nghiên cứu thuật toán giảm tổn thất công suất trên lưới phân phối

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ HUY CHIẾN

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN GIẢM TỔN THẤT
CÔNG SUẤT TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 605250

S KC 0 0 4 0 8 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
-------o0o------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ HUY CHIẾN

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN GIẢM TỔN THẤT
CÔNG SUẤT TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 605250
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ và tên: Hà Huy Chiến
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 21-01-1985
Nơi sinh: Bình Định
Quê quán: Bình Định
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 94 Cần Vƣơng –P.Nguyễn Văn Cừ -Tp.Quy NhơnT.Bình Định.
Điện thoại riêng: 090 66 44 456 .
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy
Thời gian đào tạo từ 9/2004 đến 8/ 2009
Nơi học (trường, thành phố): Đại Học sƣ phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh.
Ngành học: Điện Khí Hóa - Cung Cấp Điện
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
-Điều khiển lập trình nâng cao

-Thiết kế hệ thống điện
-Chuyên đề hệ thống điện
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
7-7-2009 tại trường Đại Học sƣ phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Từ 3/2010 đến 3/2011: Công tác tại Công ty TNHH sản xuất tủ bảng điện Hải Nam.
Từ 4/2011 đến nay : học Cao học tại trường Đại Học sƣ phạm kỹ thuật thành phố Hồ
Chí Minh


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 09 năm 2013
(Ký tên và ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM TẠ
Điều trước tiên, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Quyền Huy
Ánh, người Thầy đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp những tài liệu vô cùng quí
giá và dìu dắt tôi thực hiện hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Xin chân thành cám ơn đến tất cả Quí Thầy, Cô đã giảng dạy, trang bị cho tôi
những kiến thức rất bổ ích và quí báu trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên
cứu sau này.
Xin cảm ơn Gia đình đã tạo mọi điều kiện để tôi yên tâm học tập tốt trong suốt
thời gian vừa qua.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè thân thuộc đã động viên, tạo điều kiện thuận lợi và
hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập, công tác cũng như trong suốt thời

gian thực hiện luận văn.
Xin cảm ơn các Anh Chị em học viên cao học khóa 2011A, những người luôn
giành những tình cảm sâu sắc nhất, luôn bên cạnh, luôn động viên, khuyến khích tôi
vượt qua những khó khăn trong suốt quá thực hiện luận văn này.
TP.Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013
Người thực hiện

Hà Huy Chiến


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này nghiên cứu về trạng thái đóng cắt tối ưu của các khóa điện trong
hệ thống phân phối. Các mục tiêu và điểm mới của luận văn này như sau:
1. Các mục tiêu của luận văn:
1.1 Nghiên cứu về các phương pháp tối ưu trạng thái đóng cắt các khóa điện trong
hệ thống phân phối.
1.2 Đưa ra một phương pháp tìm kiếm trạng thái đóng cắt tối ưu các khóa điện
trong hệ thống phân phối, có thể được áp dụng để tính toán và vận hành hệ thống phân
phối địa phương.
2. Điểm mới của luận án:
2.1 Áp dụng thuật toán Heuristic với nguyên tắc tham lam chọn lọc xén vào bài
toán tái cấu trúc lưới điện. Với thuật toán này, chúng ta có thể tìm ra kết quả một cách
nhanh chóng trong khi các điều kiện ràng buộc được thỏa mãn và kết quả có thể được
chấp nhận.
2.2 Đưa ra một thuật toán Heuristic kết hợp chọn lọc cuc bộ có lai ghép để khắc
phục những thiếu sót của thuật toán Heuristic tham lam. Kết quả được so sánh với kết
quả của hệ thống mẫu trên các tạp chí IEEE

.

ABSTRACT

This thesis research on the optimum of the state of switches in distribution
system. The goals and new points of this thesis read as follows:
1.

The goals of thesis:

1.1 Generally researching on the methods of the optimum of state of switches
in distribution system.

1.2 Bringing out a method of finding an optimal state of switches, which can
be applied to calculate and to operate the distribution system in local.

2.

New points of thesis:

2.1 Applying Heuristic algorithm with Greedy principle and cutting selection
to the problem reconfiguration radial network . With this algorithm, we can
find the results quickly while the bound conditions are satisfied and the results
can be accepted.

2.2 Giving a heuristic algorithm combined with selective partial hybrids to
overcome the shortcomings of the greedy heuristic algorithm. The results were
compared with the results of the prototype system on the IEEE Journal.


MỤC LỤC

Trang
Đặt vấn đề

1

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN

2

1.1.

Sơ lược về hệ thống điện

2

1.2.

Vai trò của lưới điện phân phối

3

1.3.

Đặc điểm chung của lưới điện phân phối

3

1.4.

Giới thiệu bài toán

4

1.5.

Phân loại các phương pháp giải bài toán tái cấu trúc

4

1.6.

Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

10

1.6.1 Các mục tiêu

10

1.6.2

10

Các nhiệm vụ cụ thể

1.6.3 Phương pháp nghiên cứu

11

CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

12

2.1. Mô hình toán của tái cấu trúc mạng điện

12

2.2

Thuật toán di truyền (GA)

2.2.1 Giới thiệu

14
.

14

2.2.2. Các phép toán của thuật toán di truyền

14

2.2.3. Cấu trúc của thuật toán di truyền tổng quát

.

19

2.2.4. Kết luận

.

20

2.3. Thuật giải Heuristic

.

22

2.3.1. Tổng quan

.

22

2.3.2 Nội dung thuật giải Heuristic

22

Các phương pháp tìm kiếm Heuristic

25

2.3.3.1 Cấu trúc chung của bài toán tìm kiếm

25

2.3.3.

2.3.3.2 Tìm kiếm chiều sâu và tìm kiếm chiều rộng

26

2.3.3.3 Tìm kiếm leo đồi

29

2.3.3.

Các phương pháp tìm kiếm Heuristic

22

CHƢƠNG 3 : ÁP DỤNG THUẬT TOÁN HEURISTIC VÀO BÀI TOÁN.

31

3.1. Phát biểu thuật giải Heuristic.

31

3.2. Lưu đồ mô tả thuật toán Heuristic tham lam.

33

CHƢƠNG 4 : ÁP DỤNG THUẬT TOÁN HEURISTIC CẢI TIẾN VÀO BÀI
TOÁN.
4.1. Giới thiệu phương pháp Heuristic kết hợp chọn lọc cục bộ có lai ghép.

38

4.2. Phép chọn lọc trong thuật toán Genetic.

38

4.2.1 Quy tắc chọn lọc xén.

39

4.2.2 Quy tắc chọn lọc theo bàn Roulete

39

4.2.3 Quy tắc chọn lọc theo kiểu rải

41

4.2.4 Quy tắc chọn lọc cục bộ

42

4.2.5 Quy tắc chọn lọc nhiều lần

42

4.3 Thuật toán Heuristic kết hợp chọn cục bộ có lai ghép giải bài toán giảm tổn thất
công suất .
43

4.4

Giới thiệu thuật toán Heuristic tham lam chọn lọc Xén

CHƢƠNG 5 : KẾT QUẢ CHƢƠNG TRÌNH
5.1. Mạng 3 nguồn.
5.2
Mạng 32 nút tải
5.3
Nhận xét .
CHƢƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
6.1. Kết luận
6.2. Hướng phát triển
Tài liệu tham khảo

47

49
52
59
61
61
62


CÁC TỪ VIẾT TẮT
GA

Genetic algorithms

KCL

Kirchhoff current law

KVL

Kirchhoff voltage law

SCADA

Supervisory Control and Data Acquisition


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
Hình 2.1 : Giải bài toán bằng nguyên lý Greedy.
Hình 2.2 : Ví dụ mô hình chung bài toán tìm kiếm.
26

TRANG
25

Hình 2.3 : Hình ảnh của tìm kiếm chiều sâu
27
Hình 2.4 : Hình ảnh của tìm kiếm chiều rộng
Hình 2.5 : Chi phí ước lượng h’ = 6 và chi phí tối ưu thực sự.
Hình 3.1 : Cấu trúc mạng 3 nguồn sau bước 1.
Hình 3.2 : Cấu trúc mạng 3 nguồn sau bước 2.
Hình 3.3 : Cấu trúc mạng 3 nguồn sau bước 12.
Hình 4.1 : Bàn Roulete

Hình 4.2 : Phân bố độ thích nghi của cá thể .
Hình 4.3 : Chọn lọc ngẫu nhiên theo bàn Roulete.
Hình 4.4 : Chọn lọc theo kiểu rải.

28
29
31
32
33
40
41
41
42

Hình 5.1 : Sơ đồ mạng 3 nguồn ban đầu.

49

Hình 5.2 : Cấu hình mạng ứng với thuật toán Heuristic chọn lọc xén

51

Hình 5.3 : Cấu trúc mạng 32 nút tải ban đầu.
53
Hình 5.4 : Cấu hình mạng tối ưu với thuật toán Heuristic chọn lọc Xén.
56
Hình 5.5 : Cấu hình mạng tối ưu với giải thuật Heuristic kết hợp chọn lọc cục bộ có
lai ghép.
58

Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

ĐẶT VẤN ĐỀ
Xu thế kinh tế, chính trị và xã hội đang thịnh hành trên thế giới chỉ ra rằng cần phải
làm cho việc phát điện, truyền tải điện và phân phối điện ngày càng có hiệu suất cao.
Trong quá khứ, các kỹ sƣ điện chỉ quan tâm nghiên cứu trên lĩnh vực phát điện
và truyền tải, hệ thống điện phân phối ít đƣợc quan tâm. Chỉ gần đây các kỹ sƣ mới
đƣợc trang bị các phƣơng tiện để đƣơng đầu với khối lƣợng tính toán lớn trong hệ
thống phân phối trong việc mô phỏng và mô hình chính xác. Vì xã hội ngày càng lệ
thuộc hơn vào độ tin cậy cung cấp điện năng, hệ thống điện phân phối trở nên rất quan
trọng. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng tổn thất trên đƣờng dây phân phối chiếm
13% tổng công suất điện phát ra. Do đó mỗi phƣơng cách làm giảm tổn thất, tăng độ
tin cậy cung cấp điện trong hệ thống phân phối đều xứng đáng đƣợc nghiên cứu.
Hiện có nhiều giải pháp làm giảm tổn thất ở cấp phân phối: tái cấu trúc, lắp đặt
tụ bù, cân bằng tải, đƣa vào cấp điện áp cao hơn và thay đổi vật liệu dẫn điện. Mặc dù
hiện có nhiều phƣơng pháp làm giảm tổn thất, tuy nhiên khó có thể đo lƣờng, so sánh
các phƣơng pháp về mặt phí tổn tài chánh. Trong những trƣờng hợp nhất định, lắp
thiết bị để làm giảm tổn thất có thể không hiệu quả về mặt chi phí hoặc nó có thể làm
giảm độ tin cậy của hệ thống. Sự ra đời của hệ thống giám sát điều khiển và thu nhận
dữ liệu (SCADA) đã cho phép sử dụng để quan sát và điều khiển từ xa các thiết bị
đóng cắt của mạng điện phân phối.
Nhiều chƣơng trình máy tính đã đƣợc lập ra để tìm cấu trúc mạng điện với tổn thất nhỏ
nhất dựa trên các ràng buộc cho trƣớc. Cấu trúc này có thể đạt đƣợc bằng cách thay
đổi trạng thái đóng/mở của các thiết bị đóng, cắt trên các đƣờng dây liên kết (là đƣờng
dây có thiết bị đóng cắt ở cả hai đầu). Thủ tục này đƣợc gọi là tái cấu trúc mạng điện.
Những ngƣời đi tiên phong trong lĩnh vực này là A. Merlin và H. Back, đã
nghiên cứu và đƣa ra vấn đề này vào năm 1975. Tuy nhiên mãi đến những năm cuối

thập kỷ 1980 và suốt thập kỷ 1990, vấn đề này mới đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên
cứu và đƣa ra các phƣơng pháp giải khác nhau.
Vấn đề này nghe có vẻ đơn giản, nhƣng tại sao lại lôi cuốn nhiều nhà khoa học
nghiên cứu nhƣ vậy và đến nay đã mang lại kết quả, ứng dụng nào trong thực tiễn hay
chƣa. Trong luận văn sẽ nghiên cứu các vấn đề này và đƣa ra một phƣơng pháp giải có
thể áp dụng để tính toán, vận hành lƣới điện phân phối .
HVTH: Hà Huy Chiến

1


Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1/ Sơ lược về hệ thống điện:
Hệ thống điện là hệ thống bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, lƣới điện
truyền tải và phân phối đƣợc nối với nhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất,
truyền tải và phân phối điện năng.
Tùy theo mục đích nghiên cứu, hệ thống điện đƣợc phân chia thành các phần hệ
thống tƣơng đối độc lập nhau:
- Về mặt quản lý, vận hành, hệ thống điện đƣợc phân thành:
. Các nhà máy điện do các nhà máy điện quản lý.
. Lƣới điện siêu cao áp (>= 220KV) và trạm khu vực do các công ty truyền tải
điện quản lý.
. Lƣới truyền tải 110KV và phân phối do các công ty điện lực quản lý, dƣới nó
là các điện lực.
- Về mặt quy hoạch, lƣới điện đƣợc phân thành hai cấp:
. Lƣới hệ thống bao gồm:

. Các nguồn điện và lƣới hệ thống (500, 220, 110KV).
. Các trạm khu vực (500, 220, 110KV) đƣợc quy hoạch trong tổng sơ đồ.
. Lƣới phân phối (U <=35KV) đƣợc quy hoạch riêng.
- Về mặt điều độ chia thành hai cấp:
. Điều độ trung ƣơng.
. Điều độ địa phƣơng. Công tác điều độ bao gồm:
Điều độ các nhà máy điện.
Điều độ các miền.
Điều độ các điện lực.
- Về mặt nghiên cứu, tính toán, hệ thống điện đƣợc phân chia ra thành:
. Lƣới hệ thống 500KV.
HVTH: Hà Huy Chiến

2


Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

. Lƣới truyền tải (35, 110, 220KV).
. Lƣới phân phối trung áp (6, 10, 15, 22, 35KV).
. Lƣới phân phối hạ áp (0,4KV, 0,22KV).
1.2/ Vai trò của lưới điện phân phối:
Các nhà máy điện thƣờng đƣợc xây dựng ở những nơi gần nguồn nhiên liệu
hoặc việc chuyên chở nhiên liệu thuận lợi, ít tốn kém. Trong khi đó các trung tâm phụ
tải lại ở xa, do vậy phải dùng lƣới truyền tải để chuyển tải điện năng đến các hộ phụ
tải. Vì lý do kinh tế cũng nhƣ an toàn, không thể cung cấp điện trực tiếp cho các phụ
tải bằng lƣới truyền tải, do vậy phải dùng lƣới điện phân phối.
Lƣới điện phân phối thực hiện nhiệm vụ phân phối điện cho một địa phƣơng

(một thành phố, quận, huyện,…) có bán kính cung cấp điện nhỏ, dƣới 50km.
Mạng điện phân phối có ảnh hƣởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của
toàn hệ thống, cụ thể là:
1/ Chất lƣợng cung cấp điện: Ở đây là độ tin cậy cung cấp điện và độ dao động của
điện áp tại hộ phụ tải.
2/ Tổn thất điện năng: Thƣờng tổn thất điện năng ở lƣới phân phối lớn gấp 3 đến 4 lần
so với tổn thất điện năng ở lƣới điện truyền tải.
3/ Giá đầu tƣ xây dựng: Nếu chia theo tỷ lệ cao áp, phân phối trung áp, phân phối hạ
áp thì vốn đầu tƣ mạng cao áp là 1, mạng phân phối trung áp thƣờng từ 1,5 đến 2 và
mạng phân phối hạ áp thƣờng từ 2 đến 2,5 lần.
4/ Xác suất sự cố: sự cố gây ngừng cung cấp điện sửa chữa bảo dƣỡng theo kế hoạch,
cải tạo, đóng trạm mới trên lƣới phân phối cũng nhiều hơn lƣới truyền tải.
1.3/ Đặc điểm chung của lưới điện phân phối:
1/ Chế độ vận hành bình thƣờng của lƣới điện phân phối là vận hành hở, hình tia hoặc
dạng xƣơng cá. Để tăng cƣờng độ tin cậy cung cấp điện, mạng điện phân phối thƣờng
đƣợc thiết kế dạng mạch vòng nhƣng vận hành hở.
2/ Trong mạch vòng các xuất tuyến đƣợc liên kết với nhau bằng dao cách ly, hoặc thiết

HVTH: Hà Huy Chiến

3


Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

bị nối mạch vòng (Ring Main Unit). Các thiết bị này vận hành ở trạng thái mở. Trong
trƣờng hợp cần sửa chữa hoặc sự cố đƣờng dây điện thì việc cung cấp điện không 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 mạch vòng.
3/ Phụ tải của lƣới phân phối đa dạng và phức tạp, nhất là ở Việt Nam. Các phụ tải
sinh hoạt, dịch vụ và tiểu thủ công nghiệp đa phần cùng trong một hộ phụ tải.
Kết quả của các nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành đã đƣa đến kết luận
nên vận hành lƣới phân phối theo dạnh hình tia bởi các lý do:
- Vận hành và bảo vệ mạng đơn giản hơn.
- Trình tự phục hồi lại kết cấu lƣới sau sự cố dễ dàng hơn.
- 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.
1.4/ Giới thiệu bài toán
Các mạng lƣới phân phối là phần rộng lớn nhất của hệ thống điện. Chúng sinh ra một
lƣợng lớn tổn thất điện năng mức điện áp thấp của hệ thống phân phối. Mục tiêu của
tái cấu trúc mạng lƣới phân phối là để tìm một cấu trúc vận hành hình tia để giảm thiểu
tổn thất điện năng của hệ thống phân phối theo các điều kiện hoạt động bình thƣờng.
Nói chung, mạng lƣới phân phối đƣợc xây dựng nhƣ các mạng nối liền với nhau, trong
khi vận hành, chúng đƣợc sắp xếp để thành một cấu trúc hình tia. Điều này có nghĩa
rằng, hệ thống phân phối đƣợc chia thành hệ thống con có đầu ra hình tia, chứa một số
khóa thƣờng đóng và một số khóa thƣờng mở. Theo lý thuyết đồ thị, mạng lƣới phân
phối có thể là đại diện bằng một đồ thị G (N, B) có chứa một tập hợp các nút N và một
bộ nhánh B. Mỗi nút đại diện hoặc một nút nguồn (cung cấp bởi máy biến áp) hoặc
một nút tải (điểm tải khách hàng), trong khi nhánh đại diện cho một đầu ra tại đó có
thể đƣợc cấp nguồn (khóa đóng) hoặc không cấp nguồn (khóa mở). Mạng là hình tia,
để các phần đầu ra tạo thành một tập hợp các cây có mỗi nút tải đƣợc cấp chính xác
một nút nguồn. Vì vậy, vấn đề tái cấu trúc mạng là để tìm một cấu trúc vận hành hình
tia để giảm thiểu tổn thất điện năng hệ thống trong khi đáp ứng các ràng buộc trong
vận hành. Trong thực tế, tái cấu trúc mạng lƣới phân phối có thể đƣợc xem nhƣ là một

HVTH: Hà Huy Chiến

4

Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

vấn đề xác định một cây tối ƣu của đồ thị đã cho.
1.5 Phân loại các phương pháp giải bài toán tái cấu trúc
Các thuật toán tái cấu trúc trên thế giới có thể phân loại theo phƣơng pháp giải.
-

Phƣơng pháp hỗn hợp heuristic và tối ƣu.

-

Phƣơng pháp thuần túy heuristic.

-

Phƣơng pháp tập các chỉ số.

-

Phƣơng pháp hỗn hợp heuristic và mờ.

-

Phƣơng pháp thông minh nhân tạo: bao gồm mạng nơ ron, hệ chuyên gia,
gen, hỗn hợp gen và heuristic.

-

Phƣơng pháp trí thông minh bầy đàn.

Phần tiếp theo trình bày lần lƣợt theo từng phƣơng pháp giải:
i/Phƣơng pháp hỗn hợp heuristic và tối ƣu:
Merlin và Back là ngƣời đầu tiên đặt vấn đề tái cấu trúc hệ thống điện phân phối nhằm
giảm tổn thất điện năng. Họ sử dụng phƣơng pháp hỗn hợp heuristic và tối ƣu để xác
định cấu hình của một hệ thống phân phối vận hành với tổn thất nhỏ nhất.
Merlin và Back mô hình hệ thống phân phối bằng một cấu trúc cây mở rộng. Các đoạn
dây của hệ thống phân phối đƣợc biểu diễn bằng các nhánh và các thanh cái bằng các
nút. Nhƣ một vấn đề mở rộng cây, cấu hình mạng tối ƣu có thể đƣợc xác định từ các
giá trị biến nhị phân tìm đƣợc ứng với các trạng thái khóa điện. Trong thuật giải
Merlin và Back bỏ qua các ràng buộc của hệ thống. Sau đó Shirmohammadi và Hong
đã hiệu chỉnh phƣơng pháp này bằng cách xét đến các ràng buộc của dòng và áp trên
đƣờng dây. Đồng thời Shirmohammadi và Hong sử dụng kỹ thuật phân bố công suất
dựa trên sự bù để mô phỏng mạng nối vòng “yếu” đƣợc chính xác hơn.
- Thuật toán Merlin và Back đã đƣợc hiệu chỉnh:
Thuật toán đầu tiên của Merlin và Back chỉ tính tới thành phần thực của dòng khi tính
tổn thất và giả thiết rằng có thể bỏ qua góc điện áp. Để biểu thị cho hệ thống đã đƣợc
phân tích trƣớc đó, Merlin và Back đã xấp xỉ đáp ứng của hệ thống phân phối bằng

HVTH: Hà Huy Chiến

5


Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

cách thực hiện phân bố công suất dòng một chiều. Hệ thống phân phối đƣợc giả thiết
là cân bằng, và tổn thất trên đƣờng dây không đƣợc xét tới.
Merlin và Back khẳng định rằng phân bố công suất trong mạng hình tia làm cho tổn
thất của hệ thống nhỏ nhất là phân bố giống với mạng đƣợc nối vòng khi giải luật
Kirchhoff dòng và áp một cách đồng thời. Thuật toán của Merlin và Back đòi hỏi một
số bƣớc lặp loại bỏ các nhánh có dòng công suất chảy qua là nhỏ nhất và sau đó thực
hiện phân bố công suất tối thiểu tổn thất cho đến khi có đƣợc một mạng hình tia. Thuật
toán nhánh và biên đƣợc sử dụng để giải quyết vấn đề cho thấy tốn rất nhiều thời gian:
có 2n cấu hình hệ thống ứng với n đoạn đƣờng dây có lắp khóa điện.
ii/ Phƣơng pháp thuần túy heuristic:
Phƣơng pháp này đƣợc các tác giả sử dụng để giải quyết các bài toán trong trƣờng hợp
vận hành bình thƣờng nhƣ nêu ở trên.
Để giải quyết bài toán thứ nhất, các tác giả cố gắng tìm ra các hoạt động đóng
cắt tối ƣu theo từng cặp ở từng thời điểm. Mỗi cặp hoạt động đóng/cắt điện làm giảm
một lƣợng tổn thất trên điện trở nhất định. Phƣơng pháp này sử dụng các công thức
kinh nghiệm để đánh giá độ giảm tổn thất ứng với mỗi hoạt động đóng ngắt điện và
đƣa ra các luật nhằm giảm số hoạt động đóng ngắt điện cần xét đến. Một thí dụ điển
hình là thuật toán đƣợc phát triển bởi Civanlar và Graiger. Họ sử dụng hai luật
heuristic đã đƣợc tìm ra để chọn mỗi thao tác đóng ngắt điện:
1) giảm tổn thất chỉ có thể đạt đƣợc nếu nhƣ có một điện áp đáng kể giữa hai đầu khóa
điện mở.
2) giảm tổn thất sẽ đạt đƣợc nếu tải ở phía sụt áp cao hơn của khóa điện mở đƣợc
chuyển sang phía khác. Một công thức kinh nghiệm đƣợc sử dụng để đánh giá thay đổi
tổn thất do bởi một cặp thao tác đóng ngắt điện mà không cần chạy phân bố công suất
toàn hệ thống. Vì vậy quá trình tìm kiếm rất nhanh và có hiệu quả.
Tuy nhiên, tác giả chỉ xét bài toán giảm tổn thất công suất tại một điểm vận
hành. Phƣơng pháp này sau đó đã đƣợc nhiều tác giả sử dụng để giải bài toán giảm tổn
thất trong một khoảng thời gian (giảm tổn thất năng lƣợng). Trong đó trình bày đầy đủ
nhất, có thể áp dụng trong vận hành thực tế là bài báo của Dariush Shirmohammadi và

HVTH: Hà Huy Chiến

6


Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

các cộng sự đƣa ra.
Bài toán thứ ba đƣợc Aoki và các cộng sự đề cập đến đầu tiên. Tuy nhiên ở bài
báo này Aoki và các cộng sự chỉ mới giải bài toán với tải không đổi. Sau đó thuật toán
này đã đƣợc Yuan-Yih Hsu và các cộng sự giải chi tiết hơn và có đề cập đến tải thay
đổi.
iii/ Phƣơng pháp tập các chỉ số:
Phƣơng pháp này do Whei-Min Lin và Hong-Chan Chin, thành viên của phòng Kỹ
Thuật Điện đại học Quốc gia Sun Yat-Sen Đài Loan đƣa ra và đƣợc đăng trên tạp chí
IEEE Trans. on Power Delivery vào năm 1998.
Trong bài báo này định nghĩa 3 tập chỉ số đóng cắt. Điện áp nhánh và các hằng số
đƣờng dây đƣợc sử dụng với tất cả các ràng buộc về điện. Mạng vòng đƣợc xét thay vì
mạng hình tia bằng cách đóng tất cả các khóa điện liên kết. Bằng cách chỉ xét các chỉ
số đóng cắt lớn nhất trong mỗi vòng, thuật toán này có thể làm giảm số trạng thái cần
xét một cách đáng kể. Trong bài này giải quyết hai vấn đề: giảm tổn thất và duy trì
dịch vụ cung cấp điện.
iv/ Phƣơng pháp hỗn hợp heuristic và mờ:
Phƣơng pháp này đƣợc Whei-Min Lin, Hong-Chan Chin và Gyne-Jong Yu - thành
viên của phòng Kỹ Thuật Điện đại học quốc gia Sun Yat-Sen, Kaohsiung, Đài Loan
đƣa ra trong hội nghị khoa học về ngành điện trên thế giới năm 1999.
Bài báo này trình bày một kế hoạch đóng cắt khóa điện dựa trên heuristic để giải quyết

vấn đề giảm tổn thất trên đƣờng dây phân phối bằng các ký hiệu mờ. Bằng cách sử
dụng thuật toán đề nghị, có đƣợc một cấu trúc mạng có hiệu quả trong việc giảm tổn
thất. Trong bài báo này định nghĩa một vài hàm thành viên. Thông qua “tập hợp” các
phép tính trên các hàm thành viên, có thể xác định đƣợc trạng thái đóng-mở của các
khóa điện. Bằng cách xét giá trị thành viên lớn nhất có đƣợc trong mỗi bƣớc tìm kiếm,
có thể giới hạn số trạng thái cần xét.
Mô tả vấn đề
Trong trạng thái vận hành bình thƣờng, có thể tái cấu trúc đƣờng dây để giảm tổn thất.
Việc chuyển tải có thể đƣợc thực hiện bằng cách mở một khóa điện bộ phận trên
HVTH: Hà Huy Chiến

7


Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

đƣờng dây “giảm bớt” và đóng khóa điện liên kết vào đƣờng dây “gánh nặng”. Các
ràng buộc về điện phải đƣợc xác định và thỏa mãn. Đƣờng dây giảm đƣợc định nghĩa
là đƣờng dây giảm một phần phụ tải và đƣờng dây gánh là đƣờng dây nhận phụ tải.
Trong lúc đó, mạng cuối cùng phải là hình tia với tất cả phụ tải đều đƣợc kết nối.
Để có đƣợc cấu trúc hình tia, sau khi mở một khóa điện bộ phận phải luôn đóng một
khóa điện liên kết.
v/ Phƣơng pháp thông minh nhân tạo (AI):
Do tính thông dụng của AI và khả năng thƣơng mại hóa đã dẫn đến có nhiều ứng dụng
kỹ thuật điện dựa trên AI. Các mạng nơ ron nhân tạo (ANNs), thuật toán gien (GAs)
và các hệ chuyên gia (ESs) đã đƣợc sử dụng để thực thi thủ tục tái cấu trúc mạng phân
phối. Mặc dù việc sử dụng các phƣơng pháp dựa trên AI đã chứng minh chúng có giá
trị trong các ứng dụng đa dạng khác nhau, nhƣng lời cảnh báo là chúng không đƣa ra

lời giải tốt nhất trong mỗi thực thi. Tuy nhiên việc sử dụng AI trong tƣơng lai vẫn có
thể tốt do các phƣơng pháp sẽ tinh vi hơn.
v.1/ Phương pháp dùng mạng nơ ron nhân tạo:
Dựa trên khả năng miêu tả mối quan hệ phức tạp và phi tuyến giữa các mức phụ tải
của vùng và cấu trúc của hệ thống. Nhiều nhà khoa học đã đƣa ra các chiến lƣợc tái
cấu trúc nguồn bằng cách sử dụng mạng nơ ron nhân tạo (ANN) với khả năng miêu tả.
Các mạng nơ ron nhân tạo xác định cấu trúc hệ thống tối ƣu nhằm làm giảm tổn thất
công suất theo sự thay đổi của mô hình phụ tải.
Phƣơng pháp dùng ANN để giải quyết vấn đề này đƣợc đƣa ra lần đầu tiên bởi Kim,
Ko và Jung vào năm 1993. Trong đó tập huấn luyện của các ANN là cấu hình hệ thống
điện tối ƣu ứng với các mô hình phụ tải khác nhau, đạt đƣợc tổn thất bé nhất trong các
điều kiện cho trƣớc.
Khi xác định cấu trúc hệ thống điện tối ƣu theo mô hình phụ tải, ANN dựa trên sự hiểu
biết cơ bản đã đƣợc huấn luyện trong tập huấn luyện. Thay vì lặp đi, lặp lại quá trình
chuyển tải và đánh giá tổn thất nhƣ trong thuật toán truyền thống.
Với khả năng mô tả các mối quan hệ phức tạp và khả năng làm việc song song trên
phần cứng máy tính, ANN có thể tính toán cho ra đƣợc mô hình tối ƣu, điều khiển

HVTH: Hà Huy Chiến

8


Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

đƣợc hệ thống điện phân phối tự động trong thời gian thực. Trong khi điều này có thể
không thực hiện đƣợc bằng các kỹ thuật tính toán truyền thống.
Tuy nhiên do sử dụng máy tính đơn giản (Compaq 386) để mô phỏng vấn đề nên các

tác giả đã đơn giản hóa mô hình. Do đó sai số trong phép giải vẫn còn lớn.
Sau đó năm 1996, Gauche và Coelho đã đề nghị sử dụng mô phỏng Monte Carlo để
thống kê lại nhu cầu phụ tải theo cách tốt hơn, cần thiết trong quá trình huấn luyện
ANN. Trong trƣờng hợp này tƣơng tự với các công việc thực hiện của Lim, Ko và
Jung, giải pháp tối ƣu vẫn không đƣợc đảm bảo.
Năm 1997, Gauche đề nghị sử dụng thuật toán lập trình số nguyên đã đƣợc đƣa ra bởi
Sarma và Rao (1995) để đảm bảo sự tối ƣu của giải pháp. Thuật toán này bắt đầu bằng
kết quả đƣa ra bởi ANN theo hƣớng giải tối ƣu vấn đề.
Gần đây nhất là năm 1999, trong hội nghị khoa học về ngành điện hàng năm trên thế
giới, Gauche, Coelho và Teive đã đƣa ra thuật toán hỗn hợp Back-Propagation và
Marquardt-Levenberg để giải quyết vấn đề.
v.2/ Phƣơng pháp hệ chuyên gia:
Nhƣ các thuật toán dựa trên heuristic, các luật đƣợc sử dụng cho hệ chuyên gia dựa
trên các ràng buộc trong vận hành hệ thống, không dựa trên kết quả đo độ giảm tổn
thất trực tiếp.
1/ Thuật toán của Liu, Lee và Vekata:
Thuật toán này đƣợc các tác giả Chen-Ching Liu, Seung Jae Lee và S.S. Vekata
là thành viên, thành viên dự thính và thành viên cấp cao thuộc phòng Kỹ Thuật Điện
đại học Washington bang Seattle, WA 98195 đƣa ra và đăng trên tạp chí IEEE Trans.
On Power Systems vào tháng 5/1988.
Bài báo trình bày vấn đề khôi phục tải và giảm tổn thất trong hệ thống phân
phối bằng một hệ chuyên gia. Việc giải quyết vấn đề dựa trên các luật đƣợc rút ra từ lý
thuyết trong sách giáo khoa và kinh nghiệm của các chuyên gia.
Các lý do tác giả cho rằng cần dùng hệ chuyên gia để giải quyết vấn đề:
-

Vấn đề khôi phục tải giải quyết việc nhóm khách hàng và tìm trong số các đƣờng

HVTH: Hà Huy Chiến

9


Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

dây lân cận. Vấn đề bao gồm nhiều lý luận logic và ít tính toán.
-

Việc nhóm đòi hỏi sự đánh giá của các ngƣời vận hành về khả năng của hệ thống
đối với một hệ thống xác định hoặc thông tin về khách hàng.

-

Phần mềm để cung cấp một sự trợ giúp cho ngƣời vận hành; hệ chuyên gia có thể
giúp cung cấp một giao diện quen thuộc với ngƣời sử dụng.

-

Khó lập công thức việc khôi phục cấu hình nhƣ một vấn đề lập trình toán học bởi
tính tổ hợp của nó.
2/ Thuật toán của Taylor và Lubkeman:
Taylor và Lubkeman đƣa 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 nhƣ tránh quá tải máy biến áp, quá tải nhiệt đƣờng dây và điện áp không bình
thƣờng; họ khẳng định rằng nếu thỏa mãn các điều kiện này sẽ dẫn đến tối thiểu hóa
tổn thất. Họ biện hộ cho việc sử dụng chiến lƣợc tìm kiếm tốt nhất trƣớc tiên (best-first
search) bởi nhu cầu giảm thời gian giải. Năm tập luật khác nhau đƣợc đƣa ra. Theo

mỗi quyết định, cần phải chạy phân bố công suất để cập nhật trạng thái vận hành của
mạng. Sử dụng các luật heuristic để giảm không gian tìm kiếm. Taylor và Lubkeman
khẳng định cần phải phối hợp vấn đề bảo vệ và chiến lƣợc điều khiển điện áp trong
quá trình tái cấu trúc.
v.3/ Phƣơng pháp Genetic:
Điển hình là bài báo “Tái cấu trúc mạng điện phân phối với các nguồn phân tán nhằm
giảm tổn thất” của tác giả Joon-Ho Choi, thành viên dự thính của IEEE và Jae-Chul
Kim, thành viên của IEEE đăng ở hội nghị ngành điện thế giới năm 2000:
Thuật toán gen là một phƣơng pháp giải quyết vấn đề bài toán dựa trên mô phỏng quá
trình tiến hóa thích nghi của sinh vật, chủ yếu đƣợc sử dụng nhƣ các phƣơng pháp tối
ƣu. Trong thuật toán này, tập các chuỗi (hay nhiễm sắc thể) đƣợc sinh ra theo một quá
trình chọn lựa, tƣơng tự nhƣ “chọn lựa tích cực” của Darwin. Thuật toán gen hoàn toàn
đơn giản, chỉ việc sao chép các chuỗi và thay đổi các phần chuỗi bằng 3 toán tử gen,
đó là tái sản sinh, lai hóa và đột biến. Sự tiến hóa của dân số đƣợc thực hiện bằng sự
tái sản sinh của các cá nhân theo độ thích nghi tƣơng ứng của chúng. Thuật toán gen

HVTH: Hà Huy Chiến

10


Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

sử dụng một tập hợp (dân số) các chuỗi, có nghĩa là có nhiều điểm tìm kiếm. Vì vậy nó
là một phƣơng pháp tìm kiếm song song. Nó hiệu chỉnh các chuỗi (các điểm tìm kiếm)
sử dụng các chọn lựa tự nhiên và các phép toán gen đó là lai hóa và đột biến.
A. Biểu diễn chuỗi dựa trên các chiến lƣợc Heuristic:
Đối với mạng phân phối, đóng một khóa liên kết sẽ tạo một vòng. Thuật toán đề nghị

bắt đầu bằng việc đóng tất cả các khóa điện để tạo một mạng vòng. Mạng vòng này sẽ
bao gồm nhiều vòng đóng và mỗi vòng phải có một điểm mở “tốt nhất” để tối thiểu
tổn thất. Mở một khóa điện trong mỗi vòng sẽ có đƣợc cấu trúc mạng hình tia. Tiếp
theo là các biểu diễn chuỗi:
(1) Mỗi gen biểu diễn cho một khóa mở trong vòng. Vì vậy độ dài của chuỗi bằng số
vòng.
(2) Nếu chuỗi có cùng một gen thì mạng có một vòng. Vì vậy mỗi gen trong chuỗi là
khác nhau.
(3) Nếu chuỗi có hai hay nhiều gen là khóa điện thông thƣờng trong hai vòng khác
nhau thì mạng có một nút bị cách ly.
B. Quá trình tái sản sinh, lai hóa và đột biến:
Trong quá trình tái sản sinh, chọn một tập hợp các chuỗi cũ để sản sinh một tập các
chuỗi mới dựa theo tính hợp lý đƣợc xác định bằng mô phỏng bàn Roulet có trọng số.
Bàn Roulet hƣớng theo độ thích nghi của mỗi lời giải ứng viên. Trong quá trình lai
hóa, chọn hai chuỗi một cách ngẫu nhiên từ dân số ở cùng một thời điểm. Chọn một
hay nhiều vị trí trên hai chuỗi và hoán đổi cho nhau (lai hóa đơn giản hoặc phức tạp).
Quá trình đột biến đƣợc thực hiện rất hạn chế, sau mỗi chuyển đổi từ 100-1000 bit
trong quá trình lai hóa, thay đổi một vị trí bit ngẫu nhiên bằng các khóa điện khác nhau
trong vòng cho một chuỗi đƣợc chọn ngẫu nhiên từ dân số. Phép toán này đƣợc sử
dụng để thoát khỏi một cực tiểu địa phƣơng. Tuy nhiên trong quá trình này, chuỗi mới
tạo ra có thể vi phạm các ràng buộc hình tia và cách ly.
C. Hàm thích nghi:
Áp dụng phƣơng pháp trên luôn thỏa mãn các điều kiện hình tia và cách ly. Tuy nhiên
không thỏa mãn các ràng buộc khác nhƣ giới hạn công suất nguồn, dòng, điện áp,…
HVTH: Hà Huy Chiến

11


Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

 n

f  1 /  lossi 
 i 1


Vì vậy phải xét các điều kiện này bằng cách thêm chúng vào hàm thích nghi nhƣ sau:
Mạng tối thiểu tổn thất là mạng có giá trị f lớn nhất.
1.6.

Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

1.6.1. Các mục tiêu:
1.

Nghiên cứu tổng quan các phƣơng pháp tối ƣu trạng thái khóa điện trong hệ

thống điện phân phối.
2.

Đƣa ra một phƣơng pháp tìm trạng thái khóa điện tối ƣu, có thể áp dụng để tính

toán, vận hành lƣới điện phân phối.
1.6.2. Các nhiệm vụ cụ thể:
1.

Đọc các bài báo viết về vấn đề tìm trạng thái khóa điện tối ƣu từ trƣớc đến nay

trên thế giới. Phân loại theo các phƣơng pháp giải khác nhau.
2.

Đánh giá các phƣơng pháp.

3.

Đề nghị một phƣơng pháp tìm trạng thái khóa điện tối ƣu.

4.

Lập trình trên máy tính và chạy kiểm tra phƣơng pháp đề nghị.

5.

Đánh giá khả năng áp dụng phƣơng pháp đề nghị trong thực tế và đƣa ra hƣớng

nghiên cứu phát triển đề tài.
1.6.3 Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên nghiên cứu tổng quan các phƣơng pháp tìm trạng thái khóa điện tối ƣu, đƣa
ra phƣơng pháp giải quyết bài toán:
Chuyển tải giữa các trạm biến áp trung gian 110/15KV và các tuyến dây 15KV
thông qua điều khiển đóng/cắt các khóa điện (Recloser, Load Break Switch,
Disconnection Switch,…) để đạt tối thiểu tổn thất công suất với các điều kiện ràng
buộc thực tế.

HVTH: Hà Huy Chiến

12

Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Mô hình toán của tái cấu trúc mạng điện
Các mô hình toán học của tái cấu trúc mạng điện có thể đƣợc thể hiện bởi dòng điện
nhánh hoặc công suất nhánh.
(1) Sử dụng biến dòng điện

Với điều kiện

gi(I,k)=0

(4)

gi(V,k)=0

(5)

Φ(k)=0

(6)

ở đây
Il: Dòng điện trong nhánh l
Rl: Trở kháng trong nhánh l
Vi:Điện áp nút tại nút i

Kl: Đại diện các trạng thái hình học của các nhánh. Kl = 1 nếu chi nhánh l đóng, và Kl
= 0 nếu l nhánh mở.
N: Tập các nút.
NL: Tập các nhánh.
Trong mô hình trên, phƣơng trình (2) là ràng buộn về dòng điện trong nhánh. Phƣơng
trình (3) là ràng buộc điện áp nút. Phƣơng trình (4) đại diện cho luật Kirchhoff 1
(KCL), và phƣơng trình (5) đại diện luật Kirchhoff 2 (KVL). Phƣơng trình (6) là ràng
buộc về hình học để đảm bảo cấu trúc tia của mỗi cấu trúc liên kết ứng viên. Nó bao
gồm hai cấu trúc ràng buộc:
HVTH: Hà Huy Chiến

13


Luận văn tốt nghiệp Cao học

GVHD:PGS-TS Quyền Huy Ánh

(a) Tính khả thi: Tất cả các nút trong mạng phải đƣợc kết nối bởi một số nhánh, tức là,
không có nút riêng biệt.
(b) Cấu hình tia: Số lƣợng nhánh trong mạng lƣới phải nhỏ hơn số lƣợng các nút bởi
một đơn vị (Kl * NL = N - 1)
Do đó, cấu hình mạng cuối cùng phải đƣợc bố trí hình tia và tất cả các tải duy trì kết
nối.
(2) Sử dụng biến công suất

Với điều kiện

gi(P,k)=0

(10)

gi(Q,k)=0

(11)

gi(V,k)=0

(5)

Φ(k)=0

(6)

ở đây
Pl: công suất tác dụng tại nhánh l
Ql: công suất phản kháng tại nhánh l
Hàm mục tiêu trong phƣơng trình (7) là tổn thất điện năng. Nếu biên độ điện áp đƣợc
giả định là 1,0 p.u. và tổn thất điện năng phản kháng đƣợc bỏ qua. Hàm mục tiêu,
phƣơng trình (7) có thể đƣợc đơn giản hóa là

HVTH: Hà Huy Chiến

14