phương pháp điều chỉnh điện áp trong mạng phân phối nhiều nút

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
TRONG MẠNG PHÂN PHỐI NHIỀU NÚT
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T63 - 2008

S KC 0 0 2 1 2 6

Tp. Hồ Chí Minh, 2009

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
*****

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

TÊN ĐỀ TÀI:

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
TRONG MẠNG PHÂN PHỐI NHIỀU NÚT

MÃ SỐ: T63 - 2008

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Lê Thị Hồng Nhung
Thành viên NC:

KS. Nguyễn Hoàng Minh

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 08/ 2009


MỤC LỤC
A. GIỚI THIỆU
I.

Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 2

II. Đối tƣợng nghiên cứu .............................................................................................. 2

III. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ............................................................. 2
IV. Những vấn đề còn tồn tại ........................................................................................ 2
Mục lục
B. NỘI DUNG
I.

Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 5

II. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................... 5
III. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 5
Chương 1: Các Phương Pháp Điều Khiển Điện Áp Trong Hệ Thống Điện................. 6
1.1. Tổng quan về điều khiển điện áp trong hệ thống điện và các thiết bị điều chỉnh ........ 7
1.2. Một số phƣơng pháp điều khiển điện áp trong hệ thống điện .................................... 10
Chương 2: Ứng Dụng Hệ Mờ Điều Khiển Điện Áp Trong Hệ Thống Điện ............... 16
2.1. Thuật toán và phƣơng pháp điều khiển ...................................................................... 17
2.2. Xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp trong hệ thống điện ........................................... 20
Chương 3: Mô Phỏng Hệ Mờ Điều Khiển Điện Áp Bằng MATLAB ......................... 30
3.1. Giới thiệu về MATLAB ............................................................................................. 31
3.2. Mô tả hệ thống điện thử nghiệm ................................................................................. 32
3.3. Xây dựng mô hình ...................................................................................................... 39
3.4. Mô phỏng trên MATLAB ........................................................................................... 44
3.5. Mô phỏng trong Simulink ........................................................................................... 50
3.6. Kết quả mô phỏng ....................................................................................................... 53
C. KẾT LUẬN
I.

Tóm tắt công trình ................................................................................................. 56

II. Tự nhận xét ............................................................................................................ 56
III. Hƣớng phát triển của đề tài ................................................................................... 56

IV. Kết luận ................................................................................................................. 57
Tài liệu tham khảo


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

A
GIỚI THIỆU

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

1


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong quá trình vận hành hệ thống điện, việc mất ổn định điện áp nhƣ quá áp, sụt
áp … luôn gây ảnh hƣởng không nhỏ đến chất lƣợng cung cấp điện, sự an toàn và
tính kinh tế trong các điều kiện vận hành khác nhau của mạng phân phối. Nếu điện áp
cao quá giới hạn cho phép sẽ làm thiết bị hỏng hoặc già hóa nhanh. Nếu điện áp thấp
quá sẽ gây quá tải đƣờng dây và máy biến áp, ảnh hƣởng đến ổn định của nhà máy
điện và phụ tải.
Trong những năm gần đây, việc điều chỉnh điện áp ngày càng trở nên quan trọng
hơn trong việc vận hành an toàn và kinh tế hệ thống điện bởi vì lƣới điện ngày càng
vận hành gần đến giới hạn do việc tăng tải liên tục và các điều kiện vận hành ngày

càng không chắc chắn. Hiện nay có nhiều phƣơng pháp để điều chỉnh điện áp, do đó
việc lựa chọn một phƣơng pháp điều chỉnh điện áp thích hợp và tối ƣu là rất cần thiết.
II. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là điện áp trong hệ thống điện và điều khiển điện
áp trong mạng phân phối nhiều nút.
III. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC
Hiện nay, tại Việt Nam việc sử dụng logic mờ trong điều khiển điện áp còn chƣa
phổ biến. Trong giới hạn đề tài, nhóm nghiên cứu trình bày các bƣớc xây dựng hệ mờ
điều khiển điện áp trên hệ thống điện thử nghiệm trong môi trƣờng MATLAB nhằm
góp phần xây dựng một cái nhìn cơ bản về ứng dụng logic mờ điều khiển điện áp
trong mạng phân phối nhiều nút.
IV. NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI
Với sự cố gắng nỗ lực, nhóm nghiên cứu đã nêu đƣợc cơ sở lý thuyết về ứng dụng
hệ mờ điều khiển điện áp trong hệ thống điện. Qua đó nhóm nghiên cứu đã xây dựng
mô hình hệ mờ điều khiển điện áp trên hệ thống điện thử nghiệm trong môi trƣờng
MATLAB. Kết quả đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và những ngƣời
quan tâm đến lĩnh vực điều khiển mờ cũng nhƣ lĩnh vực điều khiển điện áp trong hệ
thống điện.

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

2


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên nhóm nghiên cứu chỉ mới thực hiện đƣợc mô
phỏng hệ thống điều khiển mờ điều khiển điện áp xét đến các vi phạm điện áp. Nếu có

thêm điều kiện, có thể phát triển hệ điều khiển mờ xét thêm các vi phạm về dòng trên
đƣờng dây và các tổn thất về công suất.

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

3


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

B
NỘI DUNG

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

4


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

I. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
 Xây dựng hệ thống điều khiển mờ điều chỉnh điện áp trong mạng phân phối
nhiều nút sử dụng MATLAB.
II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
 Tham khảo tài liệu.
 Tính toán, thiết kế.

 Mô phỏng, kiểm tra, đánh giá kết quả thử nghiệm.
III. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 Nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển điện áp hệ thống và các bƣớc xây dựng
hệ mờ điều khiển điện áp trong hệ thống điện.
 Xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp trên hệ thống điện thử nghiệm trong môi
trƣờng MATLAB.

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

5


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

Chương 1

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1. Tổng quan về điều khiển điện áp trong hệ
thống điện và các thiết bị điều chỉnh
1.2. Một số phương pháp điều khiển điện áp trong
hệ thống điện

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

6

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

1.1. Tổng quan về điều khiển điện áp trong hệ thống điện và các thiết bị điều chỉnh
Trong quá trình vận hành hằng ngày, các hệ thống điện có thể gặp các vi phạm
quá áp và thấp áp, các vi phạm này có thể khắc phục bằng việc điều khiển điện
áp/công suất phản kháng. Trong suốt quá trình điều khiển sản xuất và tiêu thụ, việc
điều khiển điện áp/công suất phản kháng có thể duy trì điện áp tại tất cả các nút luôn
nằm trong giới hạn cho phép và giảm các tổn thất truyền tải. Trong khoảng 20 năm trở
lại đây, vấn đề điều khiển điện áp/công suất phản kháng đã thu hút đƣợc nhiều nhà
nghiên cứu và kinh doanh trong việc chế tạo các thiết bị và đƣa ra thuật toán nhằm
nghiên cứu về lĩnh vực này. Một số quốc gia đã áp dụng những thành tựu này vào các
hệ thống điện thực tế và đã thu đƣợc các kết quả khả quan.
Việc giữ điện áp luôn nằm trong giá trị định mức đảm bảo hiệu quả làm việc
của các hộ tiêu thụ một cách toàn diện, do đó việc so sánh độ lệch điện áp với giá trị
điện áp định mức từ đó đƣa điện áp hệ thống về giới hạn cho phép để đảm bảo hệ
thống luôn hoạt động ổn định là một điều hoàn toàn hợp lý. Trên cơ sở kinh nghiệm
vận hành và qua nhiều công trình nghiên cứu, ở điều kiện thông thƣờng có thể chọn độ
lệch điện áp cho phép so với giá trị định mức đối với phụ tải thắp sáng là 5% và đối
với phụ tải động lực (động cơ không đồng bộ) là –5% đến +10%.
Để có thể điều chỉnh đúng điện áp trong hệ thống điện cần phải quy định giới
hạn đồ thị điện áp hàng ngày đối với từng điểm nút trong mạng. Đối với mỗi điểm nút
phải xác định đƣợc hai đồ thị: đồ thị điện áp cho phép lớn nhất và đồ thị điện áp cho
phép nhỏ nhất. Việc xác định những đồ thị giới hạn này rất có hiệu quả đối với điều
chỉnh điện áp trong hệ thống.
Điều chỉnh điện áp trong mạng phức tạp nhiều nhánh với nhiều điểm nút trên
thực tế thực hiện bằng cách chọn một số điểm kiểm tra có điện áp do nhân viên trực
nhật điều chỉnh bằng tay hoặc tự động và số điểm kiểm tra phải ít nhất. Trên thực tế,

không cần phải điều chỉnh điện áp ở từng điểm nút. Đối với một nhóm điểm nút có thể
chọn một điểm nào đó kiểm tra và quy định những đồ thị điện áp giới hạn với những
điểm này.
Đồ thị điện áp giới hạn hàng ngày đối với điểm kiểm tra chính, đƣợc xây dựng
trên cơ sở tính toán phân bố công suất ở những vùng gần nhất sao cho bảo đảm duy trì
điện áp ở những điểm gần nhất vào mọi giờ nằm trong vùng giới hạn và càng nằm
giữa vùng càng tốt. Chiều rộng vùng điện áp kiểm tra cho phép đối với các điểm kiểm
tra thƣờng nằm trong giới hạn (12)% vì phải dự trữ về cả hai phía trong trƣờng hợp
điện áp tại các điểm kiểm tra bị lệch do những nguyên nhân bất ngờ.
Nhiệm vụ điều chỉnh điện áp liên quan chặt chẽ với việc phân bố kinh tế công
suất phản kháng. Trong mọi trƣờng hợp cần phải đảm bảo thỏa mãn trƣớc nhất là đồ
thị điện áp giới hạn tại các điểm kiểm tra, sau đó là tổn thất tối thiểu trong mạng, tổn
thất này phụ thuộc vào việc phân bố công suất phản kháng. Vì vậy ngoài đồ thị điện
áp đối với các điểm kiểm tra nên có thêm đồ thị điện áp tối ƣu. Việc xác định điện áp
tối ƣu đƣợc tiến hành bằng cách tính toán phân bố kinh tế công suất phản kháng, sau
đó xác định điện áp tại các điểm kiểm tra, nếu nhƣ các đồ thị điện áp đều thỏa mãn
đƣợc thì điện áp có đƣợc có thể xem là điện áp tối ƣu. Nếu nhƣ một số điểm kiểm tra
nào đó có điện áp quá cao hoặc quá thấp thì phải tính lại phân bố kinh tế công suất
ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

7


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

phản kháng có xét thêm các điều kiện bổ sung, cụ thể là điện áp tại các nút kiểm tra
nói trên phải bằng giá trị giới hạn gần nhất.
Trong những hệ thống điện hiện đại, phức tạp không thể đảm bảo việc điều

chỉnh điện áp chỉ bằng cách điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát (điều
chỉnh tập trung), mà cần phải sử dụng thêm các thiết bị điều chỉnh điện áp phân tán
(địa phƣơng) nhƣ máy bù đồng bộ, máy biến áp có thiết bị điều chỉnh điện áp dƣới tải,
tụ điện tĩnh, cuộn cảm,… là các thiết bị thu và phát Q vào hệ thống.
Điều chỉnh điện áp tập trung không thể giải quyết bài toán đặt ra vì số nhà máy
điện có thể điều chỉnh công suất phản kháng một cách thoải mái thƣờng ít hơn số điểm
kiểm tra chính. Ngoài ra do khoảng cách về điện từ các nhà máy điện này đến những
điểm kiểm tra chính khá lớn nên cần phải thay đổi rất nhiều điện áp ở các nhà máy
điện làm nhiệm vụ điều chỉnh. Những điểm kiểm tra có khoảng cách về điện không xa
nhƣng lại có đồ thị điện áp khác nhau nhiều làm cho điều kiện điều chỉnh điện áp
trong mạng cơ bản hoặc trong mạng nối với điểm nút đang xét không dung hòa đƣợc.
Vì những nguyên nhân này nên phải điều chỉnh điện áp phân tán.
Các thiết bị điều chỉnh điện áp phân tán có thể chia làm hai nhóm khác nhau:


Các thiết bị phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng (máy bù đồng bộ,
hoặc tụ điện tĩnh có thể điều chỉnh đƣợc, kháng điện bão hòa hay không
bão hòa có thể điều chỉnh đƣợc).



Các thiết bị phân bố lại công suất phản kháng (máy biến áp có điều chỉnh
hệ số biến đổi dƣới tải, các dạng máy biến áp bổ trợ khác nhau).

Những thiết bị thuộc nhóm thứ nhất có thể dùng đƣợc cho cả khi thiếu hụt hoặc
thừa công suất phản kháng trong hệ thống hoặc ở từng khu vực. Khi công suất phản
kháng trong toàn hệ thống thiếu hoặc thừa thì vị trí đặt những nguồn công suất phản
kháng đƣợc tính chọn phải xét đến điều kiện kinh tế, còn khi thiếu hụt hoặc thừa công
suất phản kháng ở từng địa phƣơng thì phải so sánh các chỉ tiêu kinh tế của các thiết bị
thuộc hai nhóm trên khi quyết định đặt chúng.



Máy bù đồng bộ và tụ điện tĩnh có những ảnh hƣởng giống nhau trong vai trò
điều chỉnh điện áp, tuy vậy những đặc tính kỹ thuật và khai thác có khác.
Máy bù đồng bộ

Tụ điện tĩnh

 Máy bù đồng bộ là nguồn công suất phản kháng

 Tụ điện rẻ tiền hơn và tổn thất ít hơn nhƣng

rất linh động vì công suất phản kháng của nó có
thể thay đổi liên tục về độ lớn và về chiều từ
công suất phản kháng cảm sang công suất dung
hầu nhƣ rất đơn giản bằng cách thay đổi từ
trƣờng kích thích.

vận hành kém linh hoạt hơn. Với tụ điện tĩnh,
công suất kháng không thay đổi liên tục (theo
từng bậc) và chỉ có thể phát công suất kháng.

 Công suất phản kháng cung cấp bởi máy bù

 Công suất phản kháng cung cấp bởi tụ điện có

đồng bộ có khuynh hƣớng tăng khi điện áp thanh
cái giảm xuống. Kết quả là máy bù đồng bộ vận
hành tốt hơn trong tình trạng hệ thống có sự cố
và giảm đƣợc nhấp nháy về ánh sáng.

khuynh hƣớng giảm khi điện áp ở thanh cái
giảm xuống.

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

8


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

 Máy bù đồng bộ có thể quá tải ngắn hạn bằng

 Khi phụ tải cực đại, tụ điện tĩnh không thể quá

cách điều chỉnh kích thích và làm giảm đƣợc sự
nhấp nháy về ánh sáng.

tải vì lúc phụ tải cực đại điện áp thanh cái
giảm xuống mà công suất phảng kháng của nó
định bởi điện dung và điện áp thanh cái, công
suất phản kháng này tỷ lệ với bình phƣơng
điện áp. Chính vì thế mà tụ điện có thể bị quá
tải nguy hiểm vào những lúc phụ tải cực tiểu.

 Điện áp đầu cực bị giới hạn, đôi khi cần đến máy

 Sử dụng trực tiếp ở nhiều cấp điện áp khác

biến áp để nối với hệ thống.

nhau

 Công suất nhỏ quá sẽ không có lợi về mặt kinh

 Tụ điện tĩnh dễ dàng di chuyển từ nơi này

tế, dung lƣợng càng nhỏ thì giá thành trên một
đơn vị công suất càng đắt. Máy bù đồng bộ sẽ
tiếp tục dùng ở cấp truyền tải cùng với tụ điện
tĩnh do các tính chất của chúng theo quan điểm
vận hành.

sang nơi khác trong mạng điện và cũng dễ
dàng tăng công suất của bộ tụ điện bằng cách
lắp thêm một số tụ điện khi nhu cầu tiêu thụ
công suất phản kháng của hệ thống tăng lên.
Đặc biệt quan trọng là tụ điện có thể đƣợc
phân cấp quản lý, chia thành các đơn vị nhỏ đi
sâu vào các cấp điện áp trong hệ thống xuống
các mạng phân phối hạ áp của các xí nghiệp,
đặt gần các động cơ điện, v.v…

 Bảo vệ bằng hệ thống rơle phức tạp.

 Hệ thống bảo vệ đơn giản.

 Bảo trì khó và thƣờng xuyên cần ngƣời điều

 Điều hành dễ.

hành trực tiếp trông nom.
 Sự đóng cắt tụ điện thƣờng dẫn theo quá điện

áp và xung dòng điện lớn.

Các thiết bị thuộc nhóm thứ hai chỉ dùng khi thiếu hụt công suất phản kháng ở
từng địa phƣơng với công suất phản kháng dự phòng ở những nơi khác, hoặc khi thừa
công suất phản kháng ở từng địa phƣơng mà ở những nơi khác trong mạng có khả
năng giảm nguồn phát công suất phản kháng.


Các máy biến áp có điều chỉnh điện áp dƣới tải đƣợc sử dụng trong những
trƣờng hợp khi dòng công suất phản kháng đi qua máy biến áp thay đổi rất nhiều trong
một ngày. Điều này có thể xảy ra ví dụ nhƣ đối với máy biến áp nối với nhà máy điện
có phụ tải địa phƣơng lớn, khi đó dòng công suất phản kháng qua máy biến áp không
những thay đổi về giá trị mà cả về hƣớng. Những máy biến áp đặt ở những trạm xa,
khi tổn thất điện áp trong mạng dẫn đến trạm lớn và không có máy bù đồng bộ, cũng
cần có điều chỉnh điện áp dƣới tải. Những máy biến áp bổ trợ loại điều chỉnh dọc hoặc
điều chỉnh cả dọc lẫn ngang cũng là những thiết bị có công dụng nhƣ điều áp dƣới tải.
1.2.

Một số phƣơng pháp điều khiển điện áp trong hệ thống điện

1.2.1. Phương pháp quy hoạch phi tuyến
Bài toán điều khiển điện áp và công suất phản kháng thu hút đƣợc sự quan tâm lớn
vì muốn thỏa điều kiện kinh tế những đƣờng dây tải điện đi xa không nên tải công suất
phản kháng. Bài toán này đƣợc giải bằng phƣơng pháp quy hoạch tuyến tính ở trạng thái

xác lập. Phƣơng pháp tiếp cận bằng phép tính số đầy đủ thƣờng đem lại lời giải không thỏa
đáng do thiếu mô hình chính xác các ràng buộc. Trong khi đó, hệ thống điện là hệ thống
liên kết lớn và phức tạp, do đó phƣơng pháp quy hoạch tuyến tính và mô hình đầy đủ diễn
ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

9


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

tả bài toán tối ƣu phi tuyến sẽ dẫn đến sự hội tụ rất chậm. Cách tiếp cận bằng phƣơng pháp
quy hoạch tuyến tính tỏ ra không hiệu quả trong các điều kiện sau:
1. Đa mục tiêu cạnh tranh: Trong thực tế bài toán điều khiển là bài toán đa
mục tiêu cạnh tranh, do vậy các lời giải tối ƣu đối với các mục tiêu khác
nhau không xảy ra đồng thời. Một ví dụ tiêu biểu là sự kết hợp giữa chi phí
và an ninh, một hàm chi phí tuyến tính đơn diễn tả sự kết hợp hài hòa giữa
các mục tiêu có thể là điều khó khăn.
2. Tính phi tuyến của hệ thống: Vì giải pháp quy hoạch phi tuyến dựa trên tính
bao của lời giải nằm trong vùng khả thi, nên khi xảy ra một sai lệch nhỏ
tuyến tính do hệ thống thực tế gây ra thì lời giải đƣợc đề nghị sẽ rơi ra ngoài
các ràng buộc của tiến trình điều khiển.
3. Các ràng buộc điều chỉnh cực nhỏ và gián đoạn: Nhiều thiết bị điều chỉnh
trong thực tế bắt buộc phải điều khiển rời rạc (theo nấc), thậm chí là các đại
lƣợng liên tục, ví dụ tiêu biểu nhƣ thiết bị điều chỉnh là kích từ máy phát đòi
hỏi điều khiển theo nấc nhỏ. Các phƣơng pháp tiếp cận quy hoạch tuyến
tính toàn bộ mà mô hình với các ràng buộc nhƣ vậy thƣờng tỏ ra không hiệu
quả.
Các điều kiện trên có thể gặp trong bất kỳ hệ thống điện nào và làm giới hạn lời

giải quy hoạch tuyến tính.
1.2.2. Phương pháp mạng neuron nhân tạo
a. Phương pháp
Các công trình nghiên cứu về mạng neuron sinh học đã cho thấy tốc độ xử lý
nhanh của bộ não do quá trình xử lý song song nhiều phần tử có tốc độ xử lý chậm
liên kết nhau. Hoạt động của hệ thần kinh gồm ba giai đoạn:
- Nhận kích thích
- Đƣa vào bộ thừa hành
- Đƣa ra tín hiệu xung để tác động
b. Cách lấy mẫu huấn luyện của mạng neuron
Cho trạng thái của mạng, sau đó sử dụng tập mờ để xác định hàm liên thuộc mờ
của phân loại khác nhau đối với tải cho trƣớc, tạo tập hợp đƣa vào mạng neuron huấn
luyện để tìm các công suất bù bơm tại các nút.
c. Cách huấn luyện
Dùng phƣơng pháp huấn luyện truyền ngƣợc để tìm ra bộ trọng số sao cho:
|Y| = |W| x |X|
|Y|: Ngõ ra (công suất bù)
|X|: Ngõ vào (công suất các nút mạng)
|W|: Bộ trọng số

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

10


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

Cách vận hành: sau khi đã có bộ trọng số |W| lúc này đƣa đầu vào bất kỳ, mạng

sẽ gia trọng để cho ra công suất bù tại các nút bù có nguồn.
d. Ứng dụng trong điều khiển điện áp và công suất phản kháng
Mạng neuron nhân tạo là một ngành của trí tuệ nhân tạo đã thu hút đƣợc sự
quan tâm rất lớn khi đƣợc dùng để giải quyết các bài toán ứng dụng trong hệ thống
điện quy mô lớn, phi tuyến và phức tạp. Mạng neuron “Hopfield” đã đƣợc ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ lúc Hopfield đề nghị năm 1982,1984. Trong bài
toán tối ƣu, mạng neuron Hopfield đã thể hiện tốt khi tìm ra các lời giải của các bài
toán tối ƣu phức tạp. Trong lĩnh vực hệ thống điện, mạng neuron Hopfield đƣợc ứng
dụng trong các bài toán tối ƣu trào lƣu công suất trong hệ thống và các bài toán điều
độ kinh tế phụ tải, điều khiển tối ƣu công suất phản kháng. Trong mô hình mạng
Hopfield thế mạnh neuron có các số tùy ý trong giai đoạn trung gian nhƣng giai đoạn
cuối thế mạnh neuron là hội tụ về các giá trị giới hạn (0,1) hoặc (-1,1), và vì vậy nó
đƣa ra lời giải khả thi. Nói chung một bài toán tối ƣu hóa cần một số lƣợng lớn các giá
trị số vì vậy phƣơng pháp đếm hay thể hiện dạng số nhị phân của các sơ đồ khác nhau
đã đƣợc dùng để thể hiện các số thực. Những phƣơng pháp trên sử dụng neuron đơn
để thể hiện giá trị bằng số lớn.
Bài toán điều khiển tối ƣu công
suất phản kháng là một trong các bài
toán tối ƣu hóa quan trọng trong hệ
thống điện đƣợc ứng dụng trong mạng
neuron Hopfield gồm 3 lớp với hàm
chuyển đổi sigmoid, phƣơng pháp
huấn luyện giống nhƣ trên. Khi chuẩn
bị huấn luyện các mẫu, các biến điều
khiển công suất phản kháng tối ƣu
đƣợc xác định độc lập bằng phƣơng
pháp phân tích đối với một vài giá trị
của tải nhƣ trong hình 1.1.

Lớp xuất dữ liệu

Wkj
Lớp ẩn

Wij
Lớp nhận dữ liệu

Hình 1.1: Mạng neuron 3 lớp

Khi áp dụng thực tế, các dữ liệu đầu vào đƣợc đƣa vào mạng neuron đối với
các tải cho trƣớc tƣơng ứng với các hàm liên thuộc trong các phân loại khác nhau. Các
giá trị hàm liên thuộc thể hiện sự không chắc chắn của tải và khả năng xác định của tải
trong các phân loại khác nhau. Số lƣợng phân loại tải là 5 đối với mỗi thanh cái tải, vì
vậy số lƣợng các neuron đầu vào gấp 5 lần số lƣợng các thanh cái tải. Đầu ra của
mạng neuron có 5 phân loại, vì vậy số lƣợng tổng các neuron đầu ra trong lớp xuất dữ
liệu gấp 5 lần số lƣợng các biến đầu ra của mạng neuron (các máy phát bơm công suất
phản kháng, các bộ bù bơm công suất phản kháng vào thanh cái và mô hình máy biến
áp thay đổi nấc). Hơn nữa, số lƣợng các neuron trong lớp ẩn bằng với số lƣợng neuron
trung bình trong lớp nhận dữ liệu và lớp xuất dữ liệu.
Một khi hàm liên thuộc tải đƣợc đƣa vào mạng neuron, mạng neuron sẽ đáp
ứng với các hàm liên thuộc cho trƣớc với các biến đầu ra của nó trong các phân loại

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

11


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

khác nhau. Hàm liên thuộc đầu ra sẽ mô tả một giá trị biến mà xác định bằng tiến trình
sau.
Đối với mỗi giá trị biến, lựa chọn giá trị tƣơng ứng với phân loại với hàm liên
thuộc lớn nhất, tuy nhiên mỗi biến của hàm liên thuộc có thể có 2 giá trị, vì vậy sẽ
chọn giá trị mà phân loại đó tƣơng ứng với hàm liên thuộc lớn thứ nhì. Ví dụ giả sử
rằng để thể hiện việc bơm VAR của một thanh cái điện áp nào đó là 0.00 VS (Very
Small), 0.00 S (Small), 0.09 M (Medium), 0.95 L (Large), 0.62 VL (Very Large).
Chọn phân loại có hàm liên thuộc lớn nhất. Hàm liên thuộc này tƣơng ứng 2 giá trị
VAR. Chọn một giá trị gần với hàm liên thuộc VL (phân loại với hàm liên thuộc lớn
thứ nhì) việc phát VAR tƣơng ứng sẽ là 0.83 pu. Nếu một biến đƣợc giả sử có hai giá
trị âm hoặc dƣơng, ví dụ sự bơm VAR thể hiện bởi các máy biến áp thay đổi nấc, biến
đó sẽ đƣợc xem xét nhƣ 2 biến (việc bơm dƣơng và việc bơm âm) lớp xuất dữ liệu của
mạng neuron.
Để xác định trạng thái của hệ thống điện từ lớp xuất dữ liệu, sử dụng các
phƣơng trình trào lƣu công suất. Các thanh cái bơm VAR (thanh cái cân bằng, thanh
cái máy phát và thanh cái tải) đƣợc cho trƣớc nhƣ các đầu ra, trong khi việc bơm công
suất thực tại tất cả các thanh cái (thanh cái máy phát và thanh cái cân bằng) đƣợc giả
định là cố định. Biên độ điện áp tại thanh cái cân bằng thƣờng không cố định (không
biết) trong tiến trình cực tiểu tổn thất, tuy nhiên giả sử rằng góc pha của thanh cái cân
bằng cho trƣớc cố định. Vì vậy, có thể xác định đƣợc 2 biến tại mỗi thanh cái và chạy
trào lƣu công suất đối với 2 biến còn lại. Đối với hệ thống nb thanh cái, hệ thống các
phƣơng trình đƣợc cho bởi:
 P2 
  2 
  
  





 Pnb 
 nb 

  J   


Q
1


 V1 
  
  




Qnb 
Vnb 

Trong đó: P và Q là độ lệch công suất tại các thanh cái, [J] là ma trận
Jacobi. Để cho kết quả nhanh chóng, sử dụng phƣơng pháp phân bố trào lƣu công suất
để tìm  và V.
Trong bài toán điều khiển tối ƣu điện áp/công suất phản kháng, lớp xuất dữ liệu
của mạng neuron đƣợc đƣa tới một lời giải tối ƣu gần. Lời giải bằng trào lƣu công suất
sau đó sẽ xác định trạng thái mạng neuron đƣa ra.
1.2.3. Điều khiển điện áp theo cấp
Italia là một trong những nƣớc đi tiên phong trong việc thực hiện điều khiển tự
động điện áp các máy phát đồng bộ. Phƣơng pháp này dựa trên cấu trúc điều khiển
theo cấp (Hình 1.2), bao gồm phân tích theo không gian và thời gian bài toán điều

khiển hiện thời thành các bài toán nhỏ hơn.

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

12


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

Bảng 1.1
Cấp điều khiển

Cấp 3

Cấp 2

Thời gian hồi đáp

Khoảng 15
hoặc lâu hơn

Khu vực điều khiển

Toàn bộ hệ thống

Cấp 1

phút Một phút tới vài Vài giây đến một

phút
phút
Một vùng

Một hoặc một vài
đơn vị

Hình 1.2: Điều khiển điện áp theo cấp

Việc phân tích theo không gian cho phép hiện hành hệ thống đa cấp của hệ
thống điện, nó chia mạng quốc gia thành các khu vực quanh các nút điều khiển.
Những thay đổi của điện áp các nút còn lại ở trạng thái bình thƣờng sẽ ảnh hƣởng đến
sự thay đổi điện áp của nút điều khiển trong khu vực. Việc phân tích theo thời gian
đƣợc thực hiện bằng việc chia một khoảng thời gian hồi đáp nhất định thành nhiều cấp
theo độ phức tạp của chúng.
Bộ điều khiển điện áp quốc gia (cấp 3) (National (Tertiary) Voltage Regulator
(NVR or TVR)) nhận định kỳ (15 phút một lần) trạng thái của hệ thống điện. Sau đó
dòng công suất tối ƣu (OPF) tính toán các mục tiêu tối ƣu dự kiến đối với các điện áp
nút điều khiển dựa trên dự báo trạng thái dòng và tải ngắn hạn. Tập hợp các điểm
đƣợc truyền tới cấp thứ 2 bao gồm các bộ điều khiển điện áp vùng (Regional Voltage
Regulators (RVRs)) và các bộ điều khiển công suất phản kháng trạm (reactive power
regulators (REPORTs). Sau đó RVR nhận tập hợp các điểm của các nút điều khiển
của nó để quyết định mức công suất phản kháng đối với REPORTs. Dựa theo mức
công suất phản kháng này, REPORTs điều khiển các trạm điện phát công suất phản
kháng tƣơng ứng với các giới hạn công suất phản kháng của các thiết bị điều khiển.
Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện tại các nƣớc Rumani, Ý, Pháp, Tây Ban Nha, Bỉ và
một số nƣớc khác. Đây cũng là hệ thống điều khiển điện áp/công suất phản kháng tự
động đầy đủ nhất. Nó cải thiện độ an toàn điện áp bằng cách đƣa các giá trị điện áp hệ
thống nhanh chóng về giá trị định mức trong một vòng điều khiển kín sau khi xảy ra
một sự cố bất kỳ và tiếp tục điều khiển việc phát công suất phản kháng dựa trên giải

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

13


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

pháp OPF đến khi giữ đƣợc biên độ lớn vừa đủ để tránh sụp đổ điện áp. Các tổn thất
truyền tải cũng có thể giảm bớt bằng cách giữ điện áp các nút điều khiển tại các giá trị
tối ƣu của chúng. Đây cũng là một ƣu điểm khác giúp giảm bớt công việc của ngƣời
vận hành và ngƣời vận hành có thể đƣa các kết quả này lên dữ liệu điện áp/công suất
phản kháng thay đổi chậm (ví dụ, từ giờ cao điểm sang ngoài giờ cao điểm hằng
ngày). Tuy nhiên, phƣơng pháp này vẫn còn một số giới hạn:
 Vẫn còn sự liên kết giữa một số vùng.
 Các nút điều khiển gặp khó khăn trong việc đƣa ra quyết định.
 Điều khiển quá thƣờng xuyên trên các máy phát.
 Không tính đến ảnh hƣởng đáng kể của các nguồn công suất phản kháng

khác (các tụ điện, …) với thời gian thực.
 Phƣơng pháp này không có khả năng thu thập tri thức từ kinh nghiệm.
 Các giải pháp phân tích không thể phản ánh chính xác trạng thái ban đầu của

hệ thống truyền tải điện ngẫu nhiên.
Các nhƣợc điểm này làm giới hạn phạm vi ứng dụng của phƣơng pháp điều
khiển điện áp theo cấp trong các mạng điện thực tế.
1.2.4. Các thuật toán dựa trên trí tuệ nhân tạo
Trí tuệ nhân tạo cung cấp các lựa chọn có thể thực hiện đƣợc nhằm khắc phục

các giới hạn của các phƣơng pháp phân tích kinh điển. Hệ chuyên gia tƣơng tác với
phần mềm phân tích hệ thống điện với điều kiện phân tích ma trận độ nhạy hệ thống
và dữ liệu đối với cơ sở tri thức. Phƣơng pháp này tiếp cận với vấn đề theo hai bƣớc:
 Giải quyết dòng công suất AC đối với trƣờng hợp cơ bản để xác định khu

vực yếu nhất và sự cố tới hạn, sau đó xây dựng hệ thống phụ nội bộ “ba cấp”
xung quanh khu vực dễ xảy ra sự cố.
 Động cơ suy diễn (Hình 1.3) của hệ chuyên gia sử dụng các luật heuristic và

các luật dựa trên kinh nghiệm đƣợc lƣu trữ trong cơ sở dữ liệu và ma trận độ
nhạy từ chƣơng trình phân tích độ nhạy hệ thống để lựa chọn hoạt động điều
khiển hiệu quả nhất.
Hiệu suất tính toán của hệ chuyên gia lai đƣợc cải thiện đáng kể bằng cách
giảm quy mô của hệ thống điện và loại trừ các bộ điều khiển điện áp kém hiệu quả. Tri
thức đƣa vào cũng nâng cao độ chính xác đối với phƣơng pháp ma trận độ nhạy kinh
điển. Nhƣng nó chỉ có thể thực hiện các luật có sẵn một cách cứng nhắc và không hiểu
rõ bản chất bên trong để khám phá tri thức mới. Ngoài ra, các thuật toán này chỉ có thể
giải quyết các vi phạm điện áp, dòng và không thể giải quyết trạng thái ngẫu nhiên
động trong bài toán điều khiển điện áp/công suất phản kháng.

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

14


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

Mô tơ suy diễn

Xác định cấu hình vận hành và dạng cây nhạy
Xác định các thanh cái có điện áp khác thƣờng

C
Ơ

S
Ở

T
R
I

T
H
Ứ
C

Xác định thanh cái có vi phạm điện áp lớn nhất





Chọn bộ điều khiển hiệu quả nhất
Tính toán hoạt động điều khiển đƣợc yêu cầu
Kiểm tra các giới hạn của bộ điều khiển
Kiểm tra các vi phạm điện áp trên các thanh cái còn lại
Đề nghị bộ điều khiển
Nếu vấn đề về điện áp vẫn còn tồn tại thì lựa chọn bộ

điều khiển gần nhất cho tới khi tất cả các bộ điều khiển
đều tham gia hoạt động điều khiển

 Nếu tất cả các bộ điều khiển có sẵn đều tham gia hoạt

động điều khiển và vấn đề về điện áp vẫn còn tồn tại, thì
gọi môđun bù công suất phản kháng
 Phân phối bổ sung các cuộn cảm và tụ shunt
Nếu vi phạm đƣợc khắc phục, thì tìm thanh cái gần nhất
với điện áp khác thƣờng cao nhất cho đến khi tất cả các
điện áp trở lại bình thƣờng

G
I
A
O
D
I
Ệ
N
N
G
Ƣ
Ờ
I
D
Ù
N
G

Hình 1.3: Thuật toán tìm kiếm của hệ chuyên gia
Logic mờ có thể giải quyết tình trạng không chắc chắn của hệ thống điện thực
tế thông qua thuyết tập mờ. B. Venkatesh và G. Sadasivm kết hợp logic mờ với lập
trình tuyến tính liên tục để giải quyết vấn đề điều khiển điện áp/công suất phản kháng.
Sau khi giải quyết dòng công suất trong trƣờng hợp cơ bản, các mục tiêu phức tạp
(kinh tế và độ an toàn) đƣợc tính toán bởi các hàm tuyến tính với các biến điều khiển
công suất phản kháng. Mỗi mục tiêu và ràng buộc đƣợc biểu diễn bởi một hàm thành
phần đƣợc định nghĩa chặt chẽ tới điều kiện tốt nhất khi nó mang một giá trị. Khi đó
các hàm mục tiêu đƣợc đƣa tới các giá trị tối ƣu của chúng và việc tuân theo các ràng
buộc đƣợc cực đại hóa bằng cách cực đại số lƣợng tối thiểu các hàm thành phần này.
Các bƣớc này đƣợc lặp lại liên tục cho đến khi sự cải thiện không còn đáng kể. So
sánh với phƣơng pháp lập trình tuyến tính liên tục truyền thống, phƣơng pháp này tìm
đƣợc giải pháp hợp lý hơn. Nhƣng nó cũng chỉ giải quyết đƣợc bài toán trong hệ thống
điện ở trạng thái xác lập.

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

15


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

Chương 2

ỨNG DỤNG HỆ MỜ ĐIỀU KHIỂN
ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1. Thuật toán và phương pháp điều khiển

2.2. Xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp trong hệ
thống điện

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

16


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

2.1.

T63 - 2008

Thuật toán và phƣơng pháp điều khiển

2.1.1. Thuật toán mô tả điều khiển
Mô hình toán học của bài toán tối ƣu hóa có dạng:
Tìm vector Z làm cực tiểu hàm:
f(z,x)
với các điều kiện ràng buộc:
h(z,x)  0
Trong đó:


z là tập hợp các đại lƣợng điều khiển đƣợc trong hệ thống điện (công
suất MVAR hay điện áp của các máy phát điện, đầu phân áp của các
máy biến áp, tụ hay kháng bù ngang)



x là tập các biến phụ thuộc



h là vector hàm biểu diễn điều kiện giới hạn của các biến điều khiển z
cũng nhƣ giới hạn làm việc của hệ thống



f là hàm mục tiêu

Hàm mục tiêu này có thể đƣợc dùng cho tác động điều khiển chữa (tất cả phụ
tải đƣợc cấp điện có vi phạm giới hạn và có thể đƣợc chữa không gây mất phụ tải).
Điểm làm việc nói ở đây (cực tiểu độ lệch từ một điểm làm việc đặc biệt) có thể là chế
độ tối ƣu ban đầu hay một chế độ xác định trƣớc. Thí dụ sự phối hợp giữa một tính
toán nghiên cứu xác định phân bố U-Q tối ƣu và một tính toán thời thực duy trì sự làm
việc không vi phạm giới hạn an toàn và ở gần chế độ tối ƣu nhất. Hiển nhiên rằng điều
khiển thời thực luôn luôn là quá trình bắt đuổi một mục tiêu động, do đó lời giải tối ƣu
chính xác không quan trọng bằng việc tuân thủ các giới hạn làm việc. Liên quan tới
điều khiển chữa, có thể phải xem xét điều kiện giới hạn cho thời gian yêu cầu bằng
việc lập mô hình (đơn giản hóa) động học của quá trình điều khiển.
Loại mục tiêu này về thực chất cho loại bài toán tối ưu đa mục tiêu, hƣớng tới
duy trì nhiều biến điều khiển có bản chất khác nhau. Hàm mục tiêu cực tiểu hóa
thƣờng đƣợc viết dƣới dạng khi một vi phạm điện áp cho trƣớc, cần xác định một tập
các thao tác điều khiển Ci, i = 1, 2, …, m, với m là số lƣợng thiết bị điều khiển, để vi
phạm điện áp trên đƣợc loại trừ. Ngoài ra tập của thiết bị điều khiển cần thỏa điều
kiện:
min {Wi*Ci}

(i = 1, 2, …, m)

Trong đó:


Ci là lƣợng điều chỉnh của thiết bị thứ i, thỏa ràng buộc:
Cimin  Ci  Cimax



Wi là trọng số đối với lƣợng điều chỉnh Ci

Tuy nhiên, vì công suất phản kháng yêu cầu trên mỗi thanh cái phụ tải đƣợc
quyết định chủ yếu bởi khách hàng sử dụng, nên việc điều độ công suất phản kháng

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

17


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

phải xem xét đến các yêu cầu của khách hàng. Nếu các yêu cầu trên không thỏa mãn,
điều đó có nghĩa là việc đƣa thêm vào các thiết bị bù công suất phản kháng là cần
thiết. Điều này thuộc về bài toán quy hoạch hệ thống điện
2.1.2. Phương pháp điều khiển
Để duy trì đƣợc dao động điện áp cho phép trong các điều kiện khác nhau của
các thay đổi về cấu hình hệ thống và cấu hình tải, thiết bị điều khiển điện áp đƣợc

trang bị phổ biến cho các hệ thống điện là các bộ tụ bù cung cấp công suất phản
kháng. Gần đây, các thiết bị điều khiển điện áp cục bộ nhƣ: các bộ tự động điều khiển
điện áp/công suất phản kháng (AVQC) và các bộ tự động điều chỉnh điện áp (AVR)
thƣờng đƣợc sử dụng tại các nhà máy điện và các trạm biến điện nhằm gia tăng độ an
ninh điện áp. Nhiều bộ điều khiển điện áp nhƣ vậy đƣợc nối kết thƣờng trực và có khả
năng lập trình chế độ cài đặt điện áp/công suất phản kháng theo các thời biểu về công
suất phản kháng hàng ngày. Việc điều khiển trực tiếp các bộ điều khiển điện áp trong
các tình huống vận hành thông thƣờng cần phải ít phổ biến hơn trong tƣơng lai gần.
Đối với các lập luận về an ninh điện áp, sự giám sát kết hợp của các thiết bị
điều khiển điện áp cục bộ có tầm quan trọng sống còn. Cần xem xét các biên điều
khiển của các nguồn công suất phản kháng có sẵn và phải tiên đoán trƣớc tình huống
trong vận hành, có thể là các tình huống nguy hiểm đối với an ninh điện áp của hệ
thống năng lƣợng điện. Khi đƣa hệ thống năng lƣợng điện vào chƣơng trình đƣợc kế
hoạch hóa, việc điều khiển điện áp sẽ đƣợc thực hiện trực tiếp chống lại các tình
huống vận hành có thể có, đặc biệt khi hệ thống mang tải nặng nề. Các điều khiển nhƣ
vậy cần nhanh cho các áp dụng trực tiếp, linh hoạt đối với các điều kiện thay đổi của
hệ thống, dễ dàng tuân theo tính logic ra quyết định của điều độ viên.
Điều khiển điện áp/công suất phản kháng có vai trò quan trọng khi xét đến tính
an ninh của hệ thống điện và đáp ứng yêu cầu giữ điện áp khách hàng ở phạm vi cho
phép, một điều rõ ràng là độ dao động điện áp phải đƣợc duy trì trong dải cho phép để
hệ thống điện đƣợc ổn định.
Cực tiểu tổn thất truyền tải cũng đƣợc xem là mục đích chính trong việc lập
thời biểu cho hệ thống điện. Một thời biểu đúng đắn của các nguồn công suất phản
kháng trong hệ thống điện đã đƣợc quy hoạch tốt dẫn đến các lợi ích sau:
a. Giảm tổn thất công suất thực trong hệ thống điện
b. Gia tăng tính an ninh của hệ thống điện do tăng nguồn công suất phản
kháng dự trữ khi xảy ra mất an ninh hệ thống điện
c. Giảm sai biệt điện áp giữa các nút trong hệ thống điện để cải thiện tính
trạng vận hành hệ thống điện
Bằng việc bơm công suất phản kháng vào các nút, độ dao động điện áp tại các

nút đƣợc giảm, và các vi phạm điện áp đƣợc loại trừ. Kỹ thuật hệ chuyên gia cung cấp
tập các hành động điều khiển thực tế cho ngƣời sử dụng. Trong các điều kiện xác lập,
các quan hệ trào lƣu công suất xấp xỉ bằng các phƣơng trình tách trào lƣu công suất
thực và công suất phản kháng.
 P  H N    
Q   J L  x V / V 
  
 

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

18


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

Dựa trên tính chất tách đƣợc của phƣơng trình trên, biên độ điện áp tại các nút
có thể đƣợc duy trì trong giới hạn nhất định bởi các nguồn công suất phản kháng trong
hệ thống điện.
Trong các hệ thống điện, các biến đổi nhu cầu năng lƣợng và các thay đổi cấu
hình hệ thống có thể dẫn đến các vi phạm điện áp. Các dao động điện áp tại các nút có
thể giảm bớt bằng việc thay đổi việc bơm vào, rút ra công suất phản kháng (trị số đặt)
của thiết bị điều chỉnh gồm: máy biến áp có đầu phân áp thay đổi, bộ tăng điện áp
cũng nhƣ xác định vị trí thích hợp để đặt của các nguồn công suất phản kháng nhƣ bộ
tụ bù tĩnh và máy bù đồng bộ.
1. Máy bù đồng bộ và các bộ tụ bù: Các thiết bị này cung cấp lƣợng nhất định
công suất phản kháng cho đƣờng dây truyền tải và vì vậy điều khiển đƣợc
độ lệch điện áp dọc đƣờng dây. Việc gia tăng các bộ tụ bù bơm công suất

phản kháng vào thanh cái dẫn đến sự gia tăng điện áp tại tất cả các phụ tải.
Thƣờng thƣờng các thanh cái gần các bộ tụ bù hơn về điện thì điện áp thanh
cái đó đƣợc gia tăng.
2. Thay đổi nấc máy biến áp: Đại lƣợng đo lƣờng này tăng hoặc giảm điện áp
thanh cái khi thay đổi tỉ số nấc máy biến áp. Khi các thanh cái trong hệ
thống điện đƣợc liên kết với nhau qua các đƣờng dây truyền tải, một số điện
áp thanh cái tăng và một số điện áp thanh cái còn lại giảm.
3. Thay đổi điện áp đầu cực máy phát: Đại lƣợng đo lƣờng này tƣơng tự nhƣ
việc bù của máy bù đồng bộ. Thay đổi công suất phản kháng của máy phát
bơm vào bằng việc thay đổi kích từ của máy phát làm thay đổi cả điện áp
của thanh cái máy phát và điện áp của thanh cái phụ tải.
Các giới hạn trên và giới hạn dƣới của các thiết bị điều chỉnh gồm các giới hạn
đối với nấc máy biến áp, các nguồn công suất phản kháng đóng cắt đƣợc trình bày nhƣ
sau
nijmin  nij  nijmax
QGmin  QG  QGmax
Dimin  Di  Dimax
Trong đó:


nijmin, nij, nijmax lần lƣợt là vị trí nhỏ nhất, hiện tại, và lớn nhất (tỉ số nấc)
của máy biến áp giữa thanh cái i, j



QGmin, QG, QGmax lần lƣợt là vị trí nhỏ nhất, hiện tại, và lớn nhất của đầu
ra công suất phản kháng máy phát tại thanh cái G



Dimin, Di, Dimax lần lƣợt là vị trí nhỏ nhất, hiện tại, và lớn nhất đầu ra
nguồn công suất phản kháng có thể đóng cắt tại thanh cái i

Các thiết bị điều khiển có thể thay đổi giá trị liên tục hoặc theo từng bƣớc. Khi
sử dụng các thiết bị điều khiển trên để điều khiển điện áp hệ thống điện, các đại lƣợng
này không có hiệu quả ngang nhau. Ngoài ra số lƣợng điều khiển cần cho mỗi đại
lƣợng đo lƣờng là không duy nhất. Đối với các lý do trên, cần đánh giá hiệu quả của

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

19


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

từng biện pháp điều khiển từ thực nghiệm. Một đánh giá khả thi là cực tiểu lƣợng công
suất phản kháng truyền trên đƣờng dây.
2.2. Xây dựng hệ mờ điều khiển điện áp trong hệ thống điện
2.2.1. Tổng quan
Nội dung này trình bày việc điều chỉnh điện áp/công suất phản kháng trong các
mạng với các thiết bị điều khiển đa dạng, dựa trên các bộ điều khiển mờ Mamdani, tạo
thành một hệ thống suy diễn mờ phổ biến. Đây không phải là bộ điều khiển chu trình
đóng nhƣng hệ thống cung cấp lời khuyên để sử dụng tại thời điểm cân nhắc trong vận
hành. Đây là một ứng dụng đa năng và tầm quan trọng của nó đƣợc thể hiện trong các
môi trƣờng DMS điều khiển các mạng phân phối với sự thâm nhập cao của các máy
phát phân phối.
Thông thƣờng, những máy phát này không góp phần điều chỉnh điện áp nhƣng
ngày nay việc bơm công suất phản kháng và điều khiển điện áp có thể đƣợc công nhận

nhƣ một dịch vụ đi kèm tại cấp phân phối, cho phép các nhà quản lý độc lập đàm phán
với các nhà vận hành hệ thống phân phối tham gia vào điều chỉnh công suất phản
kháng. Hiện nay, thậm chí đối với các máy phát năng lƣợng gió, điều này có thể thực
hiện đƣợc nhờ sự phát triển trong các kỹ thuật điện tử năng lƣợng liên kết các máy
phát với lƣới, hay các máy điều tốc đồng bộ của các máy phát cảm ứng dual-fed
(DFIG).
Bộ điều khiển điện áp mờ đƣợc phát triển giúp duy trì các cấp điều khiển trực
tiếp điện áp và cho phép ngƣời vận hành ƣu tiên các giải pháp dễ kiểm soát hệ thống;
ví dụ, nó đề xuất một vector các hoạt động điều khiển sẽ tham gia quản lý các tập
điểm điều khiển hợp lý trong phạm vi có thể của chúng.
Phƣơng pháp hƣớng tới các giá trị điện áp chính xác - nó không phải là dòng
công suất phản kháng tối ƣu hoàn toàn và các tổn thất công suất không đƣợc tối ƣu.
Hơn nữa, không có hoạt động thực hiện bơm công suất tiêu thụ. Tuy nhiên, các giới
hạn tuyến đƣờng dây đƣợc cho, phƣơng pháp không đƣợc sắp xếp các khái niệm nhƣ
là một phƣơng pháp tối ƣu kinh điển nhƣng giống nhƣ là một hệ thống điều khiển.
Tuy nhiên, có một sự tƣơng đƣơng rõ ràng giữa các khái niệm. Bộ điều khiển thực
hiện sự tối ƣu max-min Chebychev bằng các thuật cực đại và cực tiểu giá trị độ lệch từ
dải cho phép và điều này dẫn đến tác động dữ liệu điện áp đƣợc cân bằng trong hệ
thống bằng cách giảm sự chênh lệch điện áp giữa các thanh cái. Phƣơng pháp sẽ đƣợc
ứng dụng trên hệ thống thử nghiệm quá tải của IEEE.
Phƣơng pháp cung cấp một cách nhanh chóng các giải pháp vận hành có thể
chấp nhận đƣợc (trong hầu hết các trƣờng hợp là rất nhanh, nhanh hơn 10 đến 50 lần
thủ tục meta-heuristic). Không chỉ là những giải pháp này sẵn sàng cho ngƣời vận
hành sử dụng, mà tốc độ của phƣơng pháp cho phép ngƣời vận hành tính toán đến việc
sử dụng nó nhƣ một khối xây dựng sẵn thiết yếu trong phép lai giữa thuật toán tiến
hóa với bộ điều khiển mờ cũng nhƣ đạt đƣợc việc điều chỉnh chính xác trong các
trƣờng hợp khó hay đề xuất các giải pháp đối với bài toán quy hoạch điện áp/công suất
phản kháng.

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

20


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

2.2.2. Các khái niệm và các biến ngôn ngữ
Bộ điều khiển sẽ tồn tại trong môi trƣờng DMS/EMS và nó sẽ có sẵn dữ liệu về
cấu trúc mạng và đƣờng dây cũng nhƣ trên tất cả các thiết bị trong hệ thống có thể sử
dụng để điều khiển điện áp. Cơ sở dữ liệu DMS/EMS có thể chứa dữ liệu lý thuyết bởi
ngƣời vận hành, nhƣ các giới hạn đối với quá áp hay thấp áp tại các nút của lƣới. Hơn
nữa, từ mạng SCADA hoặc từ môđun đánh giá trạng thái của DMS/EMS nhận thông
tin trên các tải và điện áp đúng lúc, cũng nhƣ vị trí (trạng thái) của các bộ điều khiển
trong hệ thống. Đối với việc phát triển mô hình, giả sử ngƣời vận hành có thể thao tác
trên cấp của máy biến áp, đóng ngắt các dãy tụ, các bộ bù tĩnh hay bộ kích từ máy
phát.
Khi tính đến hoạt động điều chỉnh, các hệ số sau phải đƣợc đƣa vào:


Sự nhận dạng các độ lệch vi phạm lớn nhất và “đánh giá độ lệch” của nó,
đây là đối tƣợng mà bộ điều khiển sẽ tiến hành loại trừ đầu tiên.



“Hiệu quả” của hoạt động điều khiển, phụ thuộc vào chức năng của mỗi
thiết bị (máy phát, máy biến áp, tụ) và vị trí của nó trong mạng điện, ảnh
hƣởng của mỗi hoạt động sẽ khác nhau và các hoạt động hiệu quả hơn sẽ
đƣợc ƣu tiên.

Tất cả các hệ số này đƣợc gán với các biến ngôn ngữ:


NB - Negative Big (âm nhiều)



NS - Negative Small (âm ít)



ZE - Zero (không)



PS - Positive Small (dương ít)



PB - Positive Big (dương nhiều)

1. Hiệu quả điều khiển điện áp
Cách kinh điển để đánh giá ảnh hƣởng của sự thay đổi trong một thiết bị điều
khiển lên điện áp hệ thống là các hệ số độ nhạy Sij. Các biến độ nhạy đƣợc xác định
trong khoảng [0,1], do đó một tín hiệu trở nên liên quan với một biến ngôn ngữ “hiệu
quả” trên một lĩnh vực phân chia mờ với phạm vi các giá trị từ NB tới PB.
Các hệ số nhạy cũng có thể phụ thuộc vào mức độ tải và do đó việc chọn một
phƣơng pháp nhanh gọn để đánh giá độ nhạy rất quan trọng.
Để tìm thiết bị điều khiển hữu hiệu đối với tình huống vận hành cho trƣớc,

phƣơng pháp cây nhạy đã đƣợc sử dụng, kỹ thuật cây nhạy đƣợc dùng một cách rộng
rãi để phân tích hệ thống tuyến tính. Kỹ thuật này thể hiện mối quan hệ chính yếu giữa
các hành động điều khiển và các hiệu quả của chúng. Vì hệ thống năng lƣợng thực sự
là một hệ thống phi tuyến. Hệ số nhạy giữa đại lƣợng điều khiển công suất phản kháng
và các điện áp thanh cái có thể không là giá trị hằng số. Nói chung, hàm tính nhạy thứ
tự đầu tiên đƣợc sử dụng cho tính đơn giản, đặc biệt tính phi tuyến của hệ thống không
lớn. Kỹ thuật cây nhạy có thể sử dụng hiệu quả để phân tích bài toán điều khiển điện
áp/công suất phản kháng của hệ thống điện.

ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

21


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T63 - 2008

Đối với hệ thống điện có N thanh cái với M giá trị đo lƣờng điều khiển, mối
quan hệ giữa các điện áp thanh cái và các đại lƣợng đo lƣờng điều khiển đƣợc trình
bày trong hình:
V1

V2

V3 ….

ĐIỆN THẾ THANH CÁI

VN

Sij: HỆ SỐ NHẠY (Hàm bậc nhất
quan hệ giữa thiết bị điều khiển và
điện áp thanh cái)

C1

C2

C3 ….

CM

BỘ ĐIỀU KHIỂN

Có thể thấy việc thay đổi mỗi đại lƣợng đo lƣờng điều khiển sẽ dẫn đến vài
thay đổi điện áp thanh cái. Đối với điện áp thanh cái bất kỳ, điều này có thể tính toán
bằng việc sử dụng kỹ thuật cây nhạy các thao tác điều khiển cần thiết để khử dao động
điện áp này. Hai yếu tố giới hạn hành động điều khiển đó: là thao tác điều khiển không
vƣợt quá các ràng buộc về điều khiển, và hành động điều khiển đã khử vi phạm điện
áp sẽ không tạo ra các vi phạm điện áp tại các thanh cái khác.
Việc bơm công suất phản kháng đối với các mục đích điều khiển chỉ hiệu quả
trong vùng giới hạn, điều này có nghĩa là chỉ có các thanh cái và đƣờng dây kề cận có
tính nhạy đáng kể đối với các điều khiển này. Điều này do tổn thất công suất phản
kháng lớn và số lƣợng các thanh cái đƣợc điều khiển điện áp hút bơm công suất phản
kháng dƣ. Sử dụng quan điểm này để đơn giản cây nhạy để phát triển một hệ mờ điều
khiển điện áp/công suất phản kháng.
2. Độ lệch vi phạm điện áp
Điều kiện để điều khiển điện áp thích hợp là Vimin  Vi  ViMax , đối với tất cả
các nút i hạn chế “vùng chết” nơi không có hoạt động điều khiển đƣợc yêu cầu. Ngoài

dải này, độ lệch của vi phạm điện áp Vi đƣợc xác định tƣơng ứng với giá trị của nó
Vi  Vi  Vimin (nếu Vi  Vimin ) hoặc Vi  Vi  ViMax (nếu Vi  ViMax ). Do đó Vi
có thể âm hoặc dƣơng.
Khoảng tin cậy [a,b] đƣợc định nghĩa đối với các vi phạm cho phép và đƣợc
sắp xếp trong khoảng [–1,1]. Các giá trị của Vi dƣới a đƣợc sắp xếp đến –1 và các
giá trị trên b đƣợc sắp xếp đến 1.
Do đó, phải tạo ra tín hiệu EV để có thể liên kết với biến ngôn ngữ “độ lệch vi
phạm điện áp”, với các giá trị từ NB đến PB.
2.2.3. Xây dựng cơ sở tri thức và cơ sở dữ liệu cho hệ mờ
Phần này giới thiệu lập luận xấp xỉ của việc điều khiển điện áp/công suất phản
kháng dựa trên mô hình linh hoạt. Trong mô hình này, các nghiệm suy điều khiển
đƣợc diễn tả bởi các luật IF-THEN đƣợc diễn tả nhƣ sau:
ThS. Lê Thị Hồng Nhung - KS. Nguyễn Hoàng Minh

22