Áp dụng thuật toán stochastic fractl search để giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối có xét đến ảnh hưởng của nguồn phân tán

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

LÊ THANH TÙNG

ÁP DỤNG THUẬT TOÁN STOCHASTIC FRACTAL SEARCH
ĐỂ GIẢI BÀI TỐN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN PHÂN TÁN

Chuyên ngành:

Kỹ Thuật Điện

Mã số:

60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2017


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Nhật Nam
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Trần Hoàng Lĩnh
Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 12 tháng 07 năm 2017
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS. Phan Thị Thanh Bình

2. TS. Trần Hồng Lĩnh
3. PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
4. TS. Huỳnh Quang Minh
5. ..........................................................................................................................
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

PGS. TS. Phan Thị Thanh Bình

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ


-iĐẠI 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 THANH TÙNG

MSHV:

1570878

Ngày, tháng, năm sinh:

22/08/1992

Nơi sinh:

Bình Định

Chuyên ngành:

Kỹ Thuật Điện

Mã số:

60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:
“Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search để giải bài toán tái cấu trúc
lưới điện phân phối có xét đến ảnh hưởng của nguồn phân tán”
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu bài tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối.
- Tìm hiểu thuật tốn Stochastic Fractal Search.
- Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search để giải bài tốn tái cấu trúc lưới
điện phân phối có xét đến ảnh hưởng của nguồn phân tán.
- 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:

16 /01 /2017

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

18 /06 /2017

IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. Nguyễn Nhật Nam

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2017
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)


-ii-

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy TS.
Nguyễn Nhật Nam và thầy Th.S Trần Thế Tùng, các thầy hướng dẫn tôi thực hiện
luận văn này. 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.
Xin cảm ơn quý thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình

chỉ dạy cho tơi những kiến thức q 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 tơi bước tiếp trong cuộc sống 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 q Thầy, Cơ dồi dào sức khỏe và thành công trong
sự nghiệp cao quý.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2017
Học viên
Lê Thanh Tùng


-iii-

TĨM TẮT
Luận văn sử dụng thuật tốn Stochastic Fractal Search (SFS) để giải quyết bài
toán tái cấu trúc lưới điện phân phối (LĐPP) có xét đến ảnh hưởng của nguồn phân
tán nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng. Thuật toán SFS được dựa trên thuật toán
Fractal Search (FS) và được cải tiến nhằm nâng cao khả năng giải quyết của bài toán
tối ưu và tốc độ hội tụ. Thuật toán SFS đề xuất để giải bài toán tái cấu trúc LĐPP cho
mạng điện 33 nút, 69 nút, 84 nút và 119 nút.
Các kết quả thu được trong quá trình tính tốn cho thấy rằng thuật tốn SFS 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 SFS, đưa
đến kết quả tốt hơn.
Thông qua các kết quả khảo sát trên LĐPP từ mạng điện chuẩn 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.

-iv-

ABSTRACT
This thesis proposes a Stochastic Fractal Search (SFS) algorithm for solving the
optimal distribution network reconfiguration (DNRC) problem consider distributed
generation (DG) for active power loss minimization. The SFS algorithm is based on
the Fractal Search (FS) algorithm and improved for the ability to solve optimization
problems and speed of convergence. The SFS algorithm is proposed to solve the
DNRC problem with 33, 69, 84 and 119 bus 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 SFS 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 33, 69, 84 and
119 bus test systems, power loss is reduced considerably and there by improve power
supply reliability for customers. Therefore, these results illustrate the efficiency of
the proposed SFS algorithm.


-v-

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan luận văn này hồn tồn do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
khoa học của TS. Nguyễn Nhật Nam.
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 chưa từng cơng bố trên bất kỳ cơng trình
nào khác.
Học viên

Lê Thanh Tùng


-vi-

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ...................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ II
TÓM TẮT ............................................................................................................ III
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................IV
MỤC LỤC .............................................................................................................VI
DANH MỤC CÁC HÌNH...................................................................................... X
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. XII
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................... 1
1.1 Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1
1.2 Mục tiêu của đề tài.............................................................................................. 1
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2
1.4 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2
1.5 Nội dung của luận văn ........................................................................................ 2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN .................................................................................. 3
2.1 Tổng quan về lưới điện phân phối ...................................................................... 3
2.2 Đặc điểm của lưới điện phân phối ...................................................................... 4
2.3 Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến lưới lưới điện phân phối .......................... 5
2.4 Tổng quan về bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ..................................... 7
2.4.1 Giới thiệu bài toán tái cấu trúc LĐPP ....................................................... 7
2.4.2 Các phương pháp nghiên cứu bài toán tái cấu trúc LĐPP ........................ 9
2.4.2.1 Các giải thuật Heuristics ............................................................. 9
2.4.2.2 Các giải thuật dựa trên trí thơng minh nhân tạo ....................... 10
2.4.3 Tóm lược các bài báo về tái cấu trúc LĐPP có xét đến ảnh hưởng của DG
......................................................................................................................... 12

CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ........ 15
3.1 Cơ sở xây dựng bài toán tái cấu trúc LĐPP có xét đến nguồn phân tán ......... 15
3.2 Mơ hình tốn học bài tốn tái cấu trúc LĐPP có xét đến nguồn phân tán ...... 15
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG THUẬT TOÁN STOCHASTIC FRACTAL SEARCH
GIẢI BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN
NGUỒN PHÂN TÁN............................................................................................ 18


-vii-

4.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 18
4.2 Thuật toán Stochastic Fractal Search ............................................................... 18
4.2.1 Tìm kiếm Fractal .................................................................................... 18
4.2.2 Tìm kiếm ngẫu nhiên Fractal .................................................................. 20
4.3 Áp dụng thuật toán SFS vào bài tốn tái cấu trúc LĐPP có xét đến ảnh hưởng
của DG .................................................................................................................... 28
4.3.1 Khởi tạo ban đâu ..................................................................................... 28
4.3.2 Xây dựng vòng độc lập ........................................................................... 30
4.3.3 Xây dựng giải thuật kiểm tra lưới điện hình tia ...................................... 35
4.3.4 Hệ số độ nhạy tổn thất ............................................................................ 37
4.3.5 Các bước thực hiện áp dụng giải thuật SFS và bài toán tái cấu trúc LĐPP
có xét đến DG .................................................................................................. 38
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ TÍNH TỐN .............................................................. 42
5.1 Xác định thơng số ............................................................................................. 42
5.2 Mạng điện 33 nút .............................................................................................. 44
5.2.1 Kịch bản 2: Chỉ áp dụng tái cấu trúc lưới điện ....................................... 44
5.2.2 Kịch bản 3: Phân bố và tối ưu dung lượng DG vào trường hợp lưới điện ở
trạng thái mặc định ban đầu ............................................................................. 45
5.2.3 Kịch bản 4: Phân bố và tối ưu dung lượng DG sau khi đã thực hiện tái cấu
trúc lưới điện .................................................................................................... 46

5.2.4 Kịch bản 5: Thực hiện tái cấu trúc lưới sau khi đã phân bố và tối ưu dung
lượng DG. Kịch bản 4: Phân bố và tối ưu dung lượng DG sau khi đã thực hiện
tái cấu trúc lưới điện ........................................................................................ 47
5.2.5 Kịch bản 6: Thực hiện đồng thời tái cấu trúc lưới điện và tối ưu dung
lượng DG ......................................................................................................... 48
5.2.6 Kịch bản 7: Thực hiện đồng thời tái cấu trúc, phân bố và tối ưu dung
lượng DG ........................................................................................................ 49
5.3 Mạng điện 69 nút .............................................................................................. 51
5.3.1 Kịch bản 2: Chỉ áp dụng tái cấu trúc lưới điện ....................................... 52
5.3.2 Kịch bản 3: Phân bố và tối ưu dung lượng DG vào trường hợp lưới điện ở
trạng thái mặc định ban đầu ............................................................................. 53


-viii-

5.3.3 Kịch bản 4: Phân bố và tối ưu dung lượng DG sau khi đã thực hiện tái cấu
trúc lưới điện .................................................................................................... 54
5.3.4 Kịch bản 5: Thực hiện tái cấu trúc lưới sau khi đã phân bố và tối ưu dung
lượng DG. Kịch bản 4: Phân bố và tối ưu dung lượng DG sau khi đã thực hiện
tái cấu trúc lưới điện ........................................................................................ 55
5.3.5 Kịch bản 6: Thực hiện đồng thời tái cấu trúc lưới điện và tối ưu dung
lượng DG ......................................................................................................... 56
5.3.6 Kịch bản 7: Thực hiện đồng thời tái cấu trúc, phân bố và tối ưu dung
lượng DG ........................................................................................................ 57
5.4 Mạng điện 84 nút .............................................................................................. 59
5.4.1 Kịch bản 2: Chỉ áp dụng tái cấu trúc lưới điện ....................................... 61
5.4.2 Kịch bản 3: Phân bố và tối ưu dung lượng DG vào trường hợp lưới điện ở
trạng thái mặc định ban đầu ............................................................................. 62
5.4.3 Kịch bản 4: Phân bố và tối ưu dung lượng DG sau khi đã thực hiện tái cấu
trúc lưới điện .................................................................................................... 63

5.4.4 Kịch bản 5: Thực hiện tái cấu trúc lưới sau khi đã phân bố và tối ưu dung
lượng DG. Kịch bản 4: Phân bố và tối ưu dung lượng DG sau khi đã thực hiện
tái cấu trúc lưới điện ........................................................................................ 64
5.4.5 Kịch bản 6: Thực hiện đồng thời tái cấu trúc lưới điện và tối ưu dung
lượng DG ......................................................................................................... 65
5.4.6 Kịch bản 7: Thực hiện đồng thời tái cấu trúc, phân bố và tối ưu dung
lượng DG ........................................................................................................ 66
5.5 Mạng điện 119 nút ............................................................................................ 69
5.5.1 Kịch bản 2: Chỉ áp dụng tái cấu trúc lưới điện ....................................... 70
5.5.2 Kịch bản 3: Phân bố và tối ưu dung lượng DG vào trường hợp lưới điện ở
trạng thái mặc định ban đầu ............................................................................. 72
5.5.3 Kịch bản 4: Phân bố và tối ưu dung lượng DG sau khi đã thực hiện tái cấu
trúc lưới điện .................................................................................................... 73
5.5.4 Kịch bản 5: Thực hiện tái cấu trúc lưới sau khi đã phân bố và tối ưu dung
lượng DG. Kịch bản 4: Phân bố và tối ưu dung lượng DG sau khi đã thực hiện
tái cấu trúc lưới điện ........................................................................................ 74


-ix-

5.5.5 Kịch bản 6: Thực hiện đồng thời tái cấu trúc lưới điện và tối ưu dung
lượng DG ......................................................................................................... 75
5.5.6 Kịch bản 7: Thực hiện đồng thời tái cấu trúc, phân bố và tối ưu dung
lượng DG ........................................................................................................ 75
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................... 79
6.1 Kết luận............................................................................................................. 79
6.2 Hướng phát triển đề tài ..................................................................................... 79
6.3 Lời kết ............................................................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 81
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 86

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................. 95


-x-

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1: Sơ đồ lưới điện truyền tải – phân phối ..................................................... 3
Hình 2.2: Kết nối DG vào LĐPP .............................................................................. 6
Hình 4.1: Sự khuếch tán ......................................................................................... 19
Hình 4.2: Quá trình khuếch tán .............................................................................. 21
Hình 4.3: Lưu đồ giải thuật SFS ............................................................................. 26
Hình 4.4: Lưu đồ giải thuật quá trình khuếch tán................................................... 27
Hình 4.5: Lưu đồ giải thuật hai quá trình cập nhật ................................................. 28
Hình 4.6: Mạng điện 33 nút .................................................................................... 30
Hình 4.7: Mạng điện 16 nút .................................................................................... 31
Hình 4.8: Mơ tả phương pháp xác định vịng độc lập cho nhánh 14 ..................... 32
Hình 4.9: Lưu đồ giải thuật xác định vịng độc lập ................................................ 34
Hình 4.10: Lưu đồ giải thuật kiểm tra lưới điện hình tia ........................................ 36
Hình 4.11: Sơ đồ đơn tuyến của một LĐPP 2 nút .................................................. 37
Hình 4.12: Lưu đồ giải thuật SFS áp dụng vào bài tốn tái cấu trúc...................... 41
Hình 5.1: Mạng điện 33 nút .................................................................................... 44
Hình 5.2: Đặc tính hội tụ của kịch bản 2, mạng điện 33 nút .................................. 45
Hình 5.3: Đặc tính hội tụ của kịch bản 3, mạng điện 33 nút .................................. 46
Hình 5.4: Đặc tính hội tụ của kịch bản 4, mạng điện 33 nút .................................. 47
Hình 5.5: Đặc tính hội tụ của kịch bản 5, mạng điện 33 nút .................................. 48
Hình 5.6: Đặc tính hội tụ của kịch bản 6, mạng điện 33 nút .................................. 49
Hình 5.7: Đặc tính hội tụ của kịch bản 7, mạng điện 33 nút .................................. 50
Hình 5.8: Chất lượng điện áp của 7 kịch bản, mạng điện 33 nút ........................... 51
Hình 5.9: Mạng điện 69 nút .................................................................................... 51
Hình 5.10: Đặc tính hội tụ của kịch bản 2, mạng điện 69 nút ................................ 53

Hình 5.11: Đặc tính hội tụ của kịch bản 3, mạng điện 69 nút ................................ 54
Hình 5.12: Đặc tính hội tụ của kịch bản 4, mạng điện 69 nút ................................ 55
Hình 5.13: Đặc tính hội tụ của kịch bản 5, mạng điện 69 nút ................................ 56
Hình 5.14: Đặc tính hội tụ của kịch bản 6, mạng điện 69 nút ................................ 57
Hình 5.15: Đặc tính hội tụ của kịch bản 7, mạng điện 69 nút ................................ 58
Hình 5.16: Chất lượng điện áp của 7 kịch bản, mạng điện 69 nút ......................... 59


-xi-

Hình 5.17: Mạng điện 84 nút .................................................................................. 60
Hình 5.18: Đặc tính hội tụ của kịch bản 2, mạng điện 84 nút ................................ 62
Hình 5.19: Đặc tính hội tụ của kịch bản 3, mạng điện 84 nút ................................ 63
Hình 5.20: Đặc tính hội tụ của kịch bản 4, mạng điện 84 nút ................................ 64
Hình 5.21: Đặc tính hội tụ của kịch bản 5, mạng điện 84 nút ................................ 65
Hình 5.22: Đặc tính hội tụ của kịch bản 6, mạng điện 84 nút ................................ 66
Hình 5.23: Đặc tính hội tụ của kịch bản 7, mạng điện 84 nút ................................ 67
Hình 5.24: Chất lượng điện áp của 7 kịch bản, mạng điện 84 nút ......................... 68
Hình 5.25: Mạng điện 119 nút ................................................................................ 69
Hình 5.26: Đặc tính hội tụ của kịch bản 2, mạng điện 119 nút .............................. 71
Hình 5.27: Đặc tính hội tụ của kịch bản 3, mạng điện 119 nút .............................. 72
Hình 5.28: Đặc tính hội tụ của kịch bản 4, mạng điện 119 nút .............................. 73
Hình 5.29: Đặc tính hội tụ của kịch bản 5, mạng điện 119 nút .............................. 74
Hình 5.30: Đặc tính hội tụ của kịch bản 6, mạng điện 119 nút .............................. 75
Hình 5.31: Đặc tính hội tụ của kịch bản 7, mạng điện 119 nút .............................. 76
Hình 5.32: Chất lượng điện áp của 7 kịch bản, mạng điện 119 nút ....................... 78


-xii-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 5.1: Thơng số của thuật tốn SFS áp dụng vào bài tốn ............................... 43
Bảng 5.2: Vịng độc lập mạng điện 33 nút ............................................................. 44
Bảng 5.3: Kết quả kịch bản 2, mạng điện 33 nút ................................................... 45
Bảng 5.3: Kết quả kịch bản 3, mạng điện 33 nút ................................................... 46
Bảng 5.4: Kết quả kịch bản 4, mạng điện 33 nút ................................................... 47
Bảng 5.5: Kết quả kịch bản 5, mạng điện 33 nút ................................................... 48
Bảng 5.6: Kết quả kịch bản 6, mạng điện 33 nút ................................................... 49
Bảng 5.7: Kết quả kịch bản 7, mạng điện 33 nút ................................................... 49
Bảng 5.8: Vòng độc lập mạng điện 69 nút ............................................................. 52
Bảng 5.9: Kết quả kịch bản 2, mạng điện 69 nút ................................................... 52
Bảng 5.10: Kết quả kịch bản 3, mạng điện 69 nút ................................................. 53
Bảng 5.11: Kết quả kịch bản 4, mạng điện 69 nút ................................................. 54
Bảng 5.12: Kết quả kịch bản 5, mạng điện 69 nút ................................................. 55
Bảng 5.13: Kết quả kịch bản 6, mạng điện 69 nút ................................................. 56
Bảng 5.14: Kết quả kịch bản 7, mạng điện 69 nút ................................................. 57
Bảng 5.15: Vòng độc lập mạng điện 84 nút ........................................................... 60
Bảng 5.16: Kết quả kịch bản 2, mạng điện 84 nút ................................................. 61
Bảng 5.17: So sánh kết quả tái cấu trúc mạng điện 84 nút (kịch bản 2) ................ 61
Bảng 5.18: Kết quả kịch bản 3, mạng điện 84 nút ................................................. 62
Bảng 5.19: Kết quả kịch bản 4, mạng điện 84 nút ................................................. 63
Bảng 5.20: Kết quả kịch bản 5, mạng điện 84 nút ................................................. 64
Bảng 5.21: Kết quả kịch bản 6, mạng điện 84 nút ................................................. 65
Bảng 5.22: Kết quả kịch bản 7, mạng điện 84 nút ................................................. 66
Bảng 5.23: Vòng độc lập mạng điện 119 nút ......................................................... 70
Bảng 5.24: Kết quả kịch bản 2, mạng điện 119 nút ............................................... 70
Bảng 5.25: So sánh kết quả tái cấu trúc mạng điện 119 nút (kịch bản 2) .............. 71
Bảng 5.26: Kết quả kịch bản 3, mạng điện 119 nút ............................................... 72
Bảng 5.27: Kết quả kịch bản 4, mạng điện 119 nút ............................................... 73
Bảng 5.28: Kết quả kịch bản 5, mạng điện 119 nút ............................................... 74

Bảng 5.29: Kết quả kịch bản 6, mạng điện 119 nút ............................................... 75


-xiii-

Bảng 5.30: Kết quả kịch bản 7, mạng điện 119 nút ............................................... 76
Bảng A: Dữ liệu hệ thống mạng điện 33 nút .......................................................... 86
Bảng B: Dữ liệu hệ thống mạng điện 69 nút .......................................................... 87
Bảng C: Dữ liệu hệ thống mạng điện 84 nút .......................................................... 89
Bảng D: Dữ liệu hệ thống mạng điện 119 nút ........................................................ 92


-1CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Lưới điện phân phối (LĐPP) là hệ thống trực tiếp cung cấp điện cho khách
hàng, có tổng chiều dài lưới chiếm 95% tổng chiều dài toàn bộ lưới điện Việt Nam
[1]. Do đó giảm tổn thất trên LĐPP có ý nghĩa rất quan trọng trong việc giảm tỉ lệ
tổn thất trên toàn bộ hệ thống điện.
Nhiều phương pháp để giảm tổn thất công 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 cơng 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 cịn 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.
Gần đây với sự phát triển của các nguồn điện phân tán (nguồn máy phát
Diesel, các nguồn năng lượng tái tạo…), yêu cầu tái cấu trúc LĐPP còn cần phát xét

đến sự ảnh hưởng của các nguồn phân tán. Do đó, cần tìm ra một biện pháp hiệu quả
để giải quyết một vấn đề này một cách tối ưu. Và đó cũng là lý do mà đề tài : “Áp
dụng thuật toán SFS (Stochastic Fractal Search) để giải bài toán tái cấu trúc lưới
điện phân phối có xét đến ảnh hưởng của nguồn phân tán” được chọn.
1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
1.2.2 Mục tiêu chung
Ứng dụng thuật toán SFS (Stochastic Fractal Search) để giải bài tốn tái cấu
trúc LĐPP có xét đến ảnh hưởng của các nguồn phân tán, đảm bảo các yêu cầu về
chất lượng điện năng, vận hành an toàn và giảm tổn thất công suất.


-21.2.2 Mục tiêu cụ thể
- Nghiên cứu về phương pháp sử dụng thuật toán SFS.
- Nắm vững cơ sở lý thuyết SFS.
- Ứng dụng thuật toán SFS để giải bài tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối có
xét đến ảnh hưởng của nguồn phân tán.
1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là giảm tổn thất công suất tác dụng trên
LĐPP.
Phạm vi nghiên cứu của luận văn là tập trung vào bài toán: “Áp dụng thuật
toán SFS để giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối có xét đến ảnh hưởng của
nguồn phân tán”.
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp giải quyết bài toán sẽ gồm 3 bước như sau:
+ Nghiên cứu về thuật toán SFS.
+ Xây dựng giải thuật dựa trên thuật toán SFS để giải bài toán tái cấu trúc
LĐPP có xét đến nguồn phân tán.
+ So sánh kết quả với các kết quả đã được công bố trước đây.
1.5 NỘI DUNG LUẬN VĂN
Chương 1: Giới thiệu chung.

Chương 2: Tổng quan.
Chương 3: Bài toán tái cấu trúc LĐPP.
Chương 4: Áp dụng giải thuật SFS để giải bài toán tái cấu trúc LĐPP có xét
đến nguồn phân tán.
Chương 5: Kết quả tính tốn.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục.
Lý lịch trích ngang.


-3-

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Lưới điện phân phối (LĐPP) là lưới điện trực tiếp chuyển tải điện năng từ các
trạm biến thế trung gian đến khách hàng. Khác với đường dây truyền tải thường được
vận hành mạch vòng, để đảm bảo yêu cầu vận hành an toàn, tiết kiệm và nâng cao độ
tin cậy cung cấp điện, LĐPP được cấu hình vận hành hình tia trong mọi trường hợp.
Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có các
mạch vịng liên kết với các đường dây kế cận. Việc khôi phục lưới được thông qua
thao tác đóng/cắt các cặp khóa điện nằm trên các mạch vịng đó, do đó, trên lưới
phân phối có rất nhiều khóa điện.

Hình 2.1: Sơ đồ lưới điện truyền tải – phân phối


-4Khi xuất hiện nguồn điện phân tán (DG – Distributed Generation) kết nối vào
LĐPP, phân bố dòng điện trên các nhánh đường dây sẽ thay đổi và ảnh hưởng đến
cấu hình tối ưu của LĐPP, điều đó đặt nhiệm vụ là: cần phải tìm cấu hình tối ưu mới

(tái cấu trúc LĐPP có nguồn DG) nhằm đảm bảo các mục tiêu: cải thiện chất lượng
điện áp các nút trên LĐPP, giảm tổn thất công suất, nâng cao độ tin cậy cung cấp
điện, chống quá tải đường dây…
Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu hình lưới điện nhằm giảm tổn
thất năng lượng thường nằm trong các điều kiện thỏa mãn những ràng buộc kỹ thuật,
cộng với có hàng trăm khóa điện dọc trên LĐPP là điều vơ cùng khó khăn cho nhân
viên vận hành và điều độ viên. Do đó, ln cần một phương pháp phân tích phù hợp
với LĐPP thực tế và một giải thuật đủ mạnh áp dụng cho việc tái cấu trúc lưới điện
nhằm thõa mãn các yêu cầu vận hành.
Trong các thập niên gần đây, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học trong lĩnh
vực trí tuệ nhân tạo, các nhà khoa học đã liên tục đưa ra các giải pháp để giải bài tốn
nan giải này ngày càng được hồn thiện hơn. Trước đây cũng đã có rất nhiều cơng
trình nghiên cứu xung quanh vấn đề tối ưu cấu hình lưới điện, tuy nhiên mỗi cơng
trình đều có những ưu điểm và những mặt hạn chế nhất định. Do đó việc cố gắng tìm
ra một giải pháp tốt hơn, khắc phục các nhược điểm của các giải pháp hiện hữu là
một nhu cầu cấp thiết. Hịa theo ý tưởng đó, tơi đề nghị ứng dụng thuật toán SFS
(Stochastic Fractal Search) để giải bài tốn tái cấu trúc LĐPP có xét đến ảnh hưởng
của nguồn phân tán với hy vọng tìm ra một giải pháp tối ưu hơn các giải pháp hiện
hữu.
2.2 ĐẶC ĐIỂM 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.
Dịng cơng suất sẽ đi từ nguồn (hệ thống lưới truyền tải) qua LĐPP đến cung cấp cho
phụ tải khách hàng. Vì vậy, việc truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến khách
hàng tiêu thụ sẽ sinh ra tổn hao trên lưới truyền tải và LĐPP.


-5Khác với lưới truyền tải, phần lớn tổn thất là trên đường dây, LĐPP trực tiếp
phân phối điện năng tới từng khách hàng, do số lượng khách hàng được cấp điện qua
LĐPP là rất lớn nên vấn đề tổn thất tại LĐPP của các công ty Điện lực không chỉ là

tổn thất kỹ thuật trên đường dây hay cách thức vận hành hệ thống mà còn là phương
thức, cách thức quản lý khách hàng sử dụng điện, điều đó dẫn đến một khái niệm là
tổn thất phi kỹ thuật.
Tổn thất trên LĐPP được phân thành tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật:
 Tổn thất kỹ thuật bao gồm:
+ Tổn thất công suất trên đường dây.
+ Tổn hao máy biến thế, các thiết bị đóng cắt, các mối nối xấu…
+ Tổn hao do hệ số công suất thấp, sụt áp…
 Tổn thất phi kỹ thuật bao gồm:
+ Khách hàng sử dụng điện không qua đo đếm, các hành vi tác động, gây sai
lệch hệ thống đo đếm…
+ Sai số điện kế, hệ thống đo lường (TU, TI).
+ Chất lượng ghi chỉ số, sai lệch giữa ngày điện nhận và ngày thương phẩm
trong cơng tác tính tốn tổn thất.
2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN PHÂN TÁN ĐẾN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Nguồn phân phối DG ngày càng được ứng dụng nhiều trong lưới điện phân
phối vì những lý do chính sau:
-

Thị trường điện đã mở cửa cho các nhà đầu tư tham gia ở tất cả các dạng
nguồn năng lượng.

-

Các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt trong khi ý thức bảo
vệ môi trường của người dân đang tăng lên.


-6-

Một lý do nữa, đó là tình trạng q tải của các mạng điện đang hiện hữu cùng
với sự phát triển rất nhanh với nhu cầu phụ tải trong khi đó việc xây dựng các
nhà máy điện có cơng suất lớn cần nhiều thời gian.
Bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối mà đặc biệt là lưới điện phân phối có

liên kết DG là một sự lựa chọn hấp dẫn đối với việc lập kế hoạch mở rộng và phát
triển lưới điện phân phối trong tương lai. Những nguồn phát phân phối (DG) cùng
với cấu trúc phù hợp của LĐPP sẽ góp phần giảm tổn thất năng lượng, cải thiện chất
lượng điện áp và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện,…
Nguồn phân tán (DG) là nguồn điện kết nối trực tiếp vào LĐPP hoặc lưới điện
phía sau hệ thống đo đếm của khách hàng. Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về DG,
tùy thuộc vào mỗi quốc gia, tổ chức. Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA International Energy Agnecy) định nghĩa: DG là một nhà máy phát điện phục vụ trực
tiếp cho khách hàng hoặc hỗ trợ cho LĐPP, kết nối vào lưới điện tại cấp điện áp phân
phối [28] . CIGRE định nghĩa DG là một nguồn điện có các đặc điểm: khơng phân
bố tập trung, không được điều độ tập trung, thường kết nối vào LĐPP, có dung lượng
nhỏ từ 50 – 100 MW [29]. Các tổ chức khác như Viện nghiên cứu năng lượng
(Electric Power Reseach Institue) định nghĩa DG là những máy phát có dung lượng
vài kW tới 50 MW [30]. Như vậy, có thể hiểu đơn giản DG chính là các máy phát
điện có dung lượng nhỏ.

Hình 3.1: Kết nối DG vào lưới điện


-7Hiện nay, có rất nhiều cơng nghệ DG đang được sử dụng trên thị trường.
Ngoài các máy phát điện chạy bằng dầu diezel, xăng… phổ biến, các công nghệ mới
về DG như micro tubine chạy bằng năng lượng gió, sức nước hay nguồn năng lượng
mặt trời, pin nhiên liệu… cũng đang được áp dụng rộng rãi hơn.
Khi có sự tham gia của DG vào LĐPP, phân bố công suất trên lưới thay đổi,
các đặc tính về dịng điện, điện áp sẽ thay đổi dẫn theo sự thay đổi về tổn thất công
suất trên lưới. Nhiều nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng việc xác định dung lượng cũng

như vị trí đặt DG khơng chính xác sẽ dẫn đến lượng cơng suất tổn thất lớn hơn so với
trước khi đặt DG [25, 26]. Bằng cách tính tốn xác định dung lượng và vị trí tối ưu
của DG sẽ giảm thiểu được tổn thất công suất và nâng cao chất lượng điện năng, cải
thiện độ tin cậy cung cấp điện.
2.4 TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LĐPP
2.4.1 Giới thiệu bài toán tái cấu trúc LĐPP
Tái cấu trúc lưới điện là q trình vận hành các khóa điện để thay đổi cấu hình
của lưới điện nhằm đảm bảo các mục tiêu vận hành cũng như giảm thiểu chi phí. Đối
với LĐPP, chi phí chủ yếu được tối thiểu hóa là chi phí tổn thất điện năng.
Các bài tốn vận hành LĐPP mô tả các hàm mục tiêu tái cấu trúc lưới điện:
 Bài tốn 1: Xác định cấu hình lưới điện theo đồ thị phụ tải trong một thời đoạn
để chi phí vận hành bé nhất.
Hàm mục tiêu này phù hợp với LĐPP phức tạp, được trang bị các khóa điện
hiện đại, có khả năng đóng mở có tải, được điều khiển từ xa như recloser, hay nói
cách khác, bài tốn 1 phù hợp với LĐPP có chi phí chuyển tải thấp, linh hoạt trong
vận hành, cấu trúc lưới có thể thay đổi nhiều lần trong ngày.
 Bài toán 2: Xác định cấu hình lưới điện khơng thay đổi trong thời đoạn khảo sát
để tổn thất năng lượng bé nhất.


-8Trong thực tế, ngay cả ở những nước công nghiệp tiên tiến, chi phí chuyển tải
ảnh hưởng rất lớn đến quyết định thay đổi cấu trúc lưới. Vì thế, trong vận hành, cấu
trúc lưới chỉ thay đổi khi:
 Phải cô lập sự cố và tái cấu trúc lưới chống quá tải lưới, máy biến thế nguồn.
 Mức giảm tổn thất năng lượng ít nhất đủ bù đắp các chi phí chuyển tải.
Vì vậy, xuất hiện bài tốn 2 – Xác định cấu trúc lưới điện không đổi trong thời
gian khảo sát để tổn thất năng lượng bé nhất.
 Bài toán 3: Xác định cấu hình lưới điện tại một thời điểm để tổn thất công suất bé
nhất.
Nghiên cứu các giải thuật giải bài toán 1 và bài toán 2 là hết sức phức tạp. Để

cho đơn giản hơn, mục tiêu được điều chỉnh lại là cực tiểu tổn thất công suất. Đây
chính là lý do xuất hiện thêm bài tốn 3 “Xác định cấu trúc LĐPP có tổn thất cơng
suất bé nhất”. Đã có rất nhiều các nghiên cứu giải quyết bài toán 3 trên LĐPP mà
tiêu biểu nhất là lời giải của Civanlar hay Merlin & Back ,chúng tạo thành hai hướng
nghiên cứu chính trong bài tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối.
Bài toán tái cấu trúc LĐPP với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất tác dụng
– bài toán 3 là một bài toán quan trọng, làm nền tảng hầu như cho tất cả các bài toán
khác trong hệ thống các bài toán tái cấu trúc lưới.
 Bài tốn 4: Tái cấu hình lưới điện cân bằng tải (giữa các đường dây, máy biến
thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng truyền tải của lưới điện.
Giải thuật này áp dụng phù hợp cho những khu vực thường xuyên bị quá tải
hay có phụ tải khơng ổn định. Khi đó, để tránh q tải đường dây và máy biến áp
nguồn cần phải có cấu trúc lưới điện phù hợp để tải được lượng công suất lớn nhất
mà số lượng các phần tử quá tải trong lưới điện là bé nhất.
 Bài toán 5: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa.


-9Đây là mục tiêu được đông đảo các nhà khoa học đề cập trong các nghiên cứu
của mình. Tuy có nhiều hướng nghiên cứu riêng biệt nhưng chủ yếu các giải thuật
vẫn theo trình tự như sau:
 Loại bỏ phần tử bị sự cố trên lưới.
 Tái cấu trúc lưới để cấp điện với số khách hàng tối đa mà khơng gây q tải.
 Bài tốn 6: Xác định cấu hình 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 (hàm đa mục tiêu).
Trong vận hành LĐPP có rất nhiều mục tiêu vận hành mà người điều khiển tại
khu vực mà mình đang trực tiếp vận hành. Tuy nhiên, việc chọn duy nhất một mục
tiêu điền khiển theo từng thời điểm tỏ ra không có tính thuyết phục đối với người vận
hành hơn khi cùng lúc thỏa mãn nhiều mục tiêu cùng lúc.
 Bài tốn 7: Xác định cấu hình lưới điện để đảm bảo mục tiêu giảm năng lượng

do việc ngừng cung cấp điện hay nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.
Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của một LĐPP cực tiểu tổn thất năng
lượng hay cực tiểu chi phí vận hành thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật vận hành ln là
bài tốn quan trọng và kinh điển trong vận hành hệ thống điện. Trong đó bài tốn 3 là
một bài toán quan trọng, làm nền tảng cho việc giải các bài toán khác trong hệ thống
các bài toán tái cấu trúc lưới.
2.4.2 Các phương pháp nghiên cứu bài toán tái cấu trúc LĐPP
2.4.2.1 Các giải thuật Heuristics
 Kỹ thuật vịng kín – Giải thuật của Merlin và Back [31]
Merlin và Back cho rằng với mạch vòng, LĐPP ln có mức tổn thất cơng
suất bé nhất. Vì vậy, để có LĐPP vận hành hình tia, Merlin và Back lần lượt loại bỏ
những nhánh có tổn thất cơng suất nhỏ nhất, quá trình sẽ chấm dứt khi lưới điện đạt
được trạng thái vận hành hở. Trong quá trình thực hiện, thuật tốn khơng tính mức
giảm ΔP khi phân bố lại phụ tải cho từng bước mà chỉ xét đến dịng chạy qua khóa
điện. Thuật tốn khơng tính tổn thất ΔP để so sánh lựa chọn cấu trúc tối ưu vì đã xuất


-10phát từ điều kiện mở nhánh có dịng cơng suất bé nhất để mức tổn thất ΔP là bé nhất.
Các giải thuật tìm kiếm nhánh và biên ứng dụng luật heuristic này mất rất nhiều thời
gian do có khả năng xảy ra đến 2n cấu trúc lưới điện nếu có n đường dây được trang
bị khóa điện.
Kỹ thuật này được phát biểu như sau: “ Đóng tất cả các khóa điện lại – tạo
thành một lưới kín, sau đó giải bài tốn phân bố cơng suất và tiến hành mở lần lượt
các khóa có dịng chạy qua là bé nhất cho đến khi lưới điện dạng hình tia. ”.
 Kỹ thuật đổi nhánh – Giải thuật của Civanlar [3]
Giải thuật của Civanlar dựa trên heuristics để tái cấu hình LĐPP. Kỹ thuật đổi
nhánh thể hiện ở quá trình thay thế một khóa mở bằng một khóa đóng trong một
vịng kín để giảm tổn thất cơng suất. Vịng được chọn để đổi nhánh là vịng có cặp
khóa đóng/mở có mức giảm tổn thất cơng suất lớn nhất. Q trình được lặp lại cho
đến khi không thể giảm được tổn thất nữa.

2.4.2.2 Các giải thuật dựa trên trí thơng minh nhân tạo
 Giải thuật Gen (GA - Genetic Algorithm)
Đối với mạng phân phối, khi đóng một khóa điện sẽ tạo ra một vịng kín.
Thuật tốn đề nghị bắt đầu bằng việc đóng tất cả các khóa điện để tạo một mạng
vịng. Mạng vịng này bao gồm nhiều vịng đóng và mỗi vịng phải có một điểm
“mở” tốt nhất để cực tiểu tổn thất cho mạch hở. Mở một khóa điện trong mỗi vịng sẽ
có được cấu trúc mạng hình tia. Tiếp theo là các biểu diễn chuỗi:
-

Mỗi gen biểu diễn một khóa mở trong vòng, độ dài của chuỗi bằng số vòng.

-

Nếu chuỗi có một gen thì mạng có một vịng, mỗi gen trong chuỗi là khác
nhau.

-

Nếu chuỗi có hay hay nhiều gen là khóa điện thơng thường trong hai vịng
khác nhau thì mạng có một nút bị cách ly.

 Giải thuật đàn kiến (ACS – Ant Colony Algorithm)