Tái cấu trúc lưới điện phân phối để giảm tổn thất công suất và cân bằng tải

LỚIăC MăTẠ

Trước hết, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất của em
gửi đến PGS. TS. Phan Thị Thanh Bình, Cơ đã tận tụy hướng dẫn em trong suốt
q trình nghiên cứu để hồn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM và Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã giảng dạy em trong suốt hai
năm học vừa qua.
Em xin được nói lời cảm ơn chân tình gửi đến anh Nguyên Hữu Quốc, một
người anh đã tận tình chia sẻ những kinh nghiệm q báu và góp ý giúp em xây
dựng thành cơng luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người thân, bạn bè, những
người anh em, đã động viên, ủng hộ và tạo điều kiện cho tôi cả về vật chất và tinh
thần trong suốt q trình học tập cũng như để hồn thành luận văn thạc sĩ.
Xin trân trọng cảm ơn!
TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 12 năm 2012

Trần Nguyên Ngọc Thắng

- iii -


TÓMăTẮT
Tái cấu trúc lưới điện phân phối là nhằm mục đích giảm tổn thất cơng suất, cân
bằng tải giữa các đường dây, và khôi phục lưới điện phân phối nhanh sau sự cố,
v…v… Việc đó được thực hiện bằng cách thay đổi trạng thái đóng/mở của các khóa
chuyển mạch và các khóa phân đoạn. Luận văn này trình bày một giải thuật hiệu
quả để tìm ra trạng thái tối ưu của các khóa điện nhằm thỏa mãn hai mục tiêu sau:
 Mục tiêu 1: giảm tổn thất công suất của tồn mạng.
 Mục tiêu 2: cân bằng cơng suất tải giữa các đường dây.
Luận văn sẽ áp dụng giải thuật gen đã hiệu chỉnh và logic mờ để giải quyết bài

tốn đa mục tiêu nêu trên để tìm ra cấu hình lưới điện tối ưu nhất có thể. Để chứng
minh tính đúng đắn của giải thuật, việc tính tốn mơ phỏng được thực hiện trên hệ
thống phân phối 33 nút, hệ thống phân phối 69 nút và hệ thống phân phối Taiwan
Power Company (TPC) và kết quả được so sánh với các phương pháp tiếp cận khác
đề cập trong luận văn. Phương pháp đề nghị đã vượt trội so với các phương pháp
khác về chất lượng của các giải pháp và hiệu quả tính tốn.

- iv -


ABSTRACT

Network reconfiguration in distribution system is to reduce power loss, load
balancing and fast restoration by changing the statues of tie and sectionalizing
switches. This thesis presents an efficient algorithm to find the optimal state of the
switches in order to satisfy two objectives:
 Objective 1: to reduce power loss in distribution system.
 Objective 2: load balancing between the branches.
This thesis will apply the corrected genetic algorithm and fuzzy logic to solve
multi-objective problems mentioned above in order to find the optimal
configuration possible. To demonstrate the validity of the proposed algorithm,
computer simulations are carried out on a 33-bus distribution system, 69-bus
distribution system and a Taiwan Power Company (TPC) distribution system and
compared with different approaches available in this thesis. The proposed method
has outperformed the other methods in terms of the quality of solution and
computational efficiency.

-v-

MỤCăLỤC
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ......................................................................................................... i
Lời cam đoan ............................................................................................................ ii
Lời cảm tạ................................................................................................................. iii
Tóm tắt ..................................................................................................................... iv
Mục lục..................................................................................................................... v
Danh sách các hình................................................................................................... viii
Danh sách các bảng .................................................................................................. x
CHƯƠNG I: GIỚIăTHIỆUăLUẬNăVĂN ............................................................. 01
1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 02
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn .................................................................... 03
3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 04
4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 04
5. Điểm mới của luận văn ....................................................................................... 04
6. Giá trị thực tiễn ................................................................................................... 05
7. Bố cục của luận văn ............................................................................................ 05
CHƯƠNG II: NGHIÊNăCỨUăTỔNGăQUAN ..................................................... 06
1. Đặc điểm của lưới điện phân phối ...................................................................... 07
1.1

nh hưởng của các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật đến hệ thống điện ............... 08

1.2 Cấu trúc lưới điện phân phối ....................................................................... 09
2. Hiện trạng và đặc điểm lưới điện phân phối ở Việt Nam ................................... 10

- vi -


3. Các bài toán tái cấu trúc lưới điện ở góc độ vận hành ....................................... 11
4. Các phương pháp tìm trạng thái khóa điện tối ưu .............................................. 12
CHƯƠNG III: PHƯƠNGăPHÁPăTIẾPăCẬN...................................................... 24
1. Bài toán tái cấu trúc mạng để giảm tổn thất cơng suất ....................................... 25
2. Bài tốn tái cấu trúc mạng để cân bằng tải ........................................................ 27
3. Bài toán đa mục tiêu ........................................................................................... 28
3.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 28
3.2 Các hàm mục tiêu của bài toán .................................................................... 28
3.3 Logic mờ và giải pháp tìm hàm mục tiêu chung cho bài tốn .................... 29
4. Xây dựng giải thuật kiểm tra điều kiện hình tia ................................................. 31
5. Xây dựng giải thuật đề nghị tìm trạng thái khóa điện tối ưu dựa trên giải thuật
gen và logic mờ .................................................................................................. 35
5.1 Giới thiệu về thuật toán di truyền (GA) ...................................................... 35
5.2 Xây dựng giải thuật đề nghị tìm trạng thái khóa điện tối ưu ....................... 38
CHƯƠNGăIV:ăKIỂMăCHỨNG GI IăTHUẬT ĐỀăNGHỊ ................................. 45
1. Hệ thống phân phối thử nghiệm 33 nút .............................................................. 46
2. Hệ thống phân phối thử nghiệm 69 nút .............................................................. 51
3. Hệ thống phân phối Taiwan Power Company (TPC) ......................................... 59
CHƯƠNG V: KẾTăLUẬNăVÀăĐỀ XUẤT ........................................................... 66
1. Kết luận............................................................................................................... 67
2. Hướng phát triển đề tài ....................................................................................... 68
TÀIăLIỆUăTHAMăKH O ..................................................................................... 69
PHỤăLỤC ................................................................................................................ 72

- vii -

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang
Hình 2.1: Biểu đồ tổn thất điện năng của EVN ....................................................... 08
Hình 2.2: Sơ đồ lưới điện hình tia và lưới điện kín vận hành hở ............................. 09
Hình 2.3: Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp lưới điện phân phối.............................. 10
Hình 2.4: Ví dụ giải thuật đàn kiến (ACS) .............................................................. 13
Hình 2.5: Mơ hình của một hệ thống mờ ................................................................. 18
Hình 2.6: Tập mờ và tập rõ ...................................................................................... 20
Hình 2.7: Sơ đồ chung của phương pháp bầy đàn (PSO) ........................................ 23
Hình 3.1: Sơ đồ đơn tuyến của một phát tuyến ........................................................ 25
Hình 3.2: Hàm thuộc cho tổn thất cơng suất ............................................................ 29
Hình 3.3: Hàm thuộc cho chỉ số cân bằng tải .......................................................... 30
Hình 3.4: Sơ đồ đơn tuyến hệ thống phân phối 16 nút – 3 nguồn ........................... 33
Hình 3.5: Lưu đồ kiểm tra điều kiện hình tia hệ thống phân phối ........................... 34
Hình 3.6: Cấu trúc tổng qt của một thuật tốn gen .............................................. 37
Hình 3.7: Chuỗi nhiễm sắc thể cho mạng 16 nút – 3 nguồn .................................... 38
Hình 3.8: Chuỗi nhiễm sắc thể cho mạng 16 nút – 3 nguồn đã rút gọn ................... 40
Hình 3.9: Lưu đồ giải thuật đề nghị theo hàm đa mục tiêu...................................... 41
Hình 4.1: Sơ đồ đơn tuyến hệ thống phân phối 33 nút ............................................ 46
Hình 4.2: Biên độ điện áp của hệ thống phân phối 33 nút ....................................... 49
Hình 4.3: Giá trị thích nghi tốt nhất qua các thế hệ của hệ thống 33 nút................. 49
Hình 4.4: Sơ đồ đơn tuyến hệ thống phân phối 69 nút ............................................ 51

- viii -


Hình 4.5: Biên độ điện áp của hệ thống phân phối 69 nút ....................................... 55
Hình 4.6: Giá trị thích nghi tốt nhất qua các thế hệ theo mục tiêu cân bằng tải ...... 57
Hình 4.7: Giá trị thích nghi tốt nhất qua các thế hệ theo mục tiêu giảm tổn thất .... 57

Hình 4.8: Giá trị thích nghi tốt nhất qua các thế hệ theo hai mục tiêu .................... 58
Hình 4.9: Sơ đồ đơn tuyến hệ thống phân phối 94 nút TPC .................................... 59
Hình 4.10: Biên độ điện áp của hệ thống phân phối 94 nút TPC ............................ 64
Hình 4.11: Giá trị thích nghi tốt nhất qua các thế hệ của hệ thống 94 nút TPC ...... 64

- ix -


DANHăSÁCHăCÁCăB NG
Trang
Bảng 2.1: Tỷ trọng các thành phần phụ tải năm 2011 của EVN ............................. 07
Bảng 2.2: Khối lượng lưới điện phân phối và tổng dung lượng trạm của EVN ...... 10
Bảng 4.1: Dữ liệu tải và nhánh của hệ thống phân phối 33 nút ............................... 47
Bảng 4.2: Kết quả so sánh của hệ thống phân phối 33 nút ...................................... 50
Bảng 4.3: Dữ liệu tải và nhánh của hệ thống phân phối 69 nút ............................... 52
Bảng 4.4: Kết quả so sánh của hệ thống phân phối 69 nút để giảm tổn thất ........... 56
Bảng 4.5: Kết quả so sánh của hệ thống phân phối 69 nút để cân bẳng tải ............. 56
Bảng 4.6: Kết quả của hệ thống phân phối 69 nút với các trọng số khác nhau ....... 56
Bảng 4.7: Dữ liệu tải và nhánh của hệ thống phân phối 94 nút TPC ....................... 60
Bảng 4.8: Kết quả so sánh của hệ thống phân phối 94 nút TPC .............................. 63

-x-


Chương I: Giới thiệu luận văn

 CHƯƠNGăI:ă

GIỚIăTHIỆUăLUẬNăVĂN

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 1


Chương I: Giới thiệu luận văn

1. ĐẶTăVẤNăĐỀ
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 tổn hao trên đường dây từ 5-7%. Do đó nghiên
cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối là một nhu cầu
cấp thiết, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích về kinh tế.
Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất điện năng trên lưới điện
phân phối như: nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối, 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 (cân bằng tải), 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 năng
lượng 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. Trong luận văn này sẽ nghiên cứu các vấn
đề này và đưa ra một phương pháp giải có thể áp dụng để tính tốn, vận hành lưới
điện phân phối hiện tại ở thành phối Hồ Chí Minh.

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 2


Chương I: Giới thiệu luận văn

2. MỤCăTIÊUăVÀăNHIỆMăVỤăC AăLUẬNăVĂN
2.1 M cătiêuăc aălu năv n
Nghiên cứu tổng quan các phương pháp tối ưu hóa trạng thái khóa điện trong
lưới điện phân phối.
Đưa ra một phương pháp hiệu quả để tìm trạng thái khóa điện tối ưu nhằm giảm
tổng tổn thất cơng suất và cân bằng công suất giữa các đường dây.
Viết được một chương trình MATLAB tổng quát cho việc tái cấu trúc lưới điện
phân phối theo giải thuật đề nghị.
2.2 Nhi măv ăc aălu năv n
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 vấn đề tìm trạng thái khóa điện tối ưu từ trước đến
nay trên thế giới. Phân loại theo các phương pháp giải khác nhau.
2. Đánh giá ưu và nhược điểm của từng phương pháp.
3. Đề nghị một phương pháp để tái cấu trúc lưới điện phân phối để giảm tổn
thất công suất và cân bằng tải.
4. Xây dựng hàm đa mục tiêu đạt mục đích đặt ra đồng thời cũng phải thỏa mãn
các điều kiện ràng buộc.

5. Kiểm chứng trên lưới điện mẫu nhằm đánh giá tính đúng đắn của ý tưởng đề
xuất và so sánh kết quả với các phương pháp khác.
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.

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 3


Chương I: Giới thiệu luận văn

3. PHẠMăVIăNGHIÊNăCỨU
Nghiên cứu xoay quanh bài toán tái cấu trúc lưới trên lưới điện phân phối có cấu
trúc mạch vịng nhưng vận hành hở (lưới điện hình tia).
Bài tốn được nghiên cứu trong luận văn bao gồm các vấn đề sau:
1. Kết hợp nhiều mục tiêu với nhau vào trong một bài toán tái cấu trúc: mục
tiêu giảm tổn thất công suất và mục tiêu cân bằng tải.
2.

ng dụng giải thuật gen trong MATLAB và logic mờ để giải bài toán tái
cấu trúc theo hàm đa mục tiêu.

4. PHƯƠNGăPHÁPăNGHIÊNăCỨU
đây chúng ta sử dụng các phương pháp sau:
1. Sử dụng phương pháp toán học hiện đại như giải thuật di truyền để giải
quyết bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối.
2. Sử dụng lý thuyết logic mờ để xây dựng các hàm mục tiêu: tổn thất công
suất và cân bằng tải.

3. Sử dụng các kết quả nghiên cứu của các đồng nghiệp đã công bố trước
đây và có liên quan đến đề tài nghiên cứu để so sánh và đánh giá.
5. ĐIỂMăMỚIăC AăLUẬNăVĂN
Đề xuất một giải thuật tái cấu trúc lưới điện phân phối mới dựa trên giải thuật
gen và logic mờ. Sử dụng giải thuật này vào bài tốn tìm trạng thái khóa điện tối ưu
theo hàm đa mục tiêu là giảm tổn thất công suất và cân bằng tải.
Giải thuật đề nghị trong luận văn cải thiện khả năng tìm kiếm của giải thuật gen
trước đây, tìm được lời giải một cách nhanh chóng và tối ưu nhất có thể đồng thời
cũng thỏa mãn các điều kiện ràng buộc. Đồng thời xây dựng được một phương pháp
kiểm tra điều kiện hình tia hiệu quả và tin cậy trong suốt quá trình tái cấu trúc.

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 4


Chương I: Giới thiệu luận văn

6. GIÁăTRỊăTHỰCăTIỄN
1. Thuật toán đề nghị giải bài tốn giảm tổn thất cơng suất có thể áp dụng để
giải bài toán giảm tổn thất điện năng trong thực tế.
2. Thuật toán đề nghị giải bài tốn cân bằng tải có thể áp dụng để đưa ra cấu
trúc lưới điện vận hành ít xảy ra sự cố nhất. Điều này có thể được ứng dụng
để vận hành lưới điện phân phối TP. Hồ Chí Minh trong những ngày lễ, khi
mà mục tiêu vận hành an toàn, ít xảy ra sự cố được xem trọng hơn mục tiêu
giảm tổn thất công suất.
3. Bằng việc xây dựng chương trình mơ phỏng lưới điện phân phối trên máy
tính, có thể huấn luyện, nâng cao trình độ nghiệp vụ của các điều độ viên qua
các bài toán giả lập.
7. BỐăCỤCăC AăLUẬNăVĂN

Luận văn bao gồm có 5 chương:
Chương I

: Giới thiệu luận văn.

Chương II

: Nghiên cứu tổng quan.

Chương III

: Phương pháp tiếp cận.

Chương IV

: Kiểm chứng giải thuật đề nghị.

Chương V

: Kết luận và đề xuất.

Tài liệu tham khảo và Phụ lục.

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 5


Chương II: Nghiên cứu tổng quan

 CHƯƠNG II:

NGHIÊN C U TỔNG QUAN

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 6


Chương II: Nghiên cứu tổng quan

1. Đ C ĐIỂM C A LƯ I ĐIỆN PHÂN PH I
Lưới điện phân phối 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 các
trạm khách hàng. Chế độ vận hành bình thường của lưới điện phân phối là vận hành
hở, hình tia hoặc dạng xương cá. Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện, mạng
điện phân phối thường được thiết kế mạch vòng nhưng vận hành hở.
Trong mạch vòng các xuất tuyến được liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc
thiết bị nối mạch vòng (Ring Main Unit). Các thiết bị này vận hành ở trạng thái mở.
Trong trường hợp cần sửa chữa hoặc sự cố đường dây điện thì việc cung cấp điện
khơng bị gián đoạn lâu dài, nhờ việc chuyển đổi nguồn cung cấp bằng thao tác đóng
cắt dao cách ly phân đoạn hay tự động chuyển đổi nhờ các thiết bị nối mách vịng.
Một đường dây phân phối ln có hai loại phụ tải là phụ tải dân dụng và phụ tải
phi dân dụng. Các phụ tải này được phân bố không đồng đều trên đường dây. Mỗi
loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần
và trong tháng. Vì vậy, đồ thị phụ tải của chúng khơng bằng phẳng và ln có sự
chênh lệch công suất tiêu thụ. Điều này gây ra quá tải đường dây, ảnh hưởng tuổi
thọ thiết bị và làm tăng tổn thất trên lưới điện phân phối.
Bảng 2.1: Tỷ trọng các thành phần phụ tải năm 2011 của EVN.
Công nghiệp,

Xây dựng

Thương nghiệp, Nhà
hàng, Khách sạn

Quản lý,
tiêu dùng

Hoạt động
khác

Nông, lâm
nghiệp, thủy sản

52,67 %

4,61 %

37,78 %

3,28 %

1,12 %

Qua kết quả nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành đã đưa đến kết luận nên
vận hành lưới điện phân phối theo dạng hình tia bởi các lý do:
- Vận hành và bảo vệ mạng đơn giản.
- Trình tự phục hồi lại kết cấu lưới sau sự cố dễ dàng hơn.

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 7


Chương II: Nghiên cứu tổng quan

- Ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt điện cục bộ.
- Vấn đề kinh tế: chi phí cho các thiết bị bảo vệ thấp hơn.
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 sau:
- Cấu trúc vận hành là hình tia và hở.
- Tất cả các phụ tải đều phải được cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép.
- Các hệ thống bảo vệ relay, thiết bị đóng cắt phải thay đổi phù hợp với thực tế.
- Các phát tuyến đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải.
1.1 Ảnh h ởng chỉ tiêu kinh t - kỹ thu t đ n h th ng đi n
Tổn thất điện năng chiếm tỷ lệ lớn trong tổn thất của hệ thống bao gồm: tổn thất
lưới truyền tải, phân phối, hạ áp.
11.50%
11.00%
11.05%
10.50%
10.56%
10.00%

10.15%

9.50%
9.57%
9.00%

9.21%

8.50%
8.00%
2006

2007

2008

2009

2010

Hình 2.1: Biểu đồ 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 † 2 lần, hạ áp từ 2 † 2.5 lần.

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 8


Chương II: Nghiên cứu tổng quan

Xác suất ngừng cung cấp do sự cố, sủa 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 áp vận hành so với lưới truyền tải, và là nơi

chịu tác động nhiều nhất từ các điều kiện mơi trường, thiết bị, nguồn dự phịng,
v…v…
1.2 C u trúc l

i đi n phân ph i

Chế độ vận hành lưới điện phân phối bình thường 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).

Thanh c¸i

Hình 2.2a: Sơ đồ lưới điện hình tia.
Thanh c¸i

Hình 2.2b: Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở.
Với các đặc điểm trên, việc nghiên cứu lưới điện phân phối rất phức tạp, địi hỏi
phương pháp, mơ hình nghiên cứu phù hợp để giải quyết bài toán kinh tế - kỹ thuật.

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 9


Chương II: Nghiên cứu tổng quan

2. HIỆN TR NG VÀ Đ C ĐIỂM LƯ I ĐIỆN PHÂN PH I

VIỆT NAM

Lưới điện phân phối 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 lượng TBA), 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.
35kV
1%
15kV
9%
15kV
40.2%
22kV
59.8%

22kV
90%

35kV
0%

Đường dây

Trạm biến áp

Hình 2.3: Biểu đồ tỷ trọng các cấp điện áp lưới điện phân phối khu vực miền Nam.
Trong những năm gần đây, Tổng Công ty điện lực Miền Nam đã đẩy mạnh phát
triển lưới điện phân phối, bình quân trong giai đoạn 5 năm từ 2007 đến 2011 phát

triển trung bình hơn 1.500 km đường dây phân phối và công suất hơn 2.000 MVA.
Bảng 2.2: Khối lượng LĐPP và tổng dung lượng trạm của EVN
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

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 10


Chương II: Nghiên cứu tổng quan

3. CÁC BÀI TOÁN TÁI C U TRỎC LƯ I ĐIỆN

GịC Đ

VẬN HÀNH

Các bài toán vận hành lưới điện phân phối 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 không cân bằng tải, 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
toán tái cấu trúc lưới điện phân phối thành các bài toán nhỏ như sau:
- Bài toán 1: Giảm tổn thất cơng suất, đây là bài tốn cơ bản, kết quả sẽ chỉ ra
một cấu trúc lưới điện có tổn thất công suất là nhỏ nhất đối với một điểm phụ
tải nhất định (chỉ xét ở một thời điểm).

- Bài toán 2: Giảm tổn thất năng lượng, bài toán này dựa vào bài toán cơ bản
nêu trên, nhưng xét cho một khoảng thời gian. Kết quả sẽ chỉ ra một cấu trúc
lưới điện có tổn thất năng lượng là nhỏ nhất trong khoảng thời gian xem xét
(vừa xét vả tổn thất điện năng, chi phí thao tác đóng cắt khóa điện để chuyển
đổi cấu trúc lưới và chi phí khấu hao các thiết bị đóng cắt).
- Bài tốn 3: Cân bằng tải máy biến áp và đường dây, kết quả sẽ chỉ ra một cấu
trúc lưới điện, trong đó tải được phân phối đều theo khả năng tải của máy
biến áp và đường dây. Cấu trúc lưới điện này chủ yếu đáp ứng về mặt kỹ
thuật, tăng độ tin cậy cung cấp điện. Đảm bảo khả năng dự trữ của mỗi máy
biến áp và đường dây gần như nhau, ít xảy ra quá tải khi thay đổi.
- Bài toán 4: Khơi phục việc cung cấp điện, bài tốn này giải trong trường hợp
sự cố ngắn mạch hay quá tải phải cắt điện một hay nhiều đoạn đường dây.
Kết quả sẽ chỉ ra một cấu trúc lưới điện cô lập phần bị sự cố, cấp điện trở lại
cho phụ tải bị ảnh hưởng với các ràng buộc dòng, áp nằm trong phạm vi cho
phép và đảm bảo số phụ tải bị mất điện là ít nhất.

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 11


Chương II: Nghiên cứu tổng quan

4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỊM TR NG THÁI KHịA ĐIỆN T I ƯU
a. Gi i thu t mô ph ng luy n kim (Simulated Annealing Algorithm ậ SA)
Các thuật tốn mơ phỏng luyện kim lần đầu tiên được đề xuất bởi Scott
Kirkpatrick, C. Daniel Gelatt, Cerny và Mario P. Vecchi vào năm 1983 dựa trên
mô hình của quá trình xử lý tinh thể do Metropolis đề cập đến vào năm 1953.
Tên của thuật toán này xuất phát từ quá trình làm lạnh và kết tinh hoặc một kim
loại làm mát và ủ tương ứng của một chất lỏng.

nhiệt độ cao, một chất lỏng ngẫu

nhiên phân tán các phân tử trong một trạng thái năng lượng cao. Khi quá trình
làm giảm nguồn nhiệt từ thời điểm này, các hạt từ từ vào một mạng có cấu trúc
(pha rắn) tương ứng với từng mức năng lượng. Một điều rất quan trọng trong suốt
quá trình này là nhiệt lượng của hệ thống đạt đến một trạng thái ổn định trước khi
giảm nhiệt độ để cấp độ tiếp theo. Khi nhiệt độ đủ thấp, cấu trúc hệ thống đạt đến
trạng thái cơ bản hoặc điểm mà tại đó năng lượng của các chất rắn được giảm
tối thiểu. Nếu quá trình làm mát khơng được thực hiện chậm đủ, hệ thống khơng
cịn ở trạng thái năng lượng tối thiểu, tương tự như quá trình dập tắt .
Các trạng thái vật lý của Quá trình Luyện kim cũng tương tự như việc xác định
gần như toàn bộ hoặc toàn phần giải pháp tối ưu cho các vấn đề tối ưu hoá. Ý
tưởng cơ bản là bắt đầu với cấu hình nguyên tử hiện hành. Cấu hình này tương
đương với các giải pháp hiện thời của một vấn đề tối ưu hoá. Năng lượng của các
nguyên tử tương tự với chi phí của các hàm mục tiêu và trạng thái cuối cùng
tương ứng với cực tiểu của hàm chi phí.
b. Gi i thu t đàn ki n (Ant Colony Algorithm ậ 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 một con
kiến sẽ chọn ngẫu nhiên một con đường đi đến nơi có thức ăn. Quan sát lồi kiến,
người ta nhận thấy chúng tìm kiếm nhau dựa vào dấu chân mà chúng để lại trên

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 12


Chương II: Nghiên cứu tổng quan

đường đi (hay còn gọi là dấu chân kiến để lại). Sau một 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
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
một 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 (xem Hình 2.6). Từ khi giải thuật kiến trở thành một 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 một cấu trúc có tổn thất
cơng suất là nhỏ nhất.

Hình 2.4: Ví dụ giải thuật đàn kiến (ACS).

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 13


Chương II: Nghiên cứu tổng quan

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 (2.2).
�

�

Trong đó:
�

: Dấu chân của kiến trên chặng đường xy của con kiến thứ i ϵ x và con

kiến ϵ y, ở lần lặp thứ i.
Q: Giá trị hằng số; ρ: Xác suất bay hơi dấu chân của những con kiến đi qua.
�

: 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 sẽ làm bay hơi dấu chân của các cấu trúc này bằng công thức (2.3).
�

�

�

- Bước 4: dựa vào ma trận dấu chân ta sẽ xây dựng danh sách các cấu trúc được
chọn theo công thức (II.4).
�

�

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 14


Chương II: Nghiên cứu tổng quan

Trong đó:

�

�

: Cường độ dấu chân lớn nhất hang thứ i ϵ X
: 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 ϵ [0 , 1] .
- Bước 5: nếu thời gian cho phép vẫn còn 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.
c. Ph

ng pháp h thần kinh nhân t o (Artificial Neural Network ậ 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.
- 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 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

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 15


Chương II: Nghiên cứu tổng quan

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 gần tối ưu. Ngồi ra ANN cịn có những nhược điểm khác như:
- Độ chính xác của lời giải khi dùng phương pháp ANN phụ thuộc vào độ

chính xác của các tập huấn luyện. Trong khi các tập huấn luyện thường chỉ
gần đúng do áp dụng các phương pháp giải heuristic gần đúng.
- Hệ thần kinh nhân tạo chỉ có khả năng giải đúng trong trường hợp cấu trúc
mạng (số nút, nhánh, nguồn, …) không thay đổi như khi xây dựng tập huấn
luyện. Nếu cấu trúc mạng thay đổi như trường hợp thêm hay bớt nút phụ tải,
nhánh hay nguồn thì phải xây dựng lại một tập huấn luyện mới.
d. Ph

ng pháp tìm ki m TABU (Tabu Search ậ TS)

Khái niệm đầu tiên về bảng tìm kiếm (Tabu list) được dùng trong trí tuệ nhân
tạo. Khơng 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 [2] và đã được ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Trong lĩnh vực hệ thống điện
dùng để giải quyết các vấn đề của bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối, để cực
tiểu tổn thất trong các điều kiện vận hành bình thường. Tabu Search là phương
pháp tối ưu sử dụng cho các bài toán tối ưu tổ hợp.
So sánh với giải thuật luyện kim và gen, Tabu Search có khơng gian tìm kiếm và
quản lý tích cực hơn. Giải thuật Tabu Search 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 lân cận sẽ được định nghĩa cho cấu trúc hiện tại, mỗi bước di chuyển tiếp theo
sẽ chọn ra cấu trúc tốt nhất lân cận. Trong quá trình tìm kiếm, Tabu Search sử dụng
một bộ nhớ được gọi là “Tabu list” dùng để lưu trữ các thuộc tính của các phương
án. Các phương án trong “Tabu list” không thể là ứng cử của lần lặp kế tiếp, kết quả
là nó ngăn chặn việc lựa chọn phương án giống nhau nhiều lần và nghiệm cục bộ.

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 16

Chương II: Nghiên cứu tổng quan

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 theo 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 khơng gian tìm kiếm: S0 ϵ Ω.
Các nghiệm này được thể hiện bởi số lượng khóa điện sẽ được mở trong suốt
quá 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 Scurrent = S0.
- Bước 5: chạy phân bố công suất để xác định tổn thất cơng suất, các điện áp
nút, và các dịng điện nhánh.
- Bước 6: tính tốn 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
là tổng của hàm mục tiêu và hàm phạt.
- Bước 8: tạo ra một hệ các phương án trong miền lân cận của phương án hiện
tại Scurrent bằng cách thay đổi các khóa phải được mở ra. Hệ các phương án
này được ký hiệu là Sneighbor.
- Bước 9: tính tốn mức độ mong muốn cho mỗi phương án của Sneighbor, và
chọn ra một phương án có mức độ mong muốn cao nhất Sneighbor_best.

Học viên: Trần Nguyên Ngọc Thắng

Trang 17