Tích hợp công nghệ thông tin địa lý và MATLAB trong bài toán phân tích và quản lý hệ thống điện.pdf

TÍCH HỢP CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỊA LÍ VÀ MATLAB TRONG
BÀI TOÁN PHÂN TÍCH VÀ QUẢN LÍ HỆ THỐNG ĐIỆN
INTEGRATION OF GIS AND MATLAB INTO ANALYZING AND MANAGING
POWER NETWORK PROBLEMS
Nguyễn Hữu Phúc, Nguyễn Trọng Duy, Đỗ Hồng Phúc
Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM
TÓM TẮT
Bài báo trình bày việc tích hợp công nghệ GIS với công cụ MatLAB vào công việc quản lí và tính
toán lưới điện hệ thống điện trong các trường hợp tổng quát nhất. Trên nền GIS việc quản lí, phân tích
lưới điện cho các kết quả chính xác, nhanh chóng và mang tính trực quan, sinh động, thân thiện với
người vận hành lưới và người quản lí. Các kết quả nghiên cứu được phát triển thành một chương trình
thực tế, áp dụng trong việc quản lí, tính toán các lưới
điện phân phối của các điện lực địa phương cũng
như phục vụ như một công cụ trực quan trong giáo dục.
ABSTRACT
The paper presents a technique integrating the Geographical Information System and the well-
known computing package of MatLAB into to the management and analysis of power networks of
complicated configuration. Good results in terms of accuracy, reasonable time of computing as well as
visual, user-friendly features make the technique a promising approach dealing with power system
analysis and management. The technique was developed into a practical GIS-based program applied to
managing and analyzing distribution network of power companies and may serve as a visual, self-
explanatory tool for power engineering education.
I. GIỚI THIỆU
Việc áp dụng công nghệ thông tin, hệ thống thông tin địa lí (GIS = Geographic Information
System) trong các ngành mang tính hạ tầng (cấp thoát nước, năng lượng điện, …) trong thập niên qua đã
có tác dụng to lớn trong việc nâng cao chất lượng dịch vụ được cung cấp cho xã hội. Mặt khác, sự xâm
nhập của các kĩ thuật mới này trong ngành điện đã làm thay đổi khá sâu sắc việc quản lí cũng như phân
tích hệ thống điệ
n. Trong xu thế hiện đại hoá việc quản lí lưới điện ở các cấp độ khác nhau, từ sản xuất,
truyền tải, đến phân phối, ngành điện Việt Nam đang triển khai việc ứng dụng những kĩ thuật tiên tiến
này trong việc xây dựng các chương trình ứng dụng vào các lãnh vực khác nhau. Đồng hành với tốc độ

phát triển và hiện đại hoá của ngành điện- đặc biệt, hệ th
ống lưới phân phối ngầm với cấu trúc mạch vòng
tại các đô thị lớn- các vấn đề quản lí, phân tích, thiết kế …lưới điện trên nền thống nhất về dữ liệu GIS
đối với địa bàn trở nên thời sự, cấp bách và yêu cầu có những phương pháp tiếp cận mới có thể cung cấp
các kết quả nhanh chóng, chính xác, cũng như khả năng quản lí cập nhật, chi tiết và h
ướng tới tức thời
theo thời gian thật. Tận dụng các khả năng quản lí, khả năng thể hiện sinh động các cấu trúc lưới điện trên
nền bản đồ địa lí và khả năng phân tích, tính toán ma trận của công cụ MatLAB bài báo trình bày các
nghiên cứu hướng tới kết quả là chương trình ứng dụng quản lí- giải tích lưới điện trên nền GIS. Các dữ
liệu liên quan đến quản lí hệ th
ống điện, các kết quả được tính toán cho bài toán phân bố công suất, ngắn
mạch trên lưới điện sẽ được thể hiện trực tiếp trên nền bản đồ làm cho công việc quản lí, phân tích, đánh
giá và ra quyết định trở nên hữu hình, sinh động và gần gũi hơn nhiều so với trên sơ đồ đơn tuyến khô
khan, vốn thường chỉ dành cho các nhà chuyên môn kĩ thuật.
II. TÍCH HỢP PHẦN MỀM QUẢN LÍ BẢ
N ĐỒ VÀ CÔNG CỤ TÍNH TOÁN MATLAB –
CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG GIS POWER
1. Tích hợp phần mềm quản lí bản đồ và phần mềm MatLAB
Sự phát triển của công nghệ thông tin đã đặt nền móng cho sự ra đời và phát triển nhanh chóng
của hệ thống thông tin không gian, với khởi đầu là phương tiện để lưu trữ đơn thuần thông tin đồ họa.
Ngày nay, hệ thống thông tin địa lí GIS đã trở thành hệ thống quản lí thông tin không gian có khả năng
lưu trữ, thống nhất, phân tích, mô hình hoá và mô tả được nhiều loại dữ liệu, đặc biệt là khả năng phân
tích và liên kết dữ liệu thuộc tính với dữ liệu không gian. Hệ thống thông tin địa lí đang là một công cụ
mạnh, đáng tin cậy không những chỉ của các người làm công tác kĩ thuật, mà còn của cả các người quản lí
xã hội… và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành, các lĩnh vực hoạt động kinh tế, xã hội.
Chương trình MatLAB được sử dụng rộng rãi trong các trường đại học, cơ quan nghiên cứu, các
công ti …mặt khác, là công c
ụ rất mạnh trong việc giải quyết các bài toán khoa học, kĩ thuật, với khả
năng tính toán ma trận. MatLAB cung cấp nhiều hàm cho phép truy cập vào các ứng dụng khác trên
Windows đồng thời cũng cho phép các ứng dụng trong Windows có thể truy cập vào MatLAB theo nhiều

phương thức khác nhau. Một trong những hàm này sử dụng phương thức trao đổi dữ liệu động, cho phép
các ứng dụng của Microsoft Windows có thể giao tiếp với nhau bằng cách trao đổi dữ liệu lẫ
n nhau. Việc
tích hợp các chương trình trên Windows là cơ sở để tạo ra chương trình mới có nhiều khả năng tổng hợp.
OLE là một công nghệ hướng đối tượng mới cho phép phát triển bằng cách sử dụng lại các thành phần
của một phần mềm. OLE(Object Linking and Embedding) với ý nghĩa nhúng và liên kết đối tượng, được
hiểu như một mô hình đối tượng để phát triển rộng tối đa các khả năng v
ốn có của một phần mềm. Khác
với lập trình hướng thủ tục truyền thống, OLE cho phép chia sẻ các đối tượng thành phần của một chương
trình có những chức năng chuyên biệt khác nhau (Hình 1).
Hình 2. Sử dụng phương thức giao tiếp DDE
với MATLAB
Hình 1. Sử dụng đối tượng OLE MAPINFO



MAPINFO 7.5

VISUAL BASIC
6.0
GIS
POWER
Các thao tác trên GIS được
xử lí bằng MAPBASIC -
phần mềm chuyên dụng đi
kèm với MAPINFO
DDEOLE

MATLAB 6.5
Giải thuật

giải tích lưới điện
được lập trình trên
MATLAB
Hình 3. Mô hình tạo chương trình ứng dụng GIS POWER

2. Giới thiệu chương trình ứng dụng GIS POWER
Chương trình GIS POWER là một ứng dụng máy tính dùng để mô phỏng, tính toán, vận hành
quản lí lưới điện dựa công nghệ hệ thống thông tin địa lí (GIS- Geographic Information System), được
viết bằng ngôn ngữ Visual Basic sử dụng đối tượng OLE MAPINFO và phương thức trao đổi dữ liệu
động (DDE) với MATLAB (Hình 2 và Hình 3).
Chương trình tích hợp chặt chẽ phần mềm quản lí bản đồ chuyên nghiệp MapInfo 7.5 của hãng
MapInfo Corporation trên nền chương trình tính toán rất mạnh là MatLAB 6.5 của hãng Mathworks. Vì
vậy, GIS POWER cung cấp và hỗ trợ cho người dùng khả năng tuỳ biến cao với tất cả các chức năng tính
toán mạnh mẽ
của MATLAB và công cụ quản lí bản đồ chuyên nghiệp của MAPINFO.
Tổng quan các chức năng (Hình 4)
 Hỗ trợ nạp bản đồ nền nhanh với khuôn dạng ký hiệu có
sẵn một cách dễ dàng và nhanh chóng.
 Tích hợp nhiều công cụ thao tác xử lí bản đồ trên nền
tảng phần mềm GIS của hãng MapInfo Corporation.
Hình 4. Giao diện đồ họa của GIS POWER
 lí thông tin toàn bộ
thiết bị lưới điện và đường
 u thông tin trạm biến áp, đường dây, thiết bị lưới
 ông tin thiết bị đường dây dễ sử dụ
định theo yêu cầu của người sử
Chứ quản lí (Hình 5)
ố các thiết bị trên mạng phân phối TP - Hồ Chí Minh trên hệ thống bản đồ

m biến áp, đường dây chính xác đến decimet do xử lí bằng công nghệ GIS.

ng,
 h học giữa thiết bị với đường dây, giữa thiết bị với thiết bị
, giữa đường


hức năng tìm kiếm và trợ giúp sử )
 Tương tác đồ hoạ trên bản đồ với dữ liệu thuộc tính cao.
Quản
dây.
Tra cứ
điện mạnh, tìm kiếm nhanh, đặt biệt hỗ trợ khả năng tìm
kiếm theo bất kỳ điều kiện và hỗ trợ nhập liệu một
cách đơn giản.
Công cụ tìm kiếm th ng và tốc độ nhanh.

Thực hiện giải tích lưới điện mạch vòng, nhiều nguồn trên nền GIS.
 Kết xuất báo cáo dưới dạng văn bản, bản đồ, đồ thị và biểu mẫu quy
dụng.
c năng
 Quản lí thông tin, thông s
địa hình tỷ lệ 1:500.
Xác đị
nh vị trí cột, trạ
 Vẽ biên tập các đối tượng đồ họa, quản lí toàn bộ thiết bị lưới điện với đầy đủ thuộc tính hình dạ
vị trí trực quan trên bản đồ.
Thể hiện quan hệ về mặt hìn
dây với các yếu tố địa hình xung quanh với độ chính xác cao.

năng quản lí Hình 5. Chức

C dụng GIS POWER (Hình 6
 Tra cứu toàn bộ dữ liệu thiết bị lưới điện trên bản đồ.
 Tìm kiếm trên cả bản đồ và thông tin thuộc tính.
 Thao tác đơn giản thuận tiện.
 Cung cấp nhiều tuỳ chọn tìm kiếm.
trên bản đồ và có khả năng kết xuất trực tiếp ra báo cáo.


goài ra, GIS POWER cò ôi trường Windows,
ợ, báo cáo (Hình 7 và Hình 8)

 ản đồ tất cả
 ời dùng trong công tác lập kế
 Kết quả tìm kiếm thể hiện trực quan

N n được đóng gói như là một sản phẩm hoàn chỉnh trong m
rất dễ dàng cài đặt, gỡ bỏ.

hức năng phân tích, hỗ trC
 Phân tích, mô phỏng các bài toán trong
lưới điện.
Thể hiện trên báo cáo, trên b
các kết quả phân tích một cách trực quan
sinh động.
Hỗ trợ ngư
hoạch, thiết kế.


IS POWER ố liệu, tra cứu thông
tin, kết

Hình 8. Nhập thông số lưới đi ầu người sử dụng
Hình 6. Chức năng tìm kiế và trợ giúp sử dụng
Hình 7. Thanh công cụ
m
ện theo yêu c
G có khả năng thực hiện các chức năng nhập liệu, hiệu chỉnh s
xuất báo cáo thống kê, thiết kế đường dây, phân tích bản đồ, đặc biệt là khả năng giải quyết các
bài toán thường gặp trên lưới điện như tính phân bố công suất, xác định hướng của dòng chảy công suất,
tính ngắn mạch…Việc phân tích lưới điện mạch vòng, nhiề
u nguồn được thực hiện trên giải thuật
Newton-Raphson đảm bảo kết quả có độ chính xác cao, tin cậy, và thời gian tính toán nhanh với số lần
lặp trước khi hội tụ rất thấp (Hình 9).


Hình 9. Tính toán - hiển thị kết quả trên nền GIS và xuất báo cáo hỗ trợ công tác quản lí

Cách thức làm việc
Chương trình sẽ quản lí và tính toán trên lưới điện dựa trên các dữ liệu bản đồ có sẵn hoặc do
người sử dụng tạo ra trên phần mềm khác hoặc ngay trên GIS POWER. Các dữ liệu này được lưu dưới
dạng: raster, vectơ và bảng biểu. Các dữ liệu dạng raster và vectơ chủ yếu dùng để giao tiếp với người sử
dụng một cách trực quan, giúp việc thay đổ
i, cập nhật, nhập, xuất dữ liệu gần gũi với cách suy nghĩ, cách
làm của con người. Mọi việc tính toán, quản lí, xử lí lại được thực hiện trên kiểu bảng biểu - kiểu dữ liệu
gần gũi với cách thức làm việc của máy tính.
Chương trình được áp dụng trên địa bàn một điện lực thuộc thành phố Hồ Chí Minh, việc tính
toán phân tích kiểm tra được thực hiện trên m
ột phát tuyến với 241 nút, 3 nguồn(các trạm biến áp trung
gian). Các kết quả về điện áp tại các nút, dòng chảy công suất trên các nhánh, tổn thất công suất tác dụng,
phản kháng, giá trị các dòng ngắn mạch trong các trường hợp khác nhau… được so sánh với kết quả chạy
trên phần mềm ETAP Power Station Version 4.0 cho thấy độ chính xác cao của các phương pháp, thuật

toán được dùng. Sai số tính toán giữa 2 chương trình nằm trong khoảng 1,0 -1,5%. Thời gian tính toán,
hiển thị trên nền bản đồ l
ần lượt là 5 và 1 giây và cần 3 lần lặp trước khi hội tụ cho trường hợp lưới mạch
vòng 241 nút, trên máy tính cá nhân CPU Intel 4 với tốc độ 2,4 GHz, RAM 256 Mb.

III. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO QUẢN LÍ & TÍNH TOÁN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ
PHỤC VỤ GIẢNG DẠY TRONG CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC
Trong thực tế cho đến nay, những tính toán trong lưới điện thường được thực hiện trên sơ
đồ đơn tuyến, trong khi việc quản lí thường trên các bản đồ giấy. Việc sử dụng các cơ sở thể hiện
khác nhau trong công việc như trên làm cho công việc của bộ phận quản lí và bộ phận tiến hành
các phân tích lưới không cùng tiếng nói chung, vì thiếu các hình ảnh trực quan của địa bàn mà
các bộ phận đều quan tâm, đ
iều này phần nào gây khó khăn cho người vận hành cũng như người
quản lí. Do đó việc tích hợp các tính toán giải tích lưới điện phân phối trên nền GIS luôn là vấn
đề có tính thời sự, mang lại nhiều lợi ích đối với người vận hành và quản lí lưới điện. Trong nhu
cầu phát triển lưới điện, đặc biệt việc ngầm hoá lưới điện tại các đô thị lớn trong t
ương lai, việc
quản lí, tiến hành các dự án phát triển, phân tích, dự đoán các phát triển phụ tải trong một không
gian cho trước với các ràng buộc về hệ thống phục vụ hạ tầng đi kèm (đường sá, hệ cấp thoát