HEURISTIC TOI UU PHAN BO CONG SUAT TRONG HE THONG DIEN

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

PHƯƠNG PHÁP HEURISTIC
TỐI ƯU PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành : Thiết bị mạng và nhà máy điện
Mã số ngành : 60 52 50

TP. HỒ CHÍ MINH - 08/2015



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

PHƯƠNG PHÁP HEURISTIC
TỐI ƯU PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành : Thiết bị mạng và nhà máy điện

Mã số ngành : 60 52 50

Học viên thực hiện :
Người hướng dẫn : PGS.TS. Quyền Huy Ánh

TP. HỒ CHÍ MINH - 08/2015


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH


Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS QUYỀN HUY ÁNH

(Họ và tên, học hàm học vị, chữ ký)
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................

 Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Họ và tên, học hàm học vị, chữ ký)
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................

 Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Họ và tên, học hàm học vị, chữ ký)
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................
......................................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
Ngày……tháng ……năm ….

LỜI CẢM ƠN


Trước tiên, người thực hiện xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Quyền
Huy Ánh, người đã tận tình hướng dẫn và dìu dắt tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn tất cả Quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi một khối lượng
kiến thức rất bổ ích và quí báu trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Xin cảm ơn Cha, Mẹ đã nuôi con khôn lớn và tạo mọi điều kiện để con học tập tốt
trong suốt quản đời vừa qua và để có được như ngày hôm nay.
Xin cảm ơn các Anh, Chị, bạn bè đồng nghiệp, những người luôn giành những tình
cảm sâu sắc nhất, luôn động viên, khuyến khích tôi vượt qua những khó khăn trong
suốt quá trình thực hiện luận văn.
Kính gửi đến quý Thầy Cô và người thân lời cảm ơn chân thành và lời chúc sức
khỏe.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2015
Người thực hiện

TÓM TẮT

Luận văn tìm hiểu về ứng dụng phương pháp Newton vào bài toán OPF và chú ý
đến các nghiệm suy quan trọng để viết mã nguồn giải bài toán OPF một cách nhanh
chóng. Đặc biệt, luận văn thực thi giải bài toán OPF dựa trên phương pháp Newton
vào môi trường mô phỏng PowerWorld.
OPF là bài toán kết hợp giữa bài toán vận hành kinh tế với bài toán phân bố công
suất để tối thiểu chi phí sản xuất mà không có quá tải trên đường dây. Trước tiên, luận
văn mô tả cách xác định lượng công suất phát của các tổ máy điều khiển trong vùng để
đáp ứng đủ tải với tổng chi phí sản xuất trong vùng là bé nhất. Nhược điểm của bài
toán vận hành kinh tế là bỏ qua giới hạn cho phép trên các thiết bị trong hệ thống
truyền tải. Mỗi đường dây và máy biến áp có khả năng truyền tải một lượng công suất
nhất định. Trong quá khứ, hệ thống truyền tải được thiết kế sao cho khi vận hành kinh
tế các tổ máy vẫn không có vi phạm bất cứ giới hạn nào. Vì vậy, chỉ cần giải bài toán
vận hành kinh tế là đủ. Tuy nhiên, với xu hướng mở rộng thị trường cạnh tranh tự do,
hệ thống truyền tải ngày càng trở nên phức tạp với nhiều ràng buộc. Do đó, luận văn
tiếp tục nghiên cứu về bài toán tối ưu chi phí phát trong khi vẫn kể đến các ràng buộc
cho đường dây. Đây được biết như bài toán OPF.
Về cơ bản, OPF là bài toán điều khiển tối ưu. Chi phí liên quan đến hệ thống nhìn
chung có thể qui vào chi phí sản xuất của từng máy phát. Từ quan điểm của bài toán
OPF, duy trì an ninh hệ thống cần phải giữ mỗi thiết bị trong hệ thống vận hành trong
giới hạn mong muốn ở trạng thái xác lập. Giới hạn vận hành gồm công suất phát lớn


nhất và nhỏ nhất, dòng công suất MVA chạy trên đường dây hoặc máy biến áp, cũng
như điện áp tại các nút trong hệ thống nằm trong phạm vi xác định.
Để đạt được những mục tiêu trên, bài toán OPF sẽ trình bày tất cả các chức năng
điều khiển xác lập trong hệ thống. Điều khiển máy phát và điều khiển hệ thống truyền
tải là một trong những chức năng của bài toán OPF. Đối với máy phát, OPF điều khiển
công suất tác dụng phát, cũng như điện áp tại đầu cực máy phát. Đối với hệ thống
truyền tải, OPF điều khiển tỷ số đầu phân áp máy biến áp và góc lệch pha máy biến áp,
điều khiển tụ bù mắc shunt và các thiết bị linh động khác trong hệ thống truyền tải AC

(FACTS) cũng như mục tiêu của bài toán OPF.
Xác định chi phí biên cho hệ thống là mục tiêu thứ hai của bài toán OPF. Chi phí
biên có thể hỗ trợ định giá giao dịch công suất tác dụng cũng như giá phụ thuộc vào
loại dịch vụ như dịch vụ khuyến khích điện áp thông qua khuyến khích sử dụng công
suất phản kháng MVar. Vì vậy, OPF là bài toán điều khiển và bài toán kinh tế.
Cuối cùng, thảo luận về những mẫu ứng dụng của bài toán OPF. Những ứng dụng
này gồm loại bỏ quá tải trên đường dây, điều khiển hệ thống truyền tải, giá công suất
tác dụng và giá công suất phản kháng và giá biên hệ thống truyền tải. Bài toán OPF chỉ
đề cập ở trạng thái xác lập của hệ thống.

ABSTRACT
This thesis will explore the application of Newton’s method to the OPF problem
and attend to the important heuristics to creating an OPF which achieves solution in a
rapid manner. Specifically, it will explore the implementation of a Newton’s method
based OPF in the power system simulator POWERWORLD.
OPF combines economic dispatch with power flow so as to optimize generation
with out exceeding limits on transmission line load ability. First, the thesis discusses
the economic dispatch problem for the typical case, include inequality constraints on
generator outputs and include transmission losses. The thesis describes how the real
power output of each controlled generating unit in an area is selected to meet a given
load and to minimize the total operating costs in the area. Economic dispatch has one
significant shortcoming – it ignores the limits imposed by the devices in the
transmission system. Each transmission line or transformer has a limit on the amount
of power that can be transmitted through it, with the limits arising because of thermal,
voltage or stability considerations. Traditionally, the transmission system was designed
so that when the generation was dispatched economically there would be no limit
violations. Hence, just solving economic dispatch was usually sufficient. However,
with the worldwide trend toward deregulation of the electric utility industry, the
transmission system is becoming increasingly constrained. Therefore, the thesis
continues to discuss about the solution to the problem of optimizing the generation

while enforcing the transmission lines. This is known as the optimal power flow (OPF)
The OPF is basically an optimal control problem. The primary goal of a generic
OPF is to minimize the costs of meeting the load demand for a power system while
maintaining the security of the system. The costs associated with the power system
may depend on the situation, but in general they can be attributed to the cost of
generating power (megawatts) at each generator. From the viewpoint of an OPF, the
maintenance of system security requires keeping each device in the power system
within its desired operation range at steady-state. This will include maximum and


minimum outputs for generators, maximum MVA flows on transmission lines or
transformers, as well as keeping system bus voltages within specified ranges.
To achieve these goals, the OPF will perform all the steady-state control functions
of the power system. These functions may include generator control and transmission
system control. For generators, the OPF will control generator MW outputs as well as
generator voltage. For the transmission system, the OPF may control the tap ratio or
phase shift angle for variable transformers, switched shunt control, and all other
flexible ac transmission system (FACTS) devices.
A secondary goal of an OPF is the determination of system marginal cost data.
This marginal cost data can aid in the pricing of MW transactions as well as the
pricing ancillary services such as voltage support through MVAR support. So that, the
OPF concern with the control and economic problems.
Finally, sample applications of the OPF are discussed. These include transmission
line overload removal, transmission system control, real and reactive power pricing,
and transmission system marginal pricing. It should be noted that the OPF only
addresses steady-state operation of the power system.

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1.

DẪN NHẬP

.....................................................................i

1.1. Tính cần thiết của đề tài.......................................................................................ii
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu.......................................................................iv
1.3. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài.............................................................iv
1.4. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................iv
1.5. Các bước tiến hành...............................................................................................v
1.6. Điểm mới của luận văn........................................................................................v
1.7. Giá trị thực tiễn của luận văn...............................................................................v
1.8. Nội dung thực hiện...............................................................................................v
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN
1
2.1. Mục tiêu của tối ưu phân bố công suất.................................................................2
2.2. Tối ưu hàm phi tuyến tính....................................................................................2
2.3. Tối ưu thông số ràng buộc - Ràng buộc dạng cân bằng........................................3
2.4. Tối ưu tham số ràng buộc - Ràng buộc dạng không cân bằng..............................4
CHƯƠNG 3.

VẬN HÀNH KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN5

3.1. Chi phí nhiên liệu của nhà máy nhiệt...................................................................7
3.2. Vận hành kinh tế bỏ qua tổn thất và không hạn chế điện năng phát.....................9
3.3. Vận hành kinh tế kể đến tổn thất công suất........................................................12


3.4. Giải thuật vận hành kinh tế hệ thống - econdispatch..........................................17
3.5. Nguồn gốc công thức tổn thất công suất trong hệ thống điện.............................19

3.6. Giải thuật xác định các hệ số tổn thất - cobloss..................................................25
3.7. Giải thuật tính tổng chi phí sản xuất - togencost................................................26
3.8. Minh họa giải bài toán tối ưu máy phát bằng ngôn ngữ Matlab.........................27
3.8.1. Vận hành kinh tế không kể đến giới hạn công suất phát................................28
3.8.2. Vận hành kinh tế có kể đến giới hạn công suất phát......................................28
3.8.3. Xác định hệ số tổn thất công suất...................................................................29
3.8.4. Vận hành kinh tế có kể đến giới hạn phát và tổn thất công suất.....................31
CHƯƠNG 4.
NEWTON
42

OPF DỰA VÀO PHƯƠNG PHÁP

4.1. Giới thiệu về phương pháp Newton...................................................................43
4.1.1. Phát biểu bài toán OPF....................................................................................44
4.1.2. Khai triển Lagrang, Gradient và Hessian.........................................................44
4.1.3. Ứng dụng ràng buộc không cân bằng vào bài toán OPF..................................45
4.1.4. Phương pháp giải.............................................................................................45
4.2. Ứng dụng phương pháp Newton vào OPF.........................................................47
4.2.1. Hàm mục tiêu.................................................................................................47
4.2.2. Ràng buộc cân bằng.......................................................................................47
4.2.3. Ràng buộc không cân bằng............................................................................48
4.2.4. Ràng buộc mềm bằng sử dụng hàm phạt........................................................49
4.2.5. Nghiên cứu biến rời rạc..................................................................................50
4.2.6. Sơ lược về bài toán tối ưu phân bố công suất.................................................50
4.2.7. Tóm lược các số hạng Lagrang......................................................................51
4.2.8. Tính Gradient và Hessian...............................................................................52
4.2.9. Giải bài toán OPF theo thời gian....................................................................52
4.3. Minh họa qui trình thuật toán tối ưu phân bố công suất.....................................54
4.4. Thông tin thu được từ giải bài toán tối ưu phân bố công suất............................56

CHƯƠNG 5.

HEURISTIC GIẢI BÀI TOÁN OPF.........57

5.1. Phân loại biến OPF............................................................................................58
5.2. Thực thi kỹ thuật ma trận thưa...........................................................................58
5.3. Xác định bộ ràng buộc không cân bằng.............................................................60
5.4. Đề xuất các luật cho bài toán OPF.....................................................................63
5.4.1. Luật xác định các ràng buộc không cân bằng để tác động..............................63


5.4.2. Luật ưu tiên....................................................................................................63
5.4.3. Luật giao dịch vùng........................................................................................64
5.5. Thuật toán tìm kiếm...........................................................................................64
5.6. Mô phỏng OPF theo thời gian............................................................................65
CHƯƠNG 6.
POWERWORLD

MÔ PHỎNG OPF TRONG MÔI TRƯỜNG
66

6.1. Giới thiệu phần mềm PowerWorld.....................................................................67
6.2. Tổng quan về tối ưu phân bố công suất trong PowerWorld................................68
6.3. Các thanh công cụ trong PowerWorld................................................................68
6.4. Các bước xây dựng mô hình..............................................................................68
6.5. Mô phỏng OPF loại bỏ quá tải trên đường dây..................................................68
6.6. Mô phỏng OPF xác định giá công suất tác dụng và giá công suất phản kháng. .76
6.7. Mô phỏng OPF xác định giá công suất tác dụng của vùng.................................78
6.8. Mô phỏng OPF xác định giá truyền tải thông qua giá biên ngắn hạn (SRMC). .90
6.9. Mô phỏng OPF có thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp.......94

6.10. Mô phỏng OPF có thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển dòng công
suất phản kháng chạy qua máy biến áp.........................................................................99
CHƯƠNG 7.

KẾT LUẬN

106

7.1. Kết quả đạt được................................................................................................107
7.2. Hướng phát triển đề tài......................................................................................108
Phụ lục A.

Giải thích tính kinh tế đối với nhân tử Lagrang.................................109

Phụ lục B.

Tính Gradient của hàm Lagrang........................................................111

Phụ lục C.

Tính ma trận Hessian của hàm Lagrang............................................113

Phụ lục D.

Tóm lược về tính đạo hàm.................................................................116

Phụ lục E.

Các thanh công cụ trong PowerWorld...............................................126

Phụ lục F.

Các bước xây dựng mô hình trong PowerWorld...............................132

Phụ lục G.

Điều khiển mô phỏng trong môi trưòng PowerWorld.......................140

Phụ lục H.

Điều khiển OPF trong môi trường PowerWorld................................145

Phụ lục I.

Giải bài toán OPF trong môi trường PowerWorld.............................146

Phụ lục J.

Thông tin hệ thống 6 nút...................................................................147

Phụ lục K.

Thông tin hệ thống 7 nút...................................................................149


TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................151
TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG......................................................................152

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 3.1. Đồ thị phụ tải trong ngày..............................................................................7

Hình 3.2. Đường cong tỷ lệ nhiệt .................................................................................8
Hình 3.3. Đường cong chi phí nhiên liệu......................................................................8
Hình 3.4. Đường cong suất tăng chi phí nhiên liệu.......................................................8
Hình 3.5. Các nhà máy liên kết đến một thanh cái........................................................9
Hình 3.6. Sơ đồ một sợi hệ thống điện 6 nút...............................................................27
Hình 3.7. Lưu đồ giải bài toán ED có kể đến tổn thất và giới hạn công suất phát...... 31
Hình 4.1. Lưu đồ phân bố công suất theo phương pháp Newton................................46
Hình 4.2. Hệ thống nhiều vùng có giao dịch vùng......................................................48
Hình 4.3. Hàm phạt đối với điện áp............................................................................50
Hình 4.4. Hàm phạt đối với giới hạn dòng MVA trên đường dây...............................50
Hình 4.5. Lưu đồ giải bài toán OPF bằng phương pháp Newton................................53
Hình 5.1. Lưu đồ OPF xác định ràng buộc không cân bằng tích cực..........................62
Hình 5.2. Cây nhị phân tìm kiếm biến cho bài toán OPF............................................64
Hình 6.1. Hệ thống 6 nút, 1 vùng có hiển thị thông tin các phần tử............................69
Hình 6.2. Hệ thống 6 nút, 1 vùng, giải bài toán phân bố công suất.............................70
Hình 6.3. Hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển ED.......................................................72
Hình 6.4. Hệ thống 6 nút, 1 vùng có điều khiển OPF.................................................74
Hình 6.5. Hệ thống 6 nút, một vùng, điều khiển OPF, giới hạn đường dây từ nút 5 đến
nút 4 tăng từ 50MVA lên 100MVA.............................................................................76
Hình 6.6. Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF.....................................................78
Hình 6.7. Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 50MW.........................80
Hình 6.8. Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 55 MW........................81
Hình 6.9. Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 60 MW........................83
Hình 6.10. Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 65 MW......................84
Hình 6.11. Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 70 MW......................86
Hình 6.12. Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 75 MW......................87
Hình 6.13. Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 80 MW......................89
Hình 6.14. Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giới hạn đường dây từ nút 4 đến
nút 5 là 100MW..........................................................................................................93
Hình 6.15. Hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giới hạn đường dây từ nút 4 đến

nút 5 là 100MW, giao dịch 65MW..............................................................................93


Hình 6.16. Hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không kích hoạt tự động thay đổi đầu phân
áp máy biến áp để điều khiển điện áp.........................................................................95
Hình 6.17. Hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, kích hoạt tự động thay đổi đầu phân áp
máy biến áp để điều khiển điện áp..............................................................................98
Hình 6.18. Hệ thống 7 nút, 1 vùng, điều khiển OPF, không kích hoạt tự động thay đổi
đầu phân áp máy biến áp để điều khiển công suất phản kháng.................................100
Hình 6.19. Hệ thống 7 nút, 1 vùng, điều khiển OPF, kích hoạt tự động thay đổi đầu
phân áp máy biến áp để điều khiển công suất phản kháng........................................102

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Sản lượng điện 2005 ở Việt Nam..................................................................7
Bảng 5.1. Phân lớp biến trong bài toán OPF...............................................................58
Bảng 6.1. Bảng thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, giải bài toán phân bố
công suất..................................................................................................................... 70
Bảng 6.2. Bảng thông tin kinh tế máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, giải bài toán
phân bố công suất.......................................................................................................70
Bảng 6.3. Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển ED..............72
Bảng 6.4. Thông tin kinh tế máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển ED...72
Bảng 6.5.Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, một vùng, điều khiển ED.........72
Bảng 6.6.Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng có điều khiển OPF..........74
Bảng 6.7.Thông tin kinh tế máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển OPF. . .74
Bảng 6.8.Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển OPF.............75
Bảng 6.9. Tổng kết thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 1 vùng...............................75
Bảng 6.10. Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển OPF, giới hạn
đường dây từ nút 5 đến nút 4 tăng từ 50MVA lên 100MVA.........................................75
Bảng 6.11. Thông tin kinh tế máy phát trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển OPF,
giới hạn đường dây từ nút 5 đến nút 4 tăng từ 50MVA lên 100MVA...........................75

Bảng 6.12. Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển OPF, giới
hạn đường dây từ nút 5 đến nút 4 tăng từ 50MVA lên 100MVA...................................77
Bảng 6.13. Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 1 vùng, điều khiển OPF, giới hạn
đường dây từ nút 5 đến nút 4 tăng từ 50MVA lên 100MVA.........................................77
Bảng 6.14. Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF...................78
Bảng 6.15. Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF............78
Bảng 6.16. Thông tin chi phí phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF........78
Bảng 6.17. Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF..........79
Bảng 6.18. Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch
50MW ......................................................................................................................... 80


Bảng 6.19. Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 50MW................................................................................................................... 80
Bảng 6.20. Thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch
50MW........................................................................................................................... 80
Bảng 6.21. Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 50 MW.................................................................................................................. 81
Bảng 6.22. Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 50
MW ............................................................................................................................. 81
Bảng 6.23. Thông tin vùng cho hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 55
MW ............................................................................................................................. 81
Bảng 6.24. Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 55 MW.................................................................................................................. 82
Bảng 6.25. Thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch
55 MW.......................................................................................................................... 82
Bảng 6.26. Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 55
MW ............................................................................................................................. 82
Bảng 6.27. Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 55 MW.................................................................................................................. 83

Bảng 6.28. Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch
60MW........................................................................................................................... 83
Bảng 6.29. Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 60MW................................................................................................................... 83
Bảng 6.30. Thông tin kinh tế máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF,
giao dịch 60 MW..........................................................................................................83
Bảng 6.31. Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 60
MW ............................................................................................................................. 84
Bảng 6.32. Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 60 MW.................................................................................................................. 84
Bảng 6.33. Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 65
MW ............................................................................................................................. 84
Bảng 6.34: Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 65 MW.................................................................................................................. 85
Bảng 6.35. Thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch
65 MW.......................................................................................................................... 85
Bảng 6.36. Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 65
MW ............................................................................................................................. 85
Bảng 6.37. Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 65 MW.................................................................................................................. 85
Bảng 6.38. Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 70
MW ............................................................................................................................. 86


Bảng 6.39: Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 70 MW.................................................................................................................. 86
Bảng 6.40. Thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch
70 MW.......................................................................................................................... 86
Bảng 6.41. Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 70
MW ............................................................................................................................. 87

Bảng 6.42. Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 70 MW.................................................................................................................. 87
Bảng 6.43. Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 75
MW ............................................................................................................................. 87
Bảng 6.44: Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 75 MW.................................................................................................................. 88
Bảng 6.45. Thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch
75 MW.......................................................................................................................... 88
Bảng 6.46. Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 75
MW 88.............................................................................................................................
Bảng 6.47. Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 75 MW.................................................................................................................. 88
Bảng 6.48. Thông tin vùng trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 80
MW 89.............................................................................................................................
Bảng 6.49: Thông tin máy phát trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 80 MW.................................................................................................................. 89
Bảng 6.50. Thông tin kinh tế trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch
80 MW.......................................................................................................................... 89
Bảng 6.51. Thông tin nút trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao dịch 80
MW 90.............................................................................................................................
Bảng 6.52. Thông tin đường dây trong hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển OPF, giao
dịch 80 MW.................................................................................................................. 90
Bảng 6.53: Bảng tổng kết mô phỏng các trường hợp giao dịch trong hệ thống 6 nút, 2
vùng, điều khiển OPF...................................................................................................90
Bảng 6.54. Bảng tính chi phí biên ngắn hạn cho hệ thống 6 nút, 2 vùng, điều khiển
OPF 92.............................................................................................................................
Bảng 6.55. Bảng tính chi phí biên ngắn hạn cho hệ thống 6 nút, 2 vùng, đường dây từ
nút 4 đến nút 5 là 100MW............................................................................................94
Bảng 6.56. Thông tin vùng trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không kích hoạt tự
động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp.....................................95

Bảng 6.57. Thông tin máy phát trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không kích hoạt
tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp.................................95
Bảng 6.58. Thông tin kinh tế trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không kích hoạt tự
động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp.....................................95


Bảng 6.59. Thông tin nút trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không kích hoạt tự
động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp.....................................95
Bảng 6.60. Thông tin đường dây trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không kích
hoạt tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp.........................96
Bảng 6.61. Thông tin vùng trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, kích hoạt tự động
thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp..............................................98
Bảng 6.62. Thông tin máy phát trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, kích hoạt tự
động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp.....................................98
Bảng 6.63. Thông tin kinh tế trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, kích hoạt tự động
thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp..............................................98
Bảng 6.64. Thông tin nút trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, kích hoạt tự động thay
đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp......................................................98
Bảng 6.65. Thông tin đường dây trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, kích hoạt tự
động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển điện áp.....................................99
Bảng 6.66: Bảng đối chiếu thông tin vùng trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF,
không kích hoạt/kích hoạt tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển
công suất dòng công suất phản kháng chạy qua máy biến áp.....................................103
Bảng 6.67: Bảng đối chiếu thông tin máy phát trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF,
không kích hoạt/kích hoạt tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển
công suất dòng công suất phản kháng chạy qua máy biến áp.....................................103
Bảng 6.68: Bảng đối chiếu thông tin kinh tế trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF,
không kích hoạt/kích hoạt tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển
công suất dòng công suất phản kháng chạy qua máy biến áp.....................................103
Bảng 6.69: Bảng đối chiếu thông tin nút trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF, không

kích hoạt/kích hoạt tự động thay đổi đầu phân áp máy biến áp để điều khiển công suất
dòng công suất phản kháng chạy qua máy biến áp.....................................................103
Bảng 6.70: Bảng đối chiếu thông tin đường dây trong hệ thống 7 nút, điều khiển OPF,
không kích hoạt/ kích hoạt đầu phân áp máy biến áp điều khiển công suất ...............104

CHÚ THÍCH
Vk: Biên độ điện áp tại nút k.
δk: Góc pha điện áp tại nút k.
tkm: Tỉ số đầu phân áp máy biến áp giữa nút k và m.
αkm: Góc lệch pha máy biến áp giữa nút k và m.
PGk: Công suất thực được phát tại nút k.
bkm: Phần ảo của ma trận tổng dẫn mạng.
gkm: Phần thực của ma trận tổng dẫn mạng.
ykm: Biên độ của một phần tử của ma trận tổng dẫn mạng.
δkm: Góc pha của một phần tử ma trận tổng dẫn mạng.


Pk: Công suất tác dụng bơm vào nút k.
Qk: Công suất phản kháng bơm vào nút k.
Pkm: Dòng công suất tác dụng từ nút k đến nút m.
Qkm: Dòng công suất phản kháng từ nút k đến nút m.
Skm: Dòng công suất biểu kiến từ nút k đến nút m.
Pint: Công suất tác dụng trao đổi trong vùng.
Psched: Công suất tác dụng hoạch định trao đổi trong vùng.
ƒ(•): Hàm mục tiêu.
g(•): Ràng buộc cân bằng.
h(•): Ràng buộc không cân bằng.
H(•): Hessian của hàm Lagrang.
∇L(•): Gradient của hàm Lagrang.
ai, bi, ci: Các hệ số của đường cong chi phí bậc hai của máy phát.

Xmax: Biểu thị giới hạn lớn nhất của một biến.
Xmin: Biểu thị giới hạn nhỏ nhất của một biến.
µ: Nhân tử Lagrang đối với ràng buộc cân bằng.
λ: Nhân tử Lagrang đối với ràng buộc không cân bằng.

DANH SÁCH NHÂN TỬ LAGRANG
µPk: Nhân tử Lagrang cho Pk, với Pk là công suất tác dụng bơm vào nút k.
µQk: Nhân tử Lagrang cho Qk, với Qk là công suất phản kháng bơm vào nút k.
µviset: Nhân tử Lagrang cho tín hiệu điện áp cài đặt chuẩn.
µint: Nhân tử Lagrang cho tín hiệu công suất giao dịch chuẩn.
λSkm: Cho ràng buộc công suất biểu kiến trên tuyến dây từ nút k đến nút m.
λPGih: Cho ràng buộc công suất phát lớn nhất tại nút thứ i.
λPGil: Cho ràng buộc công suất phát nhỏ nhất tại nút thứ i.
λVih: Cho ràng buộc điện áp lớn nhất tại nút thứ i.
λVil: Cho ràng buộc điện áp nhỏ nhất tại nút thứ i.
λtkmmax: Cho ràng buộc tỉ số đầu phân áp lớn nhất của máy biến áp.
λtkmmin: Cho ràng buộc tỉ số đầu phân áp nhỏ nhất của máy biến áp.
λαkmmax: Cho ràng buộc độ lệch pha lớn nhất của máy biến áp.
λαkmmin: Cho ràng buộc độ lệch pha nhỏ nhất của máy biến áp.


Luận văn tốt nghiệp

Phương pháp Heuristic tối ưu phân bố công suất trong hệ thống điện

Chương 1
DẪN NHẬP
Chương 1
DẪN NHẬP
1.1. Tính cần thiết của đề tài

Khắp nơi trên toàn thế giới, trong những thập kỷ qua, ngành điện đang trải qua
một sự thay đổi đáng kể và tiếp tục thay đổi trong vài thập kỷ nữa. Trong quá khứ,
ngành điện mang tính chất là ngành phục vụ độc quyền. Tất cả mọi người, các khu
công nghiệp, khu thương mại đều mua năng lượng từ ngành điện. Điều này dẫn đến
người tiêu dùng phải ký hợp đồng mua điện với mức giá được công ty độc quyền qui
định. Yếu tố cạnh tranh trong thị trường không xảy ra. Tuy nhiên, ngày nay cùng với
sự phát triển rất phức tạp về cấu trúc hệ thống, đòi hỏi phải đa dạng về các nguồn đầu
tư, dẫn tới quyền lợi của các nhà cung cấp trong hệ thống dần dần tách biệt. Các nước
bắt đầu chia thành nhiều vùng theo định hướng thị trường tự do cạnh tranh, hình thành
một cơ chế điều khiển hệ thống điện mới có tác dụng hết sức tích cực cho việc tăng
trưởng hệ thống điện.
Đối với Việt Nam, trong những năm gần đây, nền kinh tế Việt Nam phát triển khá
mạnh, nhu cầu điện năng ngày càng tăng cao. Mặc dù, có nguồn tài nguyên năng
lượng dồi dào nhưng vấn đề thiếu vốn đầu tư cho khai thác và sản xuất năng lượng từ
những nguồn tài nguyên sẵn có là một bài toán nan giải mà chính phủ Việt Nam đang
gặp phải. Do đó, chủ trương mở rộng nguồn nhằm đáp ứng nhu cầu tăng trưởng của tải
trong giai đoạn hiện nay, giai đoạn Việt Nam chuyển mình gia nhập tổ chức thương
Chương 1

18


Luận văn tốt nghiệp

Phương pháp Heuristic tối ưu phân bố công suất trong hệ thống điện

mại thế giới (WTO), là vấn đề khó khả thi. Cụ thể, EVN chưa đáp ứng đủ tải và liên
tục cắt điện nhiều khu vực tại Thành phố Hồ Chí Minh trong vài tháng qua và vẫn còn
tiếp diễn trong tương lai gần. Trước tình hình thiếu hụt trầm trọng điện năng như vậy,
bản thân ngành điện phải chú trọng vào việc cho vận dụng hết khả năng mang tải của

hệ thống sẵn có và gia tăng nguồn vốn đầu tư vào ngành năng lượng nhằm mở rộng
nguồn trong khả năng có thể để hệ thống vận hành ổn định hơn, đáp ứng được nhu cầu
tăng trưởng của phụ tải trong nước với chất lượng và giá thành tốt nhất, tiến đến mở
rộng thị trường và bán điện cho các quốc gia trong khu vực lân cận.
Muốn đạt được ý tưởng trên, việc nghiên cứu những bài toán kỹ thuật và những
công cụ giải trong quá trình tái cấu trúc lưới theo hướng thị trường mở - thị trường tự
do cạnh tranh nhất thiết phải được thực hiện cấp bách tại Việt Nam.
Nếu không chú trọng vào bài toán kỹ thuật có thể làm giảm độ tin cậy cung cấp
điện, chất lượng điện năng chắc hẳn không đạt yêu cầu. Tuy nhiên, chỉ chú trọng vào
vào toán kỹ thuật mà không chú trọng vào bài toán kinh tế thì vẫn không đảm bảo mục
đích của ngành điện. Do đó, cần phải xem xét cả hai bài toán kỹ thuật và kinh tế.
Để giải những bài toán kinh tế và kỹ thuật, cần sử dụng công cụ chương trình tối
ưu phân bố công suất OPF (Optimal Power Flow). OPF là một lựa chọn tất yếu để giải
quyết các vấn đề liên quan, vì về bản chất, OPF là một bài toán điều khiển tối ưu. OPF
sử dụng tất cả các biến điều khiển nhằm tối thiểu chi phí vận hành hệ thống và đảm
bảo an ninh hệ thống. Thông qua OPF, có thể thu được nhiều thông tin kinh tế có giá
trị và nhiều hiểu biết sâu sắc về hệ thống. Như vậy, OPF giải quyết tốt cả bài toán điều
khiển và bài toán kinh tế. Do đó, tối ưu phân bố công suất trong hệ thống là một vấn
đề luôn được chú ý đối với những ai đang công tác trong ngành điện.
OPF là bài toán được sử dụng rộng rãi trong vận hành hệ thống và nhà máy. Vào
những năm 1962, Carpentier bắt đầu tìm hiểu về bài toán phân bố công suất OPF. OPF
là một bài toán rất rộng, đây là bài toán lập trình toán học phi tuyến, vì vậy, phải mất
nhiều thập kỷ để tìm ra giải pháp hữu hiệu cho bài toán OPF. Có nhiều kỹ thuật toán
học khác nhau được sử dụng để giải bài toán OPF. Tổng quan về các kỹ thuật được đề
cập trong bài báo của tác giả M. Huneault và F. D. Galiana xuất bản năm 1991 [8].
Phần lớn các kỹ thuật được sử dụng là một trong năm phương pháp sau:
−

Phương pháp lặp Lambda: Cũng được xem là phương pháp suất tăng chi phí
cân bằng (equal incremental cost interion - EICC). Nguồn gốc của phương

pháp này là phương pháp vận hành kinh tế được sử dụng từ những năm 1930.

−

Phương pháp Gradient: Được đề cập bởi H. W. Dommel và W. F. Tinney [9]

−

Phương pháp Newton: Được đề cập bởi D. I. Sun, B. Ashley, B. Brewer, A.
Hughes và W. F. Tinney [10].

−

Phương pháp lập trình tuyến tính : Được đề cập bởi O. Alsac, J. Bright, M.
Prais và B. Stott [11].

−

Phương pháp điểm nội: Được đề cập bởi Y. Wu, A. S. Debs và R. E. Marsten
[12].

Phương pháp lặp Lambda thì khá nhạy với giá trị ban đầu của lambda và thường
hội tụ đến lời giải cực trị địa phương hoặc phân kỳ.

Chương 1

19


Luận văn tốt nghiệp

Phương pháp Heuristic tối ưu phân bố công suất trong hệ thống điện

Phương pháp lập trình tuyến tính thì nhanh và tin cậy, nhưng bất lợi chính là sự
xấp xỉ chi phí tuyến tính từng đoạn. Vì vậy, cần phải đơn giản hóa các ràng buộc để
chắc chắn lời giải hội tụ. Tuy nhiên, bài toán OPF nhìn chung là không hội tụ và cho
nhiều kết quả cực trị địa phương.
Thuật toán dựa trên phương pháp Newton có nhiều ràng buộc không cân bằng.
Phương pháp này khá nhạy với những điều kiện ràng buộc ban đầu.
Phương pháp điểm nội (IP – interior point) chuyển những ràng buộc không cân
bằng sang ràng buộc cân bằng. Trong phương pháp IP, nếu không chọn chính xác step
size thì không thể xác định lời giải.
Nhìn chung, các phương pháp trên thường bị hạn chế trong trường hợp lưới điện
phức tạp, khó thành lập hàm mục tiêu và khó xác định những ràng buộc có thể sử
dụng.
Để khắc phục nhược điểm của các phương pháp tối ưu phân bố công suất nêu trên,
người thực hiện tiếp tục nghiên cứu bài toán OPF dựa trên phương pháp Newton có
nghiệm suy đưa ra một số ràng buộc và một số luật cho bài toán OPF để giải bài toán
OPF nhanh hơn. Đặc biệt là khả năng thực thi kỹ thuật ma trận thưa, tốc độ hội tụ của
lời giải được gia tăng đáng kể và tìm ra kết quả tối ưu phân bố công suất trong khoảng
thời gian ngắn nhất. Bên cạnh việc thực thi kỹ thuật ma trận thưa, quá trình xác định
các bộ ràng buộc không cân bằng cho bài toán OPF cũng đóng vai trò quan trọng,
quyết định tốc độ lời giải bài toán OPF. Như vậy, thuận lợi chính của phương pháp này
so với những phương pháp khác là tốc độ hội tụ nhanh và chắc chắn, thời gian tính
toán ít hơn so với những phương pháp khác.
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu:
Tìm hiều về bài toán tối ưu phân bố công suất trong trường hợp chỉ chú trọng đến
các tổ máy: Bài toán vận hành kinh tế các tổ máy.
Nghiệm suy đưa ra một số ràng buộc để đảm bảo an ninh hệ thống và một số luật

để tăng tốc độ hội tụ của bài toán OPF.
Mô phỏng bài toán tối ưu phân bố công suất có quan tâm đến các ràng buộc trong
môi trường PowerWorld.
Nhiệm vụ:
-

Tìm hiểu các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước và trên
thế giới về nội dung của đề tài.

-

Tìm hiểu về lý thuyết vận hành kinh tế các tổ máy.

-

Nghiên cứu chương trình xác định vận hành kinh tế, chương trình xác định tổn
thất trong lưới, chương trình xác định chi phí sản xuất.

-

Giải bài toán vận hành kinh tế máy phát với sự trợ giúp của phần mềm Matlab.

-

Nghiệm suy đưa ra một số ràng buộc cho bài toán OPF và các luật để tăng tốc
độ hội tụ cho lời giải bài toán OPF.

Chương 1

20

Luận văn tốt nghiệp

-

Phương pháp Heuristic tối ưu phân bố công suất trong hệ thống điện

Mô phỏng tối ưu phân bố công suất có kể đến các ràng buộc sử dụng phần
mềm PowerWord.

1.3. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn đề tài
-

Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện mẫu có 6 nút và 7 nút.

-

Giới hạn đề tài:
+ Phần nguồn chỉ xét đến các nhà máy nhiệt điện.
+ Nghiên cứu bài toán OPF ở chế độ xác lập.

+ Không quan tâm đến các vấn đề ổn định quá độ, ổn định động, phân tích sự
cố xác lập.
+ Xem các biến tỉ số đầu phân áp và góc lệch pha máy biến áp là các biến liên
tục.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài, người thực hiện sử dụng chủ yếu các phương pháp
nghiên cứu sau:
-

Phương pháp nghiên cứu lý luận: Dựa vào thực tiễn và các cơ sở lý luận của
các thế hệ trước để làm nền tảng cho việc lập luận và đưa ra hướng giải quyết
đề tài.

-

Phương pháp tham khảo tài liệu: Tham khảo các tài liệu chuyên ngành cùng
với các bài báo IEEE liên quan đến đề tài nghiên cứu của nhiều tác giả trong
và ngoài nước.

-

Phương pháp mô hình hóa mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab và
PowerWorld.

1.5. Các bước tiến hành
-

Thu thập, phân tích và tổ chức thông tin.

-

Lập kế hoạch và tổ chức hoạt động thực hiện kế hoạch.

-

Trao đổi ý kiến với giáo viên hướng dẫn về vấn đề nghiên cứu.

-

Giải quyết vấn đề.

-

Rút ra kết luận và đề nghị.

1.6. Điểm mới của luận văn
Luận văn hoàn thành đã thể hiện điểm mới theo các hướng sau:
-

Nghiên cứu và lập giải thuật vận hành kinh tế máy phát, xác định hệ số tổn
thất và tính tổng chi phí sản xuất trong hệ thống.

-

Nghiệm suy một số ràng buộc trong bài toán tối ưu phân bố công suất và một
số luật cho bài toán OPF.

-

Sử dụng kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng để kiểm tra các bài toán OPF giúp
hiểu rõ cách thức vận hành kinh tế hệ thống có xét đến các ràng buộc thực tế
của các phần tử hệ thống.

1.7. Giá trị thực tiễn của luận văn
Chương 1

21

Luận văn tốt nghiệp

Phương pháp Heuristic tối ưu phân bố công suất trong hệ thống điện

-

Đề tài này sẽ làm tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến lĩnh vực tối
ưu phân bố công suất và có thể sử dụng để phục vụ nghiên cứu ở mức cao
hơn.

-

Giới thiệu kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng trong việc giải các bài toán, nếu
kỹ thuật này được nghiên cứu và phát triển đầy đủ sẽ phục vụ tốt cho công tác
huấn luyện, đào tạo và trợ giúp các điều độ viên ra quyết định trong vận hành
kinh tế-kỹ thuật hệ thống điện.

1.8. Nội dung thực hiện
-

Chương 1: Dẫn nhập.

-

Chương 2: Tổng quan về tối ưu phân bố công suất trong hệ thống điện.

-

Chương 3: Lý thuyết vận hành kinh tế hệ thống điện.

-

Chương 4: OPF dựa vào phương pháp Newton.

-

Chương 5: Heuristic giải bài toán OPF.

-

Chương 6: Mô phỏng OPF bằng phần mềm PowerWorld.

-

Chương 7: Kết luận và đưa ra hướng phát triển đề tài trong tương lai.

Chương 1

22


Luận văn tốt nghiệp

Phương pháp Heuristic tối ưu phân bố công suất trong hệ thống điện

Chương 2
TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU PHÂN BỐ CÔNG
SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Chương 2

TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN
2.1.

Mục tiêu của tối ưu phân bố công suất

Trước khi bắt đầu giải bài toán OPF, cần xem xét mục tiêu của bài toán OPF. Mục
tiêu chính của bài toán OPF là tối thiểu chi phí đảm bảo nhu cầu tải trong khi vẫn duy
trì an ninh hệ thống. Chi phí liên quan đến hệ thống nhìn chung có thể qui vào chi phí
sản xuất của từng máy phát. Từ quan điểm của bài toán OPF, duy trì an ninh hệ thống
cần phải giữ mỗi thiết bị trong hệ thống vận hành trong giới hạn mong muốn ở trạng
thái xác lập. Giới hạn vận hành gồm công suất phát lớn nhất và nhỏ nhất, dòng công
suất MVA chạy trên đường dây hoặc máy biến áp, cũng như điện áp tại các nút trong
hệ thống nằm trong phạm vi xác định.
Để đạt được những mục tiêu trên, bài toán OPF sẽ trình bày tất cả các chức năng
điều khiển xác lập trong hệ thống. Điều khiển máy phát và điều khiển hệ thống truyền
tải là một trong những chức năng của bài toán OPF. Đối với máy phát, OPF điều khiển
công suất tác dụng phát, cũng như điện áp tại đầu cực máy phát. Đối với hệ thống
truyền tải, OPF điều khiển tỷ số đầu phân áp máy biến áp và góc lệch pha máy biến áp,
điều khiển tụ bù mắc shunt và các thiết bị linh động khác trong hệ thống truyền tải AC
(FACTS) cũng như mục tiêu của bài toán OPF.
Chương 2

23


Luận văn tốt nghiệp

Phương pháp Heuristic tối ưu phân bố công suất trong hệ thống điện

Xác định chi phí biên cho hệ thống là mục tiêu thứ hai của bài toán OPF. Chi phí
biên có thể hỗ trợ định giá giao dịch công suất tác dụng cũng như giá phụ thuộc vào
loại dịch vụ như dịch vụ khuyến khích điện áp thông qua khuyến khích sử dụng công
suất phản kháng Mvar. Giải bài toán OPF bằng phương pháp Newton để xác định chi
phí biên hệ thống.
2.2.

Tối ưu hàm phi tuyến tính

Tối ưu hàm phi tuyến là một công cụ quan trọng trong thiết kế với sự trợ giúp của
máy tính và là một phần trong trường hợp tổng quát của tối ưu được gọi là lập trình
phi tuyến. Lý thuyết cơ bản và những phương pháp tính được trình bày trong nhiều tài
liệu. Mục tiêu cơ bản là tối ưu hàm chi phí của vài đối tượng phi tuyến có kể đến
những ràng buộc phi tuyến dạng cân bằng và không cân bằng.
Những công cụ toán học được sử dụng để giải những bài toán tối ưu tham số
không bị ràng buộc có được trực tiếp từ phép tính đa biến. Điều kiện cần để tối ưu hàm
chi phí
(1.1)
đạt được bằng cách tính đạo hàm riêng của f đối với biến số và cho bằng 0:
(1.2)
Hoặc:
(1.3)
Trong đó:
(1.4)
∆f là vector gradient.
Đạo hàm bậc 2 của f như sau:
(1.5)
Phương trình trên tạo nên ma trận đối xứng được gọi là ma trận Hessian của hàm
số.
Một khi đạo hàm cuả f bị loại trừ ở cực trị địa phương (x *1, x*2,…, x*n) để f có mức

tối thiểu tương đối, ma trận Hessian được ước lượng ở (x *1, x*2,…, x*n) phải là ma trận
xác định dương. Điều kiện này đòi hỏi tất cả những phần tử của ma trận Hessian ước
lượng ở (x*1, x*2,…, x*n) phải dương.
Nói tóm lại, để tìm cực tiểu hàm số không ràng buộc bằng cách cho đạo hàm từng
phần của nó (đối với những tham số có thể thay đổi) bằng 0 và giải để tìm giá trị tham
biến. Trong số những giá trị tham biến tìm được, những giá trị mà ma trận xác định
dương của đạo hàm riêng cấp hai của hàm chi phí là tối thiểu địa phương. Nếu chỉ có
một giá trị tối thiểu địa phương, giá trị đó cũng là tối thiểu toàn cục, mặt khác, hàm chi
phí phải được đánh giá ở mọi giá trị tối thiểu địa phương để xác định một giá trị tối
thiểu toàn cục.
Chương 2

24


Luận văn tốt nghiệp
2.3.

Phương pháp Heuristic tối ưu phân bố công suất trong hệ thống điện

Tối ưu tham số ràng buộc - Ràng buộc dạng cân bằng

Bài toán này xuất hiện khi hàm số phụ thuộc vào những tham số được chọn. Bài
toán tối ưu hàm chi phí
f(x1 , x2 , …, xn)

(1.6)

Hàm ràng buộc dạng cân bằng:
(1.7)

Có thể giải bài toán như trên bằng phương pháp nhân tử Lagrang. Phương pháp
này tạo lập một hàm chi phí được mở rộng do kể đến k véctơ λ của những con số chưa
xác định. Hàm chi phí có kể đến ràng buộc cân bằng như sau:
(1.8)
Điều kiện cần để tối thiểu cục bộ hàm chi phí L có kể đến ràng buộc cân bằng như
sau :
(1.9)
(1.10)
Chú ý, phương trình (1.10) chỉ là ràng buộc ban đầu.
2.4.

Tối ưu tham số ràng buộc - Ràng buộc dạng không cân bằng

Những bài toán tối ưu thực tế có kể đến ràng buộc dạng không cân bằng cũng như
ràng buộc dạng cân bằng. Vấn đề là tối ưu hàm chi phí:
(1.13)
Hàm ràng buộc dạng cân bằng:
(1.14)
Hàm ràng buộc dạng không cân bằng :
(1.15)
Phương pháp nhân tử Lagrang được mở rộng để kể đến ràng buộc dạng không cân
bằng bằng cách đưa vào m vectơ µ của những con số chưa xác định. Hàm chi phí có kể
đến ràng buộc dạng không cân bằng như sau:
(1.16)
Điều kiện cần để tối thiểu cục bộ hàm chi phí L có ràng buộc như sau:
(1.17)
Chương 2

25