài toán tái cấu
trúc.TS là phương pháp tối ưu sử dụng cho các bài toán tối ưu tổ hợp.
So sánh với giải thuật luyện kim và gen, TS không gian tìm kiếm và quản lý tích
cực hơn. Giải thuật TS được khởi tạo với một cấu hình cơ bản, và nó sẽ trở thành
cấu hình hiện tại. Tại mỗi bước lặp của giải thuật , một cấu trúc kề bên sẽ được định

nghĩa cho cấu trúc hiện tại, mỗi bước di chuyển tiếp theo sẽ chọn ra cấu trúc tốt
nhất liền kề.
Giải thuật tìm kiếm này đã và đang được áp dụng rộng rãi trong xử lý một số
vấn đề của mạng điện và mang lại một số kết quả rất khả quan.Thuật tốn tìm kiếm
Tabu được ứng dụng để tính tốn các phương án tối ưu và gần tối ưu đối với bài
toán tái cấu trúc bởi các bước sau đây:
- Bước 1: nhập dữ liệu nhánh, tải và nút của một hệ thống phân phối bao gồm
cả các điều kiện ràng buộc khi vận hành.
- Bước 2: lựa chọn một phương án ngẫu nhiên từ không gian tìm kiếm: S0

Ω.

Các nghiệm này được thể hiện bởi số lượng khóa điện sẽ được mở trong suốt
q trình tái cấu trúc.
- Bước 3: thiết lập kích thước của danh sách Tabu, số lần lặp lớn nhất và đặt chỉ
số lần lặp m = 1.
- Bước 4: để phương án ban đầu thu được trong bước 2 là phương án hiện tại và
phương án tốt nhất: Sbest = S0, và S current = S 0.
- Bước 5: chạy phân bố công suất để xác định tổn thất công suất, các điện áp
nút và các dịng điện nhánh.
- Bước 6: tính toán hàm mục tiêu và kiểm tra phương án hiện tại có thỏa mãn
các điều kiện ràng buộc. Một hệ số phạt được thêm vào đối với sự vi phạm
ràng buộc.
- Bước 7: tính mức độ mong muốn của Sbest: fbest = f(Sbest). Mức độ mong muốn