Phân bố tối ưu công suất trong hệ thống điện có ràng buộc an ninh sử dụng phương pháp pso lai

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN MINH HẢI

PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ RÀNG BUỘC AN NINH
SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PSO LAI

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số

: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2018


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. LÊ KỶ

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. DƯƠNG THANH LONG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 06 tháng 01 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch

: PGS. TS. PHAN THỊ THANH BÌNH

2. Thư ký

: TS. HUỲNH QUANG MINH

3. Ủy viên, phản biện 1 : TS. LÊ KỶ
4. Ủy viên, phản biện 2 : TS. DƯƠNG THANH LONG
5. Ủy viên

: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên

: NGUYỄN MINH HẢI

Ngày, tháng, năm sinh : 20/11/1981
Chuyên ngành
I.

MSHV : 1570866
Nơi sinh : Thừa Thiên Huế

: Kỹ thuật điện

Mã số

: 60520202

TÊN ĐỀ TÀI

PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ RÀNG
BUỘC AN NINH SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PSO LAI
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
 Nghiên cứu thuật toán Partical Swarm Optimization (PSO).
 Nghiên cứu bài toán phân bố tối ưu cơng suất có ràng buộc an ninh.
 Đề xuất thuật toán PSO lai để giải bài tốn phân bố tối ưu cơng suất có ràng
buộc an ninh.
 Ứng dụng thuật toán PSO lai để giải bài tốn phân bố tối ưu cơng suất có ràng
buộc an ninh trên hệ thống điện IEEE 30 nút.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 10/7/2017

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

: 03/12/2017

IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: PGS. TS. VÕ NGỌC ĐIỀU
Tp. HCM, ngày 22 tháng 01 năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS. Võ Ngọc Điều, người
Thầy đã giúp đỡ, cung cấp tài liệu và tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn
này.
Chân thành cảm ơn tất cả quý Thầy, Cô đã giảng dạy, trang bị cho tơi những kiến
thức rất bổ ích và q báu trong suốt quá trình học tập tại trường cũng như nghiên
cứu sau này.
Chân thành cảm ơn Gia đình đã ln bên cạnh và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi
trong học tập và công tác.
Chân thành cảm ơn các đồng nghiệp tại Cơ quan công tác đã ủng hộ, tạo điều kiện

để tôi học tập tốt trong suốt thời gian vừa qua.
Cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học
tập, cơng tác cũng như trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Cảm ơn các bạn học viên Cao học khóa 2015, ngành Kỹ thuật điện, trường Đại học
Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM, những người ln giành tình cảm sâu sắc, ln bên
cạnh, động viên và khuyến khích tơi vượt qua những khó khăn trong suốt q trình
thực hiện luận văn này.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 01 năm 2018
Người thực hiện

Nguyễn Minh Hải


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn áp dụng phương pháp Partical Swarm Optimization (PSO) lai để giải bài
tốn phân bố cơng suất tối ưu có ràng buộc an ninh (Security Constraint Optimal
Power Flow - SCOPF) với việc tính tốn trên hệ thống điện IEEE 30 nút.
Phương pháp PSO lai là phương pháp mới sử dụng ưu điểm của phương pháp PSO
và phương pháp DE (Differential Evolution). Phương pháp PSO lai đề xuất cách
giải bài tốn SCOPF với hàm chi phí bậc 2 và chi phí nhiên liệu có hiệu ứng điểm
van. Cách tiếp cận đề xuất là kết hợp thông tin nhận được riêng biệt của DE và
thông tin bộ nhớ trích ra từ PSO để tạo ra giải pháp đầy hứa hẹn. Với ý tưởng thực
hiện cùng lúc cả PSO lẫn thuật tốn DE cho từng vịng lặp. Đầu tiên, thuật tốn
PSO sẽ được thực hiện trước để tìm ra những cá thể tối ưu, sau đó q trình đột
biến sẽ được thực hiện ngay trên những cá thể tối ưu đó.
Bài tốn phân bố cơng suất tối ưu có ràng buộc an ninh là bài toán tối ưu tổng chi
phí của máy phát, thỏa các ràng buộc đẳng thức và ràng buộc bất đẳng thức của

trạng thái bình thường và trạng thái sự cố. Luận văn trình bày ứng dụng của thuật
toán PSO lai vào hệ thống điện IEEE 30 nút. Phương pháp giải này thể hiện tính
linh hoạt và khả năng ứng dụng thuật toán PSO để giải quyết những vấn đề được
mơ hình hóa dưới dạng bài tốn tối ưu có ràng buộc, kết quả tính tốn được kiểm
tra so sánh với những thuật toán khác được trình bày trong các bài báo trước đây.
Kết quả chính mà nghiên cứu đạt được là ứng dụng kỹ thuật tính tốn tiến hóa mà
điển hình là thuật tốn PSO lai vào giải quyết bài toán tối ưu phức tạp trong hệ
thống điện và đã đạt được những kết quả khả quan hơn những phương pháp truyền
thống khác. Đối với bài tốn này, những phương pháp truyền thống có thể dẫn đến
những kết quả sai hoặc kết quả tính tốn không tối ưu.


iv

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tơi. Các kết quả nêu
trong Luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các số liệu,
ví dụ và trích dẫn trong Luận văn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực.
Tôi xin chân thành cảm ơn.

NGƯỜI CAM ĐOAN

Nguyễn Minh Hải


v

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN ...................................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ iv
MỤC LỤC ............................................................................................................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................................... ix
CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................................................. x
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................. 1
1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT ...................................................................................... 1
1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................................... 2
1.3. TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................ 2
1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ......................................................................................... 2
1.5. NỘI DUNG LUẬN VĂN .......................................................................................... 3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ............................................................................................... 4
2.1. BÀI TỐN PHÂN BỐ CƠNG SUẤT TỐI ƯU CÓ RÀNG BUỘC AN NINH ....... 4
2.2. MỘT SỐ KHẢO SÁT VỀ PHÂN BỐ CƠNG SUẤT TỐI ƯU CĨ RÀNG
BUỘC AN NINH ..................................................................................................... 11
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .................................................................................... 13
CHƯƠNG 3: BÀI TỐN PHÂN BỐ CƠNG SUẤT TỐI ƯU CÓ RÀNG BUỘC AN
NINH .................................................................................................................................. 19
3.1. CÁC THUẬT NGỮ ................................................................................................. 19
3.2. BÀI TOÁN ............................................................................................................... 20
CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP PSO ................................................ 24
4.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................................ 24
4.2. BIỂU THỨC CƠ BẢN CỦA THUẬT TOÁN PSO ................................................ 25
4.3. MỘT SỐ CẢI TIẾN CỦA PSO ............................................................................... 28


vi
4.4. PHƯƠNG PHÁP PSO CẢI TIẾN ........................................................................... 32

4.5. PHƯƠNG PHÁP PSO LAI ĐỀ XUẤT ................................................................... 36
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ............................................................................ 43
5.1. HỆ THỐNG ĐIỆN IEEE 30 NÚT ........................................................................... 43
5.2. KẾT QUẢ ................................................................................................................ 45
5.3. KẾT LUẬN .............................................................................................................. 55
CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................. 57
6.1. TỔNG KẾT ĐỀ TÀI ................................................................................................ 57
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................................................... 58
6.3. LỜI KẾT .................................................................................................................. 58
CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ ........................................................................ 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 73
PHỤ LỤC A: DỮ LIỆU HỆ THỐNG ĐIỆN IEEE 30 NÚT VÀ KẾT QUẢ TÍNH
TỐN .................................................................................................................................. 79
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ............................................................................................... 86


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 5.1: Kết quả thực hiện bởi HPSO-DE trong trường hợp bình thường với
hàm chi phí nhiên liệu bậc 2 .................................................................................... 46
Bảng 5.2: Kết quả so sánh trong trường hợp bình thường với hàm chi phí
nhiên liệu bậc 2 ........................................................................................................ 47
Bảng 5.3: Kết quả thực hiện trong trường hợp bình thường với tải có hiệu ứng
điểm van ................................................................................................................... 48
Bảng 5.4: Kết quả thực hiện trong trường hợp sự cố 5 đường dây với hàm chi
phí nhiên liệu bậc 2 .................................................................................................. 49
Bảng 5.5: Kết quả so sánh trong trường hợp sự cố 5 đường dây với hàm chi
phí nhiên liệu bậc 2 .................................................................................................. 50
Bảng 5.6: Kết quả thực hiện trong trường hợp sự cố 9 đường dây với hàm chi

phí nhiên liệu bậc 2 .................................................................................................. 51
Bảng 5.7: Kết quả so sánh trong trường hợp sự cố 9 đường dây với hàm chi
phí nhiên liệu bậc 2 .................................................................................................. 52
Bảng 5.8: Kết quả tốt nhất của SCOPF trong trường hợp sự cố 5 đường dây
với tải có hiệu ứng điểm van .................................................................................... 53
Bảng 5.9: Kết quả thực hiện trong trường hợp sự cố 9 đường dây với tải có
hiệu ứng điểm van .................................................................................................... 54
Bảng A.1: Thông số đường dây............................................................................... 79
Bảng A.2: Giới hạn truyền tải của các đường dây .................................................. 80
Bảng A.3: Thông số tải ............................................................................................ 81
Bảng A.4: Thông số các hệ số chi phí máy phát ..................................................... 82
Bảng A.5: Thơng số các hệ số chi phí máy phát với valve công suất ..................... 83
Bảng A.6: Giới hạn công suất và điện áp nút máy phát .......................................... 83


viii

Bảng A.7: Kết quả tối ưu thực hiện bởi PSO, DE và HPSO-DE với hàm chi
phí nhiên liệu bậc 2 .................................................................................................. 84
Bảng A.8: Kết quả tối ưu thực hiện bởi PSO, DE và HPSO-DE với tải có hiệu
ứng điểm van ............................................................................................................ 85


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 3.1: Đường cong chi phí bậc 2 của tổ máy..................................................... 21
Hình 3.2: Đường cong chi phí bậc 2 với thành phần sin......................................... 21
Hình 4.1: Bầy chim trong tự nhiên .......................................................................... 25
Hình 5.1: Sơ đồ đơn tuyến hệ thống điện IEEE 30 nút ........................................... 44

Hình 5.2: Đặc tính hội tụ của PSO, DE và HPSO-DE trong trường hợp bình
thường với tải có hiệu ứng điểm van ....................................................................... 48
Hình 5.3: Đặc tính hội tụ của PSO, DE và HPSO-DE trong trường hợp sự cố
5 đường dây với hàm chi phí nhiên liệu bậc 2 ......................................................... 50
Hình 5.4: Đặc tính hội tụ của PSO, DE và HPSO-DE trong trường hợp sự cố
9 đường dây với hàm chi phí nhiên liệu bậc 2 ......................................................... 52
Hình 5.5: Đặc tính hội tụ của PSO, DE và HPSO-DE trong trường hợp sự cố
5 đường dây với tải có hiệu ứng điểm van ............................................................... 54
Hình 5.6: Đặc tính hội tụ của PSO, DE và HPSO-DE trong trường hợp sự cố
9 đường dây với tải có hiệu ứng điểm van ............................................................... 55


x

CHỮ VIẾT TẮT
ACO

Ant Colony Optimization

AM

Ant Manners

DE

Differential Evolution

EP

Evolutionary Programming

ES

Evolution Strategies

FATPSO

Fuzzy Adaptive Turbulent PSO

GA

Genetic Algorithm

HPSO-DE

Hybrid Particle Swarm Optimization and Differential
Evolution

IEEE

Institute of Electrical and Electronic Engineering

IP

Integer Programming

IPM

Interior Point Method

IPSO

Improve Partical Swarm Optimization

NR

Newton-Raphson

OPF

Optimal Power Flow

PFLOW

Point of Collapse Program

PSC - OPF

Preventive Security Constraint OPF

PSO

Particle Swarm Optimization

QP

Quadratic Programming

RPD

Reactive Power Dispatch

SA

Simulated Annealing

SADE - ALM

Self-adaptive differential evolution with augmented
Lagrange multiplier

SCOPF

Security Constraint Optimal Power Flow

TS

Tabu Search


1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.

GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT

Trong tình hình thế giới hiện nay đang phải đối mặt với nhiều vấn đề khó khăn của
xã hội, nào là vấn đề thiếu lương thực, y tế, khủng hoảng năng lượng (đặc biệt là
năng lượng điện)… do sự gia tăng dân số quá nhanh, từ đó hệ thống điện cũng liên

tục được mở rộng. Như chúng ta biết, năng lượng điện gần như khơng thể dự trữ
được, do đó bài tốn sử dụng năng lượng điện như thế nào để tiết kiệm nhất và
hiệu quả nhất nhằm đảm bảo cung cấp điện tin cậy cho quá trình sản xuất của xã
hội đã trở thành vấn đề nóng bỏng mà các nhà khoa học đã, đang và sẽ tiếp tục
nghiên cứu để tìm ra phương pháp tối ưu nhất để giải quyết bài toán này.
Kinh nghiệm vận hành hệ thống điện cho thấy tại một thời điểm trên hệ thống có
những đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác non tải và ngược lại.
Nếu có những biện pháp điều chỉnh thơng số hệ thống điện thích hợp thì có thể
làm thay đổi trào lưu phân bố công suất và làm giảm quá tải cho một số đường dây
mà không cần phải cải tạo, nâng cấp hệ thống điện. Việc sử dụng hiệu quả và tối
ưu các nguồn cung cấp là một vấn đề mà các nhà nghiên cứu rất quan tâm.
Vì vậy người ta đặt ra bài tốn phân bố công suất tối ưu (OPF) [1], [2] để nâng cao
khả năng tận dụng hệ thống điện hiện có. Đây là bài tốn mà ngành điện lực phải
tìm cách giải quyết từ rất lâu, đã dùng nhiều thuật toán cổ điển và trí tuệ nhân tạo
như Differential Evolution, Ant Manners, Ant Colony Optimization, Genetic
Algorithm, Tabu Search, Simulated Annealing, Harmony Search, Firefly
Algorithm…
Trong sự phát triển của trí tuệ nhân tạo, gần đây trong lĩnh vực cơng nghệ thơng
tin xuất hiện thuật tốn PSO, đây là thuật tốn có nhiều ưu điểm và đã được ứng
dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực, một trong những lĩnh vực ứng dụng của
PSO là hệ thống điện. Một số nhà khoa học trên thế giới đã triển khai đưa thuật
tốn PSO vào ứng dụng tính toán tối ưu trong hệ thống điện và đã cho ra những kết
quả tốt hơn những giải thuật khác, chương trình chạy nhanh hơn.


2

Phương pháp PSO là phương pháp dựa trên sự tối ưu bầy đàn thơng qua việc đi
tìm vị trí có nhiều thức ăn nhất cho bầy đàn dựa trên kinh nghiệm của những lần
tìm kiếm trước. Mặt dù phương pháp PSO có tuổi đời cịn rất trẻ, mới chỉ được đề

xuất lần đầu tiên vào năm 1995 bởi James Kenedy và Russel C.Eberhart [3], [4]
nhưng phương pháp PSO đã có những đóng góp to lớn cho khoa học bởi tính hội
tụ ưu việt của phương pháp, như: thuật toán đơn giản, dễ thực hiện, chương trình
chạy nhanh hơn và kết quả chính xác hơn các phương pháp khác.
1.2.

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Bài tốn phân bố cơng suất tối ưu (OPF) đã có lịch sử phát triển từ rất lâu, nó có ý
nghĩa vơ cùng quan trọng trong quy hoạch và điều khiển hệ thống điện. Tuy nhiên
cho đến nay nhiều vấn đề liên quan đến bài tốn OPF vẫn cịn đang trong q trình
nghiên cứu và hồn thiện, chẳng hạn như sự đảm bảo tính hội tụ đến lời giải tối ưu
đối với bài tốn OPF khơng lồi dạng tổng quát cũng như độ tin cậy của thuật toán
mà các phương pháp cổ điển và hiện tại chưa giải quyết được. Bài tốn phân bố tối
ưu cơng suất trong hệ thống điện có ràng buộc an ninh (SCOPF) là sự kết hợp
hoàn hảo trong việc giải quyết những vấn đề trái ngược như: tối đa lợi nhuận, vận
hành an toàn và tăng cường an ninh.
Vì thế chỉ có thuật tốn dựa trên trí thơng minh nhân tạo và tiến hóa, mà điển hình
là phương pháp PSO mới phù hợp với các loại bài toán này và loại bỏ được các
vấn đề trái ngược trên.
1.3.

TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI

Hiện chưa có luận văn, cơng trình nghiên cứu trong nước về việc áp dụng phương
pháp PSO lai vào bài toán phân bố tối ưu cơng suất trong hệ thống điện có ràng
buộc an ninh (SCOPF), điều này cho thấy tầm quan trọng của nó trong việc tìm ra
một lời giải tốt nhất, tối ưu nhất.
1.4.

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Áp dụng phương pháp PSO lai vào bài tốn phân bố tối ưu cơng suất trong hệ
thống điện có ràng buộc an ninh. Bài toán áp dụng cho hệ thống điện IEEE 30 nút.


3

1.5.

NỘI DUNG LUẬN VĂN

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về vấn đề trong luận văn, mục tiêu, tầm quan
trọng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Chương 2: Giới thiệu tổng quan về bài toán SCOPF và các phương pháp đã
được áp dụng để giải quyết bài toán
Chương 3: Thành lập bài toán SCOPF dưới dạng toán học
Chương 4: Giới thiệu phương pháp PSO lai và áp dụng phương pháp vào bài
tốn SCOPF trong hệ thống điện
Chương 5: Mơ phỏng ứng dụng phương pháp PSO lai vào bài toán SCOPF trong
mạng điện IEEE 30 nút. Kết quả được so sánh với các bài báo khác
để thấy được tính ưu việt của phương pháp PSO lai
Chương 6: Đánh giá thuật toán thơng qua kết quả mơ phỏng của thuật tốn, nêu
ra những vấn đề tồn đọng và đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo


4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1.

BÀI TỐN PHÂN BỐ CƠNG SUẤT TỐI ƯU CĨ RÀNG BUỘC AN
NINH

2.1.1 Tổng quan về bài tốn phân bố công suất tối ưu (Optimal Power Flow)
Một trong những yêu cầu quan trọng nhất trong vận hành hệ thống điện (HTĐ) là
đảm bảo tính kinh tế trong việc sản xuất, truyền tải, phân phối và sử dụng điện
năng. Để thực hiện yêu cầu đó cần đảm bảo cho HTĐ làm việc với chi phí thấp
nhất, muốn vậy cần phải giảm đến mức tối thiểu chi phí nhiên liệu và tổn thất điện
năng.
- Giảm chi phí nhiên liệu: Sử dụng hiệu quả nguồn nước của các nhà máy thủy
điện, phối hợp sử dụng nguồn nước của nhà máy thủy điện với sử dụng các nhà
máy nhiệt điện và phối hợp giữa các nhà máy nhiệt điện với nhau,… sao cho chi
phí sản xuất điện năng là nhỏ nhất.
- Giảm tổn thất điện năng: Giảm tổn thất điện năng có ý nghĩa rất lớn trong vận
hành HTĐ. Giảm tổn thất điện năng bao gồm thiết lập chế độ sử dụng điện, lựa
chọn cơ cấu thiết bị vận hành hợp lý và phân bố công suất tối ưu giữa các phần
tử trong HTĐ.
Trong đó bài tốn phân bố cơng suất tối ưu (OPF) là bài tốn có ý nghĩa quan
trọng trong vận hành HTĐ. Do tính chất đặc thù điện năng gần như không thể lưu
trữ được và trào lưu công suất trên các đường dây truyền tải liên tục thay đổi theo
thời gian. Chẳng hạn như tại một thời điểm nào đó trong hệ thống điện có những
đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác lại non tải và ngược lại. Vì thế
việc sử dụng hiệu quả và tối ưu các nguồn cung cấp nhằm thay đổi trào lưu công
suất mà không làm quá tải, đồng thời vẫn đảm bảo được việc cung cấp điện tin cậy
của HTĐ.
OPF được sử dụng rộng rãi trong vận hành và quy hoạch HTĐ. Modul OPF là
dịng tải thơng minh, sử dụng các kỹ thuật để tự động điều chỉnh sự thiết lập điều
khiển HTĐ trong khi thỏa mãn được các điều kiện vận hành và dòng phân bố tải

5

với các ràng buộc cụ thể.
Bài toán OPF được xem như là bài tốn ghép đơi của điều phối sự phát công suất
tác dụng (Economic Dispatch Problem - EDP) [3] và điều phối cơng suất phản
kháng. Mục tiêu chính của bài tốn EDP là xác định kế hoạch phát cơng suất để
cực tiểu hóa tổng chi phí vận hành hệ thống mà không vi phạm bất cứ ràng buộc
vận hành nào của hệ thống như quá tải đường dây hay độ sai lệch điện áp nút.
Trong khi đó mục tiêu của điều phối công suất phản kháng là để nâng cao ổn định
điện áp và giảm tổn thất công suất truyền tải trong HTĐ mà thỏa mãn tất cả các
ràng buộc vận hành.
Mục tiêu cơ bản của bài toán OPF là cực tiểu tổng chi phí nhiên liệu máy phát
trong khi vẫn đảm bảo độ an toàn hệ thống. Từ quan điểm của bài tốn OPF, sự
duy trì độ an tồn hệ thống địi hỏi mỗi thiết bị trong HTĐ phải được giữ hoạt
động trong giới hạn cho phép để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và ổn định.
Nó bao gồm giới hạn cơng suất đầu ra máy phát trong khoảng lớn nhất và nhỏ
nhất, dịng cơng suất lớn nhất trên đường dây truyền tải và máy biến áp (MBA)
cũng như giữ điện áp mỗi nút trong khoảng giới hạn an tồn.
Mục tiêu thứ hai của bài tốn OPF là để xác định dữ liệu chi phí biên của hệ thống.
Lời giải bài tốn OPF tuy khó hơn nhưng vẫn có nhiều thuận lợi hơn so với bài
tốn điều phối kinh tế cổ điển trong hệ thống điện. Bài tốn OPF có khả năng thực
hiện các chức năng điều khiển cần thiết trong khi bài toán điều phối kinh tế (ED)
chỉ điều khiển công suất ngõ ra máy phát. Bài tốn OPF cịn có khả năng giám sát
sự an toàn của hệ thống, bao gồm quá tải đường dây và vấn đề điện áp thấp, điện
áp cao.
Hầu hết các phương pháp cổ điển và các phương pháp thông thường đều gặp phải
3 vấn đề chính: Một là, các phương pháp này có thể khơng đưa ra được lời giải tối
ưu hoặc thường bị kẹt ở lời giải tối ưu. Hai là, tất cả các phương pháp này đều dựa
trên giả định hàm mục tiêu là hàm liên tục và khả vi mà không đúng đối với hệ

thống thực tế. Ba là, các phương pháp này đều không thể áp dụng cho các biến rời


6

rạc.
Vì thế kỹ thuật tối ưu mới dựa trên trí thơng minh nhân tạo và tiến hóa được giới
thiệu ở đây mà điển hình là phương pháp PSO mới phù hợp với loại bài toán OPF
phức tạp này và loại trừ bỏ được các vấn đề khó khăn trên.
Cơ sở phát triển của bài tốn OPF:
Bài tốn phân bố cơng suất tối ưu trong HTĐ ban đầu chỉ với mong muốn tối thiểu
chi phí vận hành nguồn phát và tải cho trước (bài toán điều độ kinh tế truyền thống
- Economic Dispatch).
Hơn 25 năm trước, nhà khoa học Carpentier đã đề xuất mơ hình quy hoạch phi
tuyến tổng qt bài toán điều độ kinh tế bao hàm các ràng buộc về điện áp, công
suất và các điều kiện ràng buộc vận hành khác [5]. Từ đó các phương pháp mới ra
đời để giải quyết bài toán OPF như ngày nay.
Bài tốn OPF chuẩn có thể được viết dưới dạng sau:

Phụ thuộc vào:

Min F(x,u)

(2.1)

g(x,u) = 0

(2.2)

h(x,u) ≤ 0

(2.3)

Trong đó:
F(x,u) là hàm mục tiêu
x là vector các biến phụ thuộc, bao gồm: công suất tác dụng nút chuẩn PG1, điện
áp nút tải VL, công suất phản kháng ngõ ra máy phát QG và công suất trên đường
dây truyền tải Sl
u là vector các biến độc lập, bao gồm: điện áp máy phát VG, công suất tác dụng
ngõ ra máy phát PG trừ nút chuẩn PG1 và chỉ số chỉnh định MBA T.
g(x,u) là các ràng buộc đẳng thức và thay thế cho các phương trình dịng phân
bố tải.
h(x,u) là các ràng buộc bất đẳng thức và thay thế cho các ràng buộc vận hành hệ


7

thống, bao gồm: các ràng buộc về sự phát công suất, ràng buộc về điện áp, ràng
buộc về độ an toàn hệ thống và ràng buộc về chỉ số chỉnh định MBA. Bản chất
của bài tốn phân bố cơng suất tối ưu thể hiện qua việc làm đơn giản hàm mục
tiêu và đồng thời thỏa mãn các phương trình dịng phân bố tải (ràng buộc bằng
nhau) mà không vi phạm các ràng buộc khơng bằng nhau.
2.1.2 Các chức năng chính của an ninh hệ thống điện [6]
An ninh hệ thống điện có thể được chia thành ba chức năng chính được thực hiện
trong trung tâm điều khiển vận hành:
- Hệ thống giám sát.
- Phân tích sự cố
- Phân bố cơng suất tối ưu có ràng buộc an ninh.
Hệ thống giám sát:
- Hệ thống giám sát cung cấp cho người vận hành của hệ thống điện những thông

tin cập nhật phù hợp về các điều kiện của hệ thống điện. Nói chung, nó là chức
năng quan trọng nhất của ba chức năng nêu trên. Hệ thống đo đạc những giá trị
từ xa và truyền về trung tâm xử lý, được gọi hệ thống đo đạc từ xa, nó có thể
theo dõi điện áp, dịng điện, dịng cơng suất và tình trạng của bộ đóng ngắt, và
các thiết bị chuyển mạch trong mỗi trạm biến áp trên hệ thống mạng điện truyền
tải.
- Ngồi ra, các thơng tin quan trọng như tần số, đầu ra máy phát và vị trí máy
biến áp cũng được đo đạc từ xa. Với rất nhiều thông tin đo đạc từ xa cùng một
thời điểm, khơng có người vận hành nào có thể kiểm tra tất cả thơng tin truyền
đến. Vì vậy, máy tính thường được cài đặt tại các trung tâm xứ lý để thu thập
các dữ liệu từ xa, xử lý chúng, và đặt chúng trong cơ sở dữ liệu mà từ đó người
vận hành có thể hiển thị thơng tin trên màn hình hiển thị lớn. Quan trọng hơn,
máy tính có thể kiểm tra thơng tin vượt quá giới hạn truyền đến và báo động cho
vận hành viên trong tình trạng quá tải hay quá áp.


8

- Hệ thống thường kết hợp với các hệ thống điều khiển giám sát cho
phép người vận hành kiểm soát bộ phận đóng cắt và ngắt kết nối thiết bị chuyển
mạch và biến áp chỉnh định từ xa. Các hệ thống này thường được gọi là hệ
thống SCADA.
Phân tích sự cố:
- Phân tích sự cố (Contingency Analysis - CA) là một dạng “Phân tích an
ninh” được áp dụng trong kiểm sốt hệ thống điện. Với mục đích phân tích hệ
thống điện để xác định các quá tải và các sự cố xảy ra. Trong hệ thống điện, có
nhiều vấn đề có thể gây ra những sự cố nghiêm trọng trong khi thời gian khơng
đủ để người vận hành có thể xử lý.
- Phân tích sự cố là phân tích điều kiện bất thường trong hệ thống điện.
Nó đặt tồn bộ hệ thống hoặc một phần hệ thống điện trong các điều kiện bắt

buộc. Sự cố bất ngờ xảy ra có thể do dây truyền tải bất ngờ bị mất điện (outage),
máy phát bị dừng hoặc đột ngột thay đổi, việc thay đổi các giá trị của tải. Phân
tích sự cố bất ngờ cung cấp các công cụ cho việc quản lý, thiết lập, phân tích,
tổng hợp các báo cáo của sự cố bất ngờ và các vi phạm liên quan.
Phân bố cơng suất có ràng buộc an ninh (Security Constraint Optimal
Power Flow – SCOPF):
- Phân bố công suất tối ưu có ràng buộc an ninh (SCOPF) là sự kết hợp của phân
tích sự cố bất ngờ (contingnecy analysis) và phân bố cơng suất tối ưu (opimal
power flow - OPF). Nó là một loại đặc biệt của OPF khi các giá trị tối ưu của
hàm mục tiêu được tính tốn với trong các điều kiện ràng buộc, cả trong điều
kiện hoạt động bình thường (cơ sở) và trong điều kiện xảy ra sự cố, chẳng hạn
khi bị ngắt điện hoặc thiết bị bị hỏng.
- Những ràng buộc an ninh cho phép OPF xác định hoạt động của hệ thống điện
theo kiểu bảo vệ, nghĩa là SCOPF tác động để hệ thống vận hành theo kiểu nếu
gặp sự cố bất ngờ thì điện áp và dịng cơng suất vẫn nằm trong trạng thái thiết
lập.


9

2.1.3 Các trạng thái vận hành của hệ thống điện [6]
Có 4 trạng thái vận hành của hệ thống điện, gồm các trạng thái sau:
- Điều độ tối ưu (Optimal Dispatch): là trạng thái của hệ thống trước khi xảy ra
sự cố.
- Sau khi xảy ra sự cố (Post Contingency): là trạng thái của hệ thống sau khi có
một sự cố xẩy ra. Chúng ta giả định rằng trạng thái này có vi phạm an ninh (dây
truyền tải, máy biến áp, điện áp nút … vượt quá giới hạn).
- Điều độ an ninh (Secure Dispatch): là trạng thái mà hệ thống khơng có sự cố
mất điện nhưng việc hiệu chỉnh các thơng số vận hành có tính đến các vi phạm
an ninh.

- An ninh sau sự cố (Secure post-contingency): là trạng thái của hệ thống khi sự
cố được áp dụng với các trạng thái vận hành cơ sở và các sự điều chỉnh.
Ví dụ minh họa: Giả sử hệ thống điện với 2 máy phát, 1 tải và 2 dây truyền tải. Bỏ
qua tổn thất công suất, hệ thống đang vận hành trong điều độ kinh tế với các giá
trị cho trước sau:
- Máy phát 1: 500MW
- Máy phát 2: 700MW
- Giới hạn tối đa của dây truyền tải: 400MW
Ở trạng thái vận hành cơ sở, hệ thống hoạt động bình thường.
500MW

250MW

Unit 1

700MW

Unit 2

250MW
OPTIMAL DISPATCH

1200MW

Nếu có một trong 2 dây truyền tải bị mất điện bởi sự cố. Hiện tượng quá tải sẽ xuất
hiện trên dây truyền tải còn lại.


10

500MW

0MW

Unit 1

700MW

Unit 2

500MW (OVERLOAD)
POST CONTINGENCY STATE

1200MW

Giả sử trong ví dụ này chúng ta không muốn sự cố quá tải xảy ra. Chúng ta sẽ điều
chỉnh trạng thái với việc giảm cơng suất phát của máy phát 1 cịn 400MW.
400MW

200MW

Unit 1

800MW

Unit 2

200MW
SECURE DISPATCH

1200MW

Nếu một vài phân tích sự cố được thực hiện, trạng thái sau sự cố.
400MW

0MW

Unit 1

800MW

Unit 2

400MW
SECURE POST CONTINGENCY STATE

1200MW

Bằng việc điều chỉnh công suất phát tại máy phát 1 và 2, chúng ta đã ngăn chặn
được trạng thái vận hành sau sự cố với việc quá tải của dây truyền tải, thực chất
đây được gọi là“Sự hiệu chỉnh an ninh”. Việc kiểm soát điều khiển vận hành trong
trường hợp cơ sở hay sự cố để ngăn chặn các vi phạm giới hạn được gọi là “Phân
bố công suất tối ưu có ràng buộc an ninh” hay gọi tắt là SCOPF (Security
Constraint Optimal Power Flow). Với SCOPF, chúng ta có thể tính được số các sự
cố, tính tốn và điều chỉnh công suất máy phát, điện áp máy phát, máy biến áp…


11

2.2.

MỘT SỐ KHẢO SÁT VỀ PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU CÓ
RÀNG BUỘC AN NINH

2.2.1 Trạng thái ổn định
H. W. Dommel đã phác thảo một cuộc khảo sát cụ thể về các thuật tốn dịng tải
[7], nghiên cứu đầu tiên về dòng tải thuộc về J Carpentair (1962). Tất cả những
phát triển trong các thuật tốn phân bố cơng suất nghiên cứu về SCOPF để khắc
phục khi có bất kỳ trường hợp sự cố nào xảy ra bằng cách kiểm soát hệ thống vẫn
trong giới hạn cho phép hoạt động - gọi là trạng thái ổn định [8], [9]. Phương pháp
trước đó về cơ bản là mơ hình dịng tải tuyến tính DC với nhiều xấp xỉ và chỉ sử
dụng một mơ hình lũy tuyến cho hệ thống mất điện [10]. Đầu những năm 1960 với
đề nghị của Wells [11], và năm 1970 tác phẩm của El-Hawary [12], Kaltenbach và
cộng sự [13] và Shen [14]… là những người đầu tiên nghiên cứu về tối ưu hóa hệ
thống điện có ràng buộc an ninh. Vào đầu năm 1973, Alsac đã đề xuất một phương
pháp chính xác hơn để kết hợp các ràng buộc trạng thái ổn định vào OPF, với công
suất phản kháng và ràng buộc điện áp trong trường hợp mất điện [15]. OPF được
giải quyết bằng cách sử dụng phương pháp "Dommel Tinney" và sau đó ràng buộc
an ninh được thêm vào các dòng AC và số nhân Lagrange, để có được điều kiện
hoạt động tối ưu và được thử nghiệm trên mạng điện IEEE 30 nút.
Mục đích phân bố cơng suất tối ưu có ràng buộc an ninh là một vấn đề hai chiều và
tối ưu hóa xảy ra ở trao đổi giữa chi phát sinh và chi phí an tồn. “Chỉ số an tồn
thích hợp” được đề cập lần đầu tiên trong luận án tiến sĩ D. D Menniti (1989) và
sau đó được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu của ông về giai đoạn ổn định an
toàn bằng cách sử dụng nhận dạng mẫu [16] và mạng thần kinh [17] vào năm 1991
và 1995. Năm 1996, Minniti cùng với Confroti và Sorrentino đề xuất phân phối
Gradient song song và lập trình khơng tuyến tính dựa trên thuật tốn OPF có (N-1)
dự phịng [18] với các số liệu an toàn liên tục và đã được thử nghiệm trên mạng
điện IEEE 5 nút.

12

2.2.2 Dynamic SCOPF
Ebrahim Vaahedi và cộng sự [19] (2001) là người tiên phong trong Dynamic
SCOPF, ổn định điện áp với ràng buộc an ninh tĩnh, dịng cơng suất và điện áp
trong trạng thái bình thường và trạng thái sự cố. Bài tốn được thiết lập như ba
mức độ phân tích trong chương trình Interior/kỹ thuật phân tích Benders được sử
dụng để kiểm tra hệ thống điện Bắc Mỹ 1449 nút, 2511 mạch điện, 778 máy biến
áp và 240 máy phát điện và hệ thống Brazil với 11 nút và 15 mạch điện và bằng
cách sử dụng dịng cơng suất liên tục (Continuation Power Flow) và chương trình
điểm sụp đổ (Point of Collapse Program - PFLOW). Don Hur và cộng sự [20]
(2001) đề xuất một thuật toán Novel với kết cấu phân cấp, sử dụng kỹ thuật giá cơ
sở với các mơ hình từng khu vực như một đơn vị kinh tế. Ở đây, chương trình
tuyến tính dựa trên phương pháp tiếp cận được sử dụng bởi các tác giả với việc tối
đa an ninh của hệ thống kết hợp với khả năng trao đổi của dây liên kết.
2.2.3 Lựa chọn sự cố (Contingency selection)
Lizhi Wang [21] (2006) phát triển một kỹ thuật lựa chọn sự cố mới cho bài toán
SCOPF, kỹ thuật này đã được chứng minh là cung cấp lời giải tốt hơn là nguyên
tắc chọn (N-K) truyền thống. Một mơ hình dịng tải DC bảo tồn được sử dụng và
sự cân bằng giữa yếu tố kinh tế và an toàn đã đạt được bằng cách dùng hàm tham
số tải. Sự cân bằng tốt nhất giữa lợi ích kinh tế, chi phí và rủi ro đã được xem xét
và phương pháp Integer Programming (IP) được sử dụng kể kiểm tra trên hệ thống
5 nút, 6 đường dây và trên hệ thống IEEE 30 nút sử dụng MatlabTM và nền tảng
CPLEX 9.0.
Florin Capitanescu [22] (2007) giới thiệu hai kỹ thuật lựa chọn sự cố mới dựa trên
so sánh các giải pháp trung gian của phân bố công suất tối ưu với ràng buộc an
ninh dự phòng (Preventive Security Constraint OPF – PSC-OPF) trong phân tích
sự cố. Tác giả đã so sánh phương pháp đề nghị với các phương pháp cổ điển như
Individually Non-dominated Contingency (INDC), Non-dominated Contingency

Group (NDCG), cả hai phương pháp đều dựa trên khái niệm “Ưu thế của ràng
buộc vi phạm”, nó có lợi thế với các tham số được điều chỉnh tự do. Các kỹ thuật


13

trước đây cho thấy chỉ có thể giữ trạng thái sự cố không chiếm ưu thế, với kết quả
thu được từ PSOPF, tất cả các sự cố được mô tả và loại bỏ khỏi hệ thống. Phương
pháp Interior Point (IP) được sử dụng trong các thuật toán cơ sở. Các thuật toán đã
được thử nghiệm trên hệ thống Nordic32 (với 60 nút) và hệ thống IEEE 118 nút.
Tác giả chứng minh rằng phương pháp PSOPF đề xuất mạnh mẽ hơn và đẩy nhanh
kết quả tối ưu hơn các phương pháp cổ điển khác.
2.2.4 Điều độ kinh tế với ràng buộc an ninh
Mohamed Aganagic và cộng sự [23] (1997) mô tả một thuật toán phân giải hai bậc
sử dụng phiên bản phi tuyến của kỹ thuật phân giả Danttzig-Wolfe. Điều độ kinh
tế với ràng buộc an ninh sử dụng các hàm chi phí đơn vị phi tuyến. Tác giả đã
thuyết minh chi tiết của những đường cong dự trữ được cho kiểm chứng trên ba
trường hợp với tổng công suất tải là 3595MW. Thuật toán đề nghị gồm hai pha:
pha thứ nhất đạt được lời giải khả thi chủ yếu bằng việc tối thiểu tổng các trường
hợp khả thi, trong khi ở pha thứ hai, chi phí phát điện được tối thiểu và được giải
quyết bằng phương pháp đơn hình sửa đổi (Revised simplex method).
2.2.5 Phân bố công suất tối ưu với ràng buộc sự cố (CCOPF)
Ramesh và cộng sự [24] (1997) đã phát triển một dạng suy biến của phân bố công
suất tối ưu với ràng buộc sự cố (CCOPF) sử dụng logic mờ, trong đó sự tối thiểu
chi phí vận hành của cả trường hợp cơ bản (trước sự cố) và trường hợp sự cố được
chấp nhận như là mục tiêu mờ. Devaraj và cộng sự [25] (2005) mô tả thuật toán
phát sinh mã thực (RCGA) cho OPF để nâng cao mục tiêu an toàn của đường dây
bằng cách điều chỉnh độ trễ pha của các máy biến áp với việc thiết lập các chỉ số
nghiêm ngặt (Severity Index – SI).
2.3.

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG
SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.3.1 Phương pháp EP (Evolutionary programming)
EP là một chiến lược tối ưu sự cố nhấn mạnh đến sự liên kết hành vi giữa bố mẹ và
con cái. Đây là phương pháp tối ưu không phụ thuộc vào đạo hàm bậc nhất và bậc