Áp dụng thuật toán one rank cuckoo search để giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối

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

LÊ NGHĨA

ÁP DỤNG THUẬT TOÁN
ONE RANK CUCKOO SEARCH
ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Chuyên ngành:

Kỹ Thuật Điện

Mã số:

60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2016


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS. TS. Võ Ngọc Điều

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1:

TS. Lê Kỷ

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. Hồ Văn Hiến

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 07 tháng 01 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch:

TS. Nguyễn Văn Liêm

2. Phản biện 1: TS. Lê Kỷ
3. Phản biện 2: TS. Hồ Văn Hiến
4. Uỷ Viên:

PGS.TS. Hồ Văn Nhật Chương

5. Thư ký:

TS. Huỳnh Quang Minh

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

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

i

HVTH: Lê Nghĩa


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

LÊ NGHĨA

MSHV:

Ngày, tháng, năm sinh:

26/04/1984

Nơi sinh: TP. Hồ Chí Minh

Chuyên ngành:

Kỹ Thuật Điện

Mã số:

7140418
60 52 02 02

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Áp dụng thuật toán One Rank Cuckoo Search để giải bài toán tái cấu trúc lưới
điện phân phối.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu bài tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối
- Tìm hiểu thuật tốn One Rank Cuckoo Search
- Áp dụng thuật toán One Rank Cuckoo Search để giải bài toán tái cấu trúc lưới điện
phân phối.

- So sánh kết quả đạt được với các thuật toán khác.
- Kết luận và đưa ra hướng phát triển cho đề tài.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

11/01/2016

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

05/12/2016

IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

PGS. TS. Võ Ngọc Điều.

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

ii

HVTH: Lê Nghĩa


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy
PGS.TS. Võ Ngọc Điều, người thầy hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này. Thầy đã
cung cấp cho tôi những tài liệu cần thiết cho đề tài. Trong suốt thời gian thực hiện
luận văn, mặc dù công việc rất bận rộn nhưng thầy vẫn dành nhiều thời gian và tâm
huyết trong việc hướng dẫn tôi thực hiện luận văn.
Trong thời gian vừa qua, với những sự chỉ dẫn, nhắc nhở, gợi ý của thầy đã
cho tôi thêm ý tưởng mới, giúp tôi thực hiện hiệu quả nghiên cứu của mình. Cho
đến hơm nay, luận văn của tơi đã được hồn thành, cũng chính là nhờ sự nhắc nhở,
đôn đốc, sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy.

Xin cảm ơn q thầy cơ giáo trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình
chỉ dạy cho tôi những kiến thức quý báu trong những năm tháng học tập tại trường.
Vốn kiến thức được tiếp thu trong q trình học khơng chỉ là nền tảng cho q trình
nghiên cứu, mà cịn là hành trang q báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc
và tự tin.
Xin cảm ơn gia đình, những người thân yêu và bạn bè đồng nghiệp đã luôn là
nguồn cổ vũ, động viên, tạo điều kiện và chăm lo cho tôi về cả vật chất lẫn tinh thần
để tơi có thể n tâm thực hiện tốt việc học tập.
Cuối cùng tơi kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe và thành công trong
sự nghiệp cao quý.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016
Người thực hiện
Lê Nghĩa

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

iii

HVTH: Lê Nghĩa


TĨM TẮT
Luận văn sử dụng thuật tốn One Rank Cuckoo Search (ORCS) để giải quyết
bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối (LĐPP) giảm tổn thất công suất tác dụng.
Thuật toán ORCS được dựa trên thuật toán Cuckoo Search (CS) và được cải tiến
nhằm nâng cao khả năng giải quyết của bài toán tối ưu và tốc độ hội tụ. Thuật toán
ORCS đề xuất để giải bài toán tái cấu trúc LĐPP cho mạng điện IEEE 16 nút, 33
nút và 69 nút.
Các kết quả thu được trong quá trình tính tốn cho thấy rằng thuật tốn
ORCS đề xuất tốt hơn về hiệu quả tính tốn. Bên cạnh đó, luận văn cũng đề xuất

các hướng phát triển nghiên cứu, hướng tiếp cận mới để tiếp tục cải thiện thuật toán
ORCS, đưa đến kết quả tốt hơn, cũng như ứng dụng vào các bài toán tái cấu trúc
thực tế trong hệ thống điện.
Thông qua các kết quả khảo sát trên LĐPP từ mạng điện chuẩn đến thực tế
cho thấy sau khi tái cấu trúc, tổn thất công suất giảm đáng kể và từ đó nâng cao độ
tin cậy cung cấp điện cho khách hàng. Điều này thể hiện hiệu quả của giải thuật đề
xuất.

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

iv

HVTH: Lê Nghĩa


ABSTRACT
This thesis proposes a One Rank Cuckoo Search (ORCS) algorithm for
solving the optimal distribution network reconfiguration (DNRC) problem for
active power loss minimization. The ORCS algorithm is based on the Cuckoo
Search (CS) algorithm and improved for the ability to solve optimization problems
and speed of convergence. The ORCS algorithm is proposed to solve the DNRC
problem with 16, 33 and 69 bus IEEE power systems.
The results obtained during calculations are better at computation efficiency.
Besides, the thesis also proposes developing research directions, new approaches to
further improve the ORCS algorithm, brought to better results, as well as
applications on the practical DNRC problem in the power system.
According to calculating results on distribution network from IEEE 16,
33 and 69 bus test systems to practical power network, power loss is reduced
considerably and thereby improve power supply reliability for customers.
Therefore, these results illustrate the efficiency of the proposed ORCS algorithm.

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

v

HVTH: Lê Nghĩa


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan luận văn này hồn tồn do tôi thực hiện được thực hiện dưới
sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Võ Ngọc Điều.
Các đoạn trích dẫn trong luận văn đều được dẫn nguồn, chính xác và kết quả
nêu trong luận văn là nghiên cứu của tôi và có tính trung thực.

Học viên
Lê Nghĩa

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

vi

HVTH: Lê Nghĩa


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ....................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii
TÓM TẮT .................................................................................................................iv
ABSTRACT ...............................................................................................................v
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................vi

MỤC LỤC ............................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ...............................................................................x
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................xi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................. xii
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG .....................................................................1
1.1.

Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1

1.2.

Mục tiêu của đề tài ......................................................................................... 2

1.3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 3

1.4.

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 3

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN ...................................................................................4
2.1.

Giới thiệu......................................................................................................... 4

2.2.

Lưới điện phân phối ....................................................................................... 4

2.2.1.

Đặc điểm của lưới điện phân phối ............................................................. 5

2.2.2.

Nhiệm vụ của lưới điện phân phối............................................................. 8

2.3.

Thực trạng của LĐPP hiện nay của Việt Nam ......................................... 10

2.4.

Các nghiên cứu về tái cấu trúc LĐPP ........................................................ 12

2.4.1.

Giới thiệu .................................................................................................... 12

2.4.2.

Các giải thuật Heuristic ............................................................................. 12

2.4.2.1.Giải thuật của Civanlar và các cộng sự - kỹ thuật đổi nhánh .......... 12
2.4.2.2.Phương pháp Heuristic và tối ưu hóa ................................................. 15
2.4.3.

Các giải thuật Meta-Heuristic .................................................................. 19

2.4.3.1.Thuật toán di truyền – Genetic Algorithm (GA)................................. 19
2.4.3.2.Phương pháp logic mờ - Fuzy logic..................................................... 21
GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

vii

HVTH: Lê Nghĩa


2.4.3.3.Mạng thần kinh nhân tạo – Artificial Neural Network (ANN) ......... 21
2.4.3.4.Hệ chuyên gia – Expert System (ES) ................................................... 21
2.4.3.5.Thuật toán Tabu Search (TS) ................................................................ 22
2.4.3.6.Thuật toán bầy đàn – Particle Swarm Optimization (PSO) ............. 24
2.4.3.7.Phương pháp mô phỏng luyện kim – Simulated Annealing Method 24
2.4.3.8.Thuật toán tối ưu kiến – Ant Colony Optimization Method (ACO) . 25
2.4.3.9.Thuật toán Cuckoo Search (CS) ........................................................... 25
CHƯƠNG 3 : BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ..........27
3.1.

Tái cấu trúc lưới điện phân phối................................................................. 27

3.2.

Các bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ........................................... 28

3.3.

Mơ hình tốn học của bài tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối ............ 30

3.4.

Xây dựng giải thuật kiểm tra điều kiện hình tia ....................................... 32

CHƯƠNG 4 : ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ONE RANK CUCKOO SEARCH
GIẢI BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ........................37
4.1.

Đặt vấn đề ..................................................................................................... 37

4.2.

Phương pháp One Rank Cuckoo Search giải bài toán tái cấu trúc ........ 37

4.2.1.

Thuật toán Cuckoo Search ........................................................................ 37

4.2.1.1.Hành vi chim Cuckoo............................................................................. 38
4.2.1.2.Đặc tính Lévy Flight .............................................................................. 38
4.2.1.3.Thuật toán Cuckoo Search .................................................................... 39
4.2.2.

Thuật toán One Rank Cuckoo Search (ORCS) ...................................... 42

4.2.3.

Áp dụng thuật toán ORCS vào bài toán tái cấu trúc ............................. 44

CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ TÍNH TỐN ................................................................48
5.1.

Chọn thơng số ............................................................................................... 48

5.2.

Mạng điện IEEE 16 nút ............................................................................... 49

5.3.

Mạng điện IEEE 33 nút ............................................................................... 52

5.4.

Mạng điện IEEE 69 nút ............................................................................... 56

5.5.

Lưới điện phân phối thực tế ........................................................................ 63

5.5.1. Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 63

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

viii

HVTH: Lê Nghĩa


5.5.2. Giới thiệu chương trình con TOPO của PSS/ADEPT 5.0 ...................... 64
5.5.3. Công tác chuyển tải trong vận hành lưới điện phân phối thực tế ........... 66

5.5.4. Phương pháp thực hiện ................................................................................ 67
5.5.4.1.Cơng suất tiêu thụ trung bình ................................................................. 67
5.5.4.2.Định nghĩa phần tử phụ tải ..................................................................... 68
5.5.4.3.Xác định cấu hình lưới điện phân phối .................................................. 70
5.5.5. Kết quả tái cấu trúc cho phát tuyến Tân Quý ........................................... 70
CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .....................75
6.1.

Tổng kết đề tài .............................................................................................. 75

6.2.

Hướng phát triển của đề tài ......................................................................... 76

6.3.

Lời kết ............................................................................................................ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................77
PHỤ LỤC .................................................................................................................82
Phụ lục A: Dữ liệu phát tuyến Tân Quý giờ bình thường ..................................... 82

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

ix

HVTH: Lê Nghĩa


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 - Lưới điện phân phối Cao thế/ Trung thế....................................................6
Hình 2.2 - Lưới điện Trung thế/ Hạ thế ......................................................................6
Hình 2.3 - Vị trí và vai trị của lưới điện phân phối ....................................................9
Hình 2.4 - Lưu đồ giải thuật của Civanlar và các cộng sự ........................................13
Hình 2.5 - Giải thuật của Merlin & Back được Shirmohammadi chỉnh sửa ............17
Hình 3.1 - Hệ thống hình tia IEEE 16 nút – 3 nguồn ................................................34
Hình 3.2 - Lưu đồ kiểm tra điều kiện hình tia hệ thống phân phối ...........................36
Hình 4.1 - Chim Cuckoo con lớn hơn cả chim chủ tổ ..............................................38
Hình 4.2 - Lưu đồ thuật tốn Cuckoo Search ...........................................................41
Hình 5.1 – Mạng điện IEEE 16 nút ...........................................................................49
Hình 5.2 - Cải thiện điện áp của thuật toán ORCS cho mạng điện IEEE 16 nút ......51
Hình 5.3 - Đặc tính hội tụ của thuật tốn ORCS cho mạng điện IEEE 16 nút .........52
Hình 5.4 - Mạng điện IEEE 33 nút ...........................................................................52
Hình 5.5 - Cải thiện điện áp của thuật tốn ORCS cho Mạng điện IEEE 33 nút .....55
Hình 5.6 - Đặc tính hội tụ của thuật tốn ORCS cho Mạng điện IEEE 33 nút .........56
Hình 5.7 - Mạng điện IEEE 69 nút ...........................................................................56
Hình 5.8 - Cải thiện điện áp của thuật toán ORCS cho Mạng điện IEEE 69 nút .....63
Hình 5.9 - Đặc tính hội tụ của thuật tốn ORCS cho Mạng điện IEEE 69 nút .........63
Hình 5.10 - Sơ đồ đơn tuyến của một phần tử phụ tải với MBA hạ áp ....................69
Hình 5.11 - Sơ đồ mơ phỏng phát tuyến Tân Quý trạng thái ban đầu ......................71
Hình 5.12 - Cấu trúc phát tuyến Tân Quý sau tái cấu trúc ........................................72
Hình 5.13 - Cải thiện điện áp của phương pháp ORCS cho Phát tuyến Tân Quý ....73
Hình 5.14 - Đặc tính hội tụ của phương pháp ORCS cho Phát tuyến Tân Quý .......73

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

x

HVTH: Lê Nghĩa

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 - Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc LĐPP ...........................30
Bảng 5.1 - Thơng số của thuật tốn ORCS cho các hệ thống kiểm tra .....................48
Bảng 5.2 - Thông số nhánh của mạng điện phân phối IEEE 16 nút .........................49
Bảng 5.3 - Thông số các nút của mạng điện phân phối IEEE 16 nút .......................50
Bảng 5.4 - So sánh các kết quả mô phỏng cho hệ thống kiểm tra IEEE 16 nút .......51
Bảng 5.5 - Thông số nhánh của mạng điện IEEE 33 nút ..........................................53
Bảng 5.6 - Thông số nút của mạng điện IEEE 33 nút ...............................................54
Bảng 5.7 - So sánh các kết quả mô phỏng cho Mạng điện IEEE 33 nút ..................55
Bảng 5.8 - Thông số nhánh của mạng điện phân phối IEEE 69 nút .........................57
Bảng 5.9 - Thông số nút của mạng điện phân phối IEEE 69 nút ..............................60
Bảng 5.10 - So sánh các kết quả mô phỏng cho Mạng điện IEEE 69 nút ................62
Bảng 5.11 - So sánh các kết quả mô phỏng cho phát tuyến Tân Quý ......................72

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

xi

HVTH: Lê Nghĩa


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
LĐPP

: Lưới điện phân phối

CS

: Cuckoo Search

ORCS

: One Rank Cuckoo Search

QP

: Quadratic Programming

LP

: Linear Progrmaming

IPM

: Interior Point Methods

MIP

: Mixed-Integer Programming

SA

: Simulated Annealing

ACO

: Ant Colony Optimization

TS

: Tabu Search

DE

: Differential Evolution

EP

: Evolutionary Programming

GA

: Genetic Algorithm

PSO

: Particle Swarm Optimization

ANN

: Artificial Neural Network

ES

: Expert System

FWA

: Fireworks Algorithm

RGA

: Refined Genetic Algorithms

HAS

: Harmony Search Algorithm

ITS

: Improved Tabu Search

IEEE

: Institute of Electrical And Electronics Engineers

PSS/ADEPT

: Power System Simulator/
Advanced Distribution Engineerging Productivity Tool

TOPO

: Tie Open Point Optimization

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

xii

HVTH: Lê Nghĩa


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG

1.1. Lý do chọn đề tài
Hệ thống điện phân phối đóng vai trị quan trọng trong việc cung cấp điện đến
hộ tiêu thụ. Vì lý do kỹ thuật, nó ln được vận hành theo kiểu hình tia, mặc dù
được thiết kế theo kiểu mạch vịng để tăng độ tin cậy trong quá trình cung cấp điện.
Theo số liệu của Tập đoàn Điện lực Việt Nam năm 2015, tổn thất điện năng đo
được là từ 7% - 8% so với 2% - 3% trên lưới điện truyền tải [1]. Thực tế, việc giảm
tổn thất điện năng góp phần làm giá thành điện năng giảm, dẫn đến hạ giá thành các
sản phẩm và thúc đẩy kinh tế phát triển, phục vụ nhu cầu dân sinh ngày càng cao.
Vì vậy, nhiều phương pháp để giảm tổn thất cơng suất và nâng cao độ tin cậy
trên LĐPP đã được thực hiện nhưng lại tốn các chi phí đầu tư và lắp đặt thiết bị
như: nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối, tăng tiết diện dây dẫn, hoặc lắp
đặt tụ bù nhằm giảm truyền tải công suất phản kháng trên lưới điện. Trong khi đó,
tái cấu trúc lưới là phương pháp khơng cần chi phí để cải tạo lưới điện, bằng cách
đóng hoặc mở các cặp khóa điện có sẵn trên lưới cũng làm giảm tổn thất điện năng
đáng kể, khi đạt được cân bằng công suất giữa các tuyến dây. Không chỉ dừng lại ở
mục tiêu giảm tổn thất điện năng, tái cấu trúc LĐPP còn có thể nâng cao khả năng
tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới và giảm thiểu số lượng hộ tiêu thụ bị mất
điện khi có sự cố hay khi cần sửa chữa đường dây.
Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất
năng lượng trong điều kiện phải thoả mãn các ràng buộc kỹ thuật với hàng
trăm khoá điện trên hệ thống điện phân phối là điều vơ cùng khó khăn đối với các
điều độ viên. Do đó ln cần một phương pháp phân tích phù hợp với LĐPP thực tế
và một giải thuật đủ mạnh để tái cấu trúc lưới điện trong điều kiện thoả mãn các
ràng buộc kỹ thuật trong hệ thống điện phân phối.
Với những ưu điểm của bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối, các nhà khoa

học đã khơng ngừng nghiên cứu tìm ra các thuật tốn và phát triển chúng ngày một
GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

1

HVTH: Lê Nghĩa


hồn thiện hơn để giải quyết bài tốn tái cấu trúc lưới điện. Đã có rất nhiều thuật
tốn từ cổ điển cho đến trí tuệ nhân tạo được sử dụng như: Quadratic Programming
(QP) [2], Linear Progrmaming (LP) [3], Interior Point Methods (IPM) [4], MixedInteger Programming (MIP) [5], Evolutionary Programming (EP) [6], Genetic
Algorithm (GA) [7], Differential Evolution (DE) [8], Ant Colony Optimization
(ACO) [9], Particle Swarm Optimization (PSO) [10],…
Ngày càng nhiều thuật toán dạng metaheuristic ra đời lấy cảm hứng từ thiên
nhiên. Mới đây, hai nhà toán học Xin-She Yang và Suash Deb đã đưa ra thuật toán
mới Cuckoo Search (CS) được phát triển năm 2009 [11], [12]. Thuật toán CS lấy
cảm hứng từ hành vi của loài chim Cuckoo kết hợp với đặc tính Lévy flight. Mặc dù
thuật tốn CS tốt hơn các thuật toán PSO, GA, DE trong việc giải quyết các bài toán
tối ưu hệ thống điện, tuy nhiên, giải pháp tối ưu dựa trên bước đi ngẫu nhiên Lévy
flight khơng được đảm bảo hội tụ nhanh. Do đó, năm 2013, Ahmed S. Tawfik và
cộng sự đã đề xuất thuật toán One Rank Cuckoo Search (ORCS) [13] với 2 sự hiệu
chỉnh so với phương pháp CS và cho kết quả tốt hơn CS trong 10 hàm chuẩn và đặc
biệt đối với bài tốn tối ưu. Và đó cũng chính là lý do tơi chọn đề tài “Áp dụng
thuật tốn One Rank Cuckoo Search để tái cấu trúc lưới điện phân phối” cho luận
văn thạc sĩ.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu là áp dụng thuật toán One Rank Cuckoo Search để giải
bài toán tái cấu trúc LĐPP nhằm giảm tổn thất công suất.
Từ mục tiêu nghiên cứu như trên, nhiệm vụ của luận văn bao gồm:
- Đọc các bài báo viết về tái cấu trúc lưới điện từ trước đến nay trên thế giới.

Phân loại theo các phương pháp khác nhau.
- Tìm hiểu các phương pháp tối ưu để giải bài toán tái cấu trúc hệ thống điện.
- Tìm hiểu bài tốn tái cấu trúc hệ thống điện và xây dựng hàm mục tiêu đạt
mục đích đề ra.
- Tìm hiểu phương pháp thuật tốn ORCS
GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

2

HVTH: Lê Nghĩa


- Áp dụng thuật toán ORCS để giải bài toán tái cấu trúc trên mạng điện chuẩn.
So sánh kết quả thu được của thuật toán ORCS với các kết quả đã được công bố
trước đây.
- Áp dụng phương pháp đề xuất vào LĐPP thực tế.
- Đưa ra kết luận và hướng nghiên cứu phát triển đề tài.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận văn là tập trung vào bài toán: “Tái cấu trúc để
giảm tổn thất công suất tác dụng và cải thiện chất lượng điện áp trong lưới điện
phân phối”.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp giải quyết bài toán sẽ gồm 4 bước như sau:
+ Nghiên cứu về thuật toán ORCS.
+ Xây dựng giải thuật dựa trên thuật toán ORCS để giải bài toán tái cấu trúc
LĐPP.
+ So sánh kết quả với các kết quả đã được công bố trước đây.
+ Áp dụng phương pháp đề xuất vào LĐPP thực tế.
1.5. Nội dung luận văn
Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Giới thiệu tổng quan về bài toán tái cấu trúc cũng như các phương pháp
đã được áp dụng để giải quyết bài toán
Chương 3: Bài toán tái cấu trúc LĐPP
Chương 4: Giới thiệu giải thuật ORCS và áp dụng giải thuật này vào bài tốn tái cấu
trúc LĐPP
Chương 5: Kết quả tính tốn
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

3

HVTH: Lê Nghĩa


CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN
2.1.

Giới thiệu
Hiện nay, do cấu trúc của LĐPP không thay đổi nhưng phụ tải ngày càng tăng,

dẫn đến tổn thất của LĐPP tăng lên. Do đó, để giảm tổn thất của LĐPP, người ta sẽ
dùng các biện pháp như: đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lưới điện… Tuy
nhiên trong thực tế, làm như vậy sẽ đòi hỏi sự đầu tư rất nhiều mà hiệu quả giảm
tổn thất điện năng lại khơng đáng kể. Chính vì vậy, để hệ thống phụ tải tăng trong
giới hạn cho phép của LĐPP, và giảm tổn thất điện năng trên đường dây, phương
pháp tái cấu trúc LĐPP là giải pháp hữu hiệu.
Trong thời gian gần đây, sự tiến bộ vượt bậc của khoa học trong lĩnh vực trí
thơng minh nhân tạo đã liên tục đưa ra các thuật toán để giải bài toán tái cấu trúc
LĐPP. Việc áp dụng một thuật toán mới để giải bài toán tái cấu trúc hiệu quả hơn là

một nhu cầu cấp thiết. Trên cơ sở đó, tơi đề nghị áp dụng thuật toán One rank
Cuckoo Search để giải lại bài tốn tái cấu trúc LĐPP với hy vọng tìm ra một giải
pháp tốt.
2.2.

Lưới điện phân phối
Hệ thống lưới phân phối có vai trị quan trọng trong cung cấp điện đến hộ tiêu

thụ, vì lý do kỹ thuật nên ln vận hành hình tia tuy được thiết kế mạch vịng để
tăng độ tin cậy cung cấp điện. Tổn thất điện năng đo được là từ 7%- 8% so với 2%3% trên lưới điện truyền tải [1], do đó nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện
năng trên lưới phân phối ln đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Có nhiều biện pháp để giảm tổn thất trong quá trình phân phối điện năng như:
bù công suất phản kháng, nâng cao điện áp vận hành LĐPP hoặc tăng tiết diện dây
dẫn. Tuy các biện pháp này đều mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật nhưng cũng
cần phải có kinh phí đầu tư để nâng cấp, cải tạo lưới điện. Trong khi đó biện pháp
tái cấu trúc lưới thơng qua việc chuyển tải bằng cách đóng – mở các cặp khóa điện
cũng giảm tổn thất đáng kể khi cân bằng tải giữa các tuyến dây mà không cần bất
kỳ một chi phí cải tạo lưới điện nào. Khơng chỉ dừng lại mục tiêu giảm tổn thất điện
GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

4

HVTH: Lê Nghĩa


năng, tái cấu trúc LĐPP còn nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối
lưới và giảm thiểu số lượng hộ tiêu thụ mất điện khi sự cố hay sửa chữa đường dây.
Trong thực tế vận hành, tái cấu trúc lưới điện giảm tổn thất năng lượng và thỏa
các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khóa điện có trên hệ thống điện phân phối
ln là điều khó khăn đối với các điều độ viên. Tuy nhiên khơng thể giảm số lượng

khóa điện có trên lưới để đơn giản vận hành được vì chi phí vận hành lưới điện sẽ
tăng đáng kể. Do đó cần phải có một phương pháp phân tích phù hợp với LĐPP
thực tế và sử dụng một giải thuật đủ mạnh để thoả mãn các ràng buộc kỹ thuật trong
hệ thống điện phân phối, đồng thời hỗ trợ vận hành cho các điều độ viên.
2.2.1. Đặc điểm của lưới điện phân phối
Phân phối điện là giai đoạn cuối cùng trong việc truyền tải điện đến hộ tiêu
dùng. LĐPP sẽ nhận điện từ hệ thống lưới truyền tải và chuyển nó đến hộ tiêu dùng
điện năng. Dịng cơng suất sẽ đi từ nguồn (hệ thống lưới truyền tải) qua LĐPP đến
cung cấp cho phụ tải. Vì vậy, việc truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến hộ tiêu
thụ sẽ sinh ra tổn hao trên lưới truyền tải và LĐPP (khoảng 7- 8% tổng công suất
của hệ thống) [1].
Các đặc điểm của lưới điện phân phối [14]:
 Hệ thống phân phối điện năng được xây dựng và lắp đặt phải đảm bảo nhận
điện năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ.
 LĐPP gồm có 2 phần:
 Lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22 kV phân phối điện cho
các trạm phân phối trung/hạ áp và các phụ tải trung áp.
 Lưới hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 380/220 V.

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

5

HVTH: Lê Nghĩa


Hình 2.1 - Lưới điện phân phối Cao thế/ Trung thế

Hình 2.2 - Lưới điện Trung thế/ Hạ thế

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

6

HVTH: Lê Nghĩa


 Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ ít gây ra mất điện nhất. Bằng các biện pháp
cụ thể như có thể có nhiều nguồn cung cấp, có đường dây dự phịng, có nguồn
thay thế như máy phát,…
 LĐPP vận hành dễ dàng linh hoạt và phù hợp với việc phát triển lưới điện
trong tương lai.
 Đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp.
Độ biến thiên điện áp cho phép là  5% Uđm [1].
 Đảm bảo chi phí tu dưỡng, bảo dưỡng là nhỏ nhất.
Lưới phân phối cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải trong bán kính khoảng vài
chục ki-lơ-mét trở lại, có các đặc điểm chính sau:
 Điện áp định mức từ 6kV đến 35kV, đôi khi lên đến 66kV – 100kV [1].
 Tổng chiều dài đường dây và số lượng máy biến áp chiếm tỉ lệ lớn trong toàn
bộ hệ thống lưới điện.
 Kết nối với lưới truyền tải thông qua các trạm trung gian hoặc các trạm khu
vực.
 Tổn thất công suất trên lưới phân phối chiếm 5 – 7% [1] tổng công suất của hệ
thống điện.
LĐPP có cấu trúc hình tia hoặc mạch vịng nhưng vận hành trong trạng thái hở
trong mọi trường hợp. Lý do của việc vận hành ở LĐPP:
 Tổng trở của LĐPP vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận hành vịng kín nên
dịng ngắn mạch bé khi có sự cố.
 Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các loại relay đơn giản,
rẻ tiền như relay q dịng, thấp áp,… mà khơng nhất thiết phải trang bị các

loại relay phức tạp như định hướng, khoảng cách, so lệch,… nên việc phối hợp
bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn và mức đầu tư cũng giảm xuống.

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

7

HVTH: Lê Nghĩa


 Chỉ cần dùng cầu chì tự rơi (FCO: Fuse Cut Out) hay cầu chì tự rơi kết hợp cắt
có tải (LBFCO: Load Beak Fuse Cut Out) để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên
cùng một đoạn trục và phối hợp với Recloser để tránh sự cố thoáng qua.
 Khi có sự cố, do vận hành hở, nên sự cố không lan tràn qua các phụ tải khác.
 Do được vận hành hở nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây dễ dàng
hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố.
 Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới phân phối, thì phương án kinh tế là các
lưới hình tia.
2.2.2. Nhiệm vụ của lưới điện phân phối
LĐPP có các nhiệm vụ sau:
 Cung cấp phương tiện để truyền tải năng lượng điện đến hộ tiêu thụ.
 Cung cấp phương tiện để các công ty điện lực phục vụ điện năng đến người
tiêu thụ điện.
 Đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện.
 Đảm bảo một số yêu cầu an toàn trong giới hạn cho phép.

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

8

HVTH: Lê Nghĩa


Hình 2.3 - Vị trí và vai trị của lưới điện phân phối
Các loại sơ đồ của lưới điện phân phối [14]:
 Hệ thống hình tia đơn giản.
 Hệ thống vịng phía cao áp – hình tia phía hạ áp.
 Hệ thống chọn lọc phía cao áp – hệ thống chọn lọc phía hạ áp.
 Hai nguồn phía cao áp – hệ thống chọn lọc phía hạ áp.

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

9

HVTH: Lê Nghĩa


 Hệ thống mạng hình nút.
Những hệ thống này theo thứ tự có chi phí, tính linh hoạt và độ tin cậy tăng
dần, do đó chúng được dùng cho những vùng có mật độ phụ tải tăng dần theo thứ tự
trên.
Ở sơ đồ hình tia, điều thuận lợi là mạng lưới điện đơn giản, người sử dụng sẽ
nhận điện năng tại một trong các trạm biến áp đơn sau khi đã hạ cấp điện áp. Thuận
lợi cho việc lắp đặt các máy biến áp, thiết bị bảo vệ và dễ dàng quản lý lưới điện.
Tuy nhiên, ở sơ đồ hình tia có độ sụt áp cao và hiệu quả sử dụng tương đối
thấp bởi vì những đường dây cấp điện bên hạ áp là những nguồn cung cấp đơn. Khi
có sự cố ở đường dây hạ áp, thiết bị bảo vệ sẽ cắt tồn bộ tải trên đường dây đó.
2.3.

Thực trạng của LĐPP hiện nay của Việt Nam

Do điều kiện địa lý cũng như lịch sử Việt Nam, hệ thống điện Việt Nam nói

chung phân bố rộng với nhiều cấp điện áp. Sự tồn tại nhiều cấp điện áp buộc phải sử
dụng nhiều loại thiết bị với xuất xứ khác nhau, điều đó gây trở ngại trong vận hành
và khó có thể thiết lập được chế độ làm việc kinh tế; thêm vào đó q trình cải tạo
và quy hoạch cũng gặp nhiều trở ngại do thiếu các chỉ tiêu, định mức hợp lý,… dẫn
đến thiếu chính xác trong dự báo, lựa chọn thiết bị và lãng phí vốn đầu tư, kèm theo
đó là q trình gia tăng tổn thất, giảm chất lượng điện.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh về kinh tế dẫn đến nhu
cầu sử dụng điện năng tăng vượt bậc không những về số lượng phụ tải mà đòi hỏi
chất lượng điện năng cung cấp cũng cao hơn. Điều này đòi hỏi điện lực Việt Nam
phải đổi mới về cách thức quản lý – điều hành, về thiết bị, công nghệ, xây dựng
nhiều nhà máy điện, xây dựng và nâng cấp LĐPP… Nhưng vẫn không đáp ứng kịp
với nhu cầu sử dụng điện, đặc biệt LĐPP vẫn còn tồn tại một số hạn chế sau [15]:
 Vẫn tồn tại nhiều cấp điện áp trên LĐPP (6,6 kV, 10 kV, 22 kV, 35 kV).
 Recloser và máy cắt có tải (LBS) khơng được điều khiển từ xa và có số lượng
khơng đáng kể nên chi phí đóng/cắt lớn và thời gian chuyển tải lâu.
GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

10

HVTH: Lê Nghĩa


 Các tổ đấu dây của máy biến áp tại các trạm trung gian không thống nhất, nên
phải cắt điện khi chuyển tải, điều này làm gián đoạn việc cung cấp điện và gây
khó chịu cho khách hàng sử dụng điện.
 Lưới điện phân bố rộng, cung cấp điện trực tiếp cho nhiều loại phụ tải khác
nhau nên chịu tác động lớn của địa hình phân bố, điều kiện khí hậu của từng
vùng miền.

Việc chuyển tải chỉ xảy ra khi:
 Chống quá tải đường dây, trạm biến áp trung gian ở những nơi phụ tải phát
triển nhanh, vào giờ cao điểm hay khi có cơng tác sửa chữa các vịng truyền
tải.
 Tái cấu trúc khôi phục cung cấp điện sau khi cô lập sự cố hay sửa chữa, cải tạo
đường dây và trạm biến áp theo định kỳ.
Vì các khó khăn trên, mục tiêu vận hành LĐPP phù hợp với điều kiện Việt Nam
hiện nay có thể đề nghị như sau:
 Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát để tổn thất
năng lượng là bé nhất.
 Tái cấu trúc lưới điện chống quá tải, cân bằng tải (giữa các đường dây, máy
biến thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của lưới điện.
 Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa.
 Xác định cấu trúc lưới điện theo nhiều mục tiêu như: tổn thất công suất bé
nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối lưới
bé nhất cùng đồng thời xảy ra.
 Tái cấu trúc lưới điện giảm thiểu điện năng ngừng cung cấp cho khách hàng,
đây là mục tiêu áp dụng cho những LĐPP sau cải tạo, có mức giảm tổn thất
cơng suất khơng đáng kể.

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

11

HVTH: Lê Nghĩa


2.4.

Các nghiên cứu về tái cấu trúc LĐPP

2.4.1. Giới thiệu
Tái cấu trúc LĐPP là một vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu kết hợp phức tạp. Sự
phức tạp của vấn đề phát sinh do cấu trúc của LĐPP là mạng vịng và các ràng buộc
của dịng cơng suất thực tế là phi tuyến. Vấn đề tái cấu trúc LĐPP cũng tương tự
như việc tính tốn phân bố cơng suất tối ưu. Tuy nhiên, tái cấu trúc yêu cầu một
khối lượng tính tốn lớn do có nhiều biến có tác động đến các trạng thái khóa điện
và điều kiện vận hành như: LĐPP phải vận hành hở, không quá tải máy biến áp,
đường dây, thiết bị đóng cắt,… và sụt áp tại hộ tiêu thụ trong phạm vi cho phép.
Do đó, khi tiếp cận bài tốn tái cấu trúc, cần sử dụng các phương pháp tìm
kiếm tối ưu sẽ cho kết quả tốt hơn. Những năm gần đây, có rất nhiều phương pháp
được phát triển cho việc giảm thiểu tổn thất công suất trong tái cấu trúc lưới điện
phân phối. Nhưng chỉ có hai phương pháp thực sự mang lại hiệu quả cao là giải
thuật heuristic và giải thuật meta-heuristic, vì dễ tìm được cấu trúc lưới tối ưu.
2.4.2. Các giải thuật Heuristic
Bản chất phi tuyến tính rời rạc của bài toán tái cấu trúc LĐPP đã tạo tiền đề cho
các nỗ lực nghiên cứu theo hướng sử dụng kỹ thuật chỉ thuần túy dựa trên giải thuật
heuristic. Giải thuật này có cùng đặc điểm là sử dụng các cơng thức thực nghiệm để
đánh giá mức độ giảm tổn thất liên quan đến thao tác đóng cắt và giới thiệu một số
quy luật nhằm giảm số lượng xem xét các khóa điện. Các quy tắc heuristic dựa trên
giả định rằng vệc giảm tải trên thiết bị và nguồn phát đồng nghĩa với giảm tổn thất.
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu theo hướng này nhưng chưa tìm được giải thuật tỏ
ra thực sự khả thi.
2.4.2.1.

Giải thuật của Civanlar và các cộng sự - kỹ thuật đổi nhánh

Giải thuật của Civanlar [16] dựa trên heuristic để tái cấu trúc lưới điện phân
phối, lưu đồ mơ tả giải thuật được trình bày tại hình 2.4.

GVHD: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

12

HVTH: Lê Nghĩa