Áp dụng phương pháp particle swarm optimization cải tiến giải bài toán phân bố công suất tối ưu có ràng buộc an ninh

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

TRẦN THẾ TÙNG

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP
PARTICAL SWARM OPTIMIZATION CẢI TIẾN
GIẢI BÀI TỐN PHÂN BỐ CƠNG SUẤT TỐI ƯU
CĨ RÀNG BUỘC AN NINH
Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số:
60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

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

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc
gia TP. HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
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

TRƯỞNG KHOA


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:

TRẦN THẾ TÙNG

MSHV: 11184093

Ngày, tháng, năm sinh:

01/01/1988

Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Mã số: 60.52.50

I. TÊN ĐỀ TÀI:
ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP PARTICAL SWARM OPTIMIZATION
GIẢI BÀI TỐN PHÂN BỐ CƠNG SUẤT TỐI ƯU CĨ RÀNG BUỘC AN NINH
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nghiên cứu phương pháp Partical Swarm Optimization (PSO).
- Nghiên cứu bài toán phân bố cơng suất tối ưu có ràng buộc an ninh.
- Đề xuất phương pháp PSO cải tiến để giải bài tốn phân bố cơng suất tối ưu
có ràng buộc an ninh.
- Ứng dụng PSO cải tiến để giải bài toán phân bố cơng suất tối ưu có ràng buộc
an ninh trên các mạng điện IEEE 30 nút và IEEE 57 nút.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)

i


LỜI CẢM ƠN
Điều trước tiên, tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS. Võ Ngọc Điều, người
Thầy đã giúp đỡ, cung cấp tài liệu và tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả Quý Thầy, Cô đã giảng dạy, trang bị cho tơi
những kiến thức rất bổ ích và q báu trong suốt q trình học tập tại trường cũng như
nghiên cứu sau này.
Xin cảm ơn Gia đình ln bên cạnh và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi
trong học tập và công tác.
Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp tại VP Đoàn Thanh niên – Hội sinh
viên trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM đã ủng hộ, tạo điều kiện để tôi
học tập tốt trong suốt thời gian vừa qua.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè đã động viên và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong q
trình học tập, cơng tác cũng như trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Xin cảm ơn các bạn học viên Cao học (khóa 2011 – 2012) ngành Thiết bị,
Mạng & Nhà máy điện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM, những người
ln giành những tình cảm sâu sắc nhất, luôn bên cạnh, luôn động viên, khuyến khích
tơi vượt qua những khó khăn trong suốt q thực hiện luận văn này.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012
Người thực hiện
Trần Thế Tùng

ii

THESIS SUMMARY
This thesis applies an improved Particle Swarm Optimization (IPSO) method
to solve security constrained optimal power flow problem through the investigation
of IEEE 30-bus system and IEEE 57-bus system.

* The Improved Particle Swarm Optimization is one of several algorithms
based on group intelligence concept to seek a solution for optimization problems in
a specific space. Improved PSO is a normal PSO with constriction factor guided by
a pseudo-gradient which includes inertia coefficient in order to accelerate
converging progress. The pseudo-gradient is to determine the direction for the
particles so that they can quickly move to optimal solution.

* The Security Constrained Optimal Power Flow - SCOPF problem is to
find the optimal total generation cost while satisfying equality and inequality
constraints under both normal and contingent operation states. The thesis expresses
the application of PSO method in IEEE 30-bus system and IEEE 57-bus system.
This method shows its flexibility and possibility for applying PSO algorithm to
problems which are modeled into constrained optimal problems. The results are
benchmarked with other algorithms introduced in previous papers.

The main result of this research is to apply such evolving calculation
techniques as PSO method to power system’s complicated optimal problems and
to achieve better results than conventional methods. For such problems, these
conventional methods may lead to poor results or can not reach optimal results.

iv


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn áp dụng phương pháp Partical Swarm Optimization cải tiến để giải

bài tốn phân bố cơng suất tối ưu có ràng buộc an ninh với việc tính tốn trên mạng
điện IEEE 30 nút và IEEE 57 nút.

* Thuật toán Partical Swarm Optimization cải tiến: là một trong những
thuật tốn xây dựng dựa trên khái niệm trí tuệ bầy đàn để tìm kiếm lời giải cho các
bài tốn tối ưu hóa trên một khơng gian tìm kiếm nào đó. PSO cải tiến (IPSO) là
PSO thường với hệ số co được tăng cường gradient giả kết hợp với trọng số qn
tính  để đẩy mạnh q trình hội tụ. Gradient giả hướng dẫn sự chuyển động của
các cá thể theo hướng tích cực để chúng có thể di chuyển nhanh chóng đến kết quả
tối ưu.

* Bài tốn phân bố cơng suất tối ưu có ràng buộc an ninh (Security
Constraint Optimal Power Flow – SCOPF): Bài toán phân bố cơng suất tối ưu có
ràng buộc an ninh là bài tốn tối ưu tổng chi phí của máy phát, thỏa các ràng buộc
bằng nhau và ràng buộc không bằng nhau của trạng thái cơ sở và trạng thái gặp sự
cố. Luận văn trình bày ứng dụng của thuật tốn PSO cải tiến vào mạng điện IEEE
30 nút và IEEE 57 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 tốn 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 cải tiến 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.

iii

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
Trần Thế Tùng

v


Mục lục

MỤC LỤC
Nhiệm vụ luận văn Thạc sỹ ....................................................................................................i
Lời cảm ơn .............................................................................................................................. ii
Tóm tắt luận văn................................................................................................................... iii
Thesis summary .................................................................................................................... iv
Lời cam đoan ...........................................................................................................................v
Mục lục ................................................................................................................................... vi
Danh mục các bảng trong luận văn ................................................................................... ix
Danh mục các hình trong luận văn .................................................................................... xi
Chữ viết tắt trong luận văn ................................................................................................ xii
Chương 1: Giới thiệu chung .................................................................................................1
1.1. Giới thiệu tổng quát .................................................................................................1
1.2. Mục tiêu 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
2.1.1. Tổng quan về bài tốn phân bố cơng suất tối ưu ................................................4
2.1.2. Các chức năng chính của an ninh hệ thống điện ................................................7
2.1.3. Các trạng thái vận hành của hệ thống điện ........................................................8
2.2. Một số khảo sát về phân bố công suất tối ưu có ràng buộc an ninh ...................10
2.2.1. Trạng thái ổn định ..............................................................................................10
2.2.2. Dynamic SCOPF .................................................................................................11
2.2.3. Lựa chọn sự cố ....................................................................................................12
2.2.4. Điều độ kinh tế với ràng buộc an ninh ..............................................................12
2.2.5. Phân bố công suất tối ưu với ràng buộc sự cố (CCOPF) ................................13
vi


Mục lục
2.3. Giới thiệu các phương pháp giải bài toán phân bố công suất tối ưu ...................13
2.3.1. Phương pháp EP (Evolutionary programming)................................................13
2.3.2. Phương pháp AM (Ant Manners).......................................................................14
2.3.3. Phương pháp DE (Differential Evolution) ........................................................14
2.3.4. Phương pháp GA (Genetic Algorithm) ..............................................................14
2.3.5. Phương pháp ACO (Ant Colony Optimization) ................................................15
2.3.6. Phương pháp TS (Tabu Search).........................................................................16
2.3.7. Phương pháp SA (Simulated Annealing) ...........................................................16
2.3.8. Phương pháp Particle Swarm Optimization .....................................................17
Chương 3: Bài tốn phân bố cơng suất tối ưu có ràng buộc an ninh ...........................18
3.1. Các thuật ngữ..........................................................................................................18
3.2. Bài toán ...................................................................................................................19
Chương 4: Giới thiệu về phương pháp PSO ....................................................................23

4.1. Giới thiệu ................................................................................................................23
4.2. Biểu thức cơ bản của thuật toán PSO ...................................................................24
4.3. Một số cải tiến của PSO.........................................................................................27
4.3.1. Kỹ thuật TVAC ....................................................................................................27
4.3.2. SOHPSO – TVAC ................................................................................................28
4.3.3. MPSO – TVAC ....................................................................................................30
4.3.4. Sự kết hợp giữa phương pháp PSO và các phương pháp tối ưu khác .............31
4.3.5. Thuật toán SWT – PSO .......................................................................................32
4.4. Phương pháp PSO cải tiến đề xuất........................................................................32
4.4.1. PSO thường .........................................................................................................32
4.4.2. Khái niệm Gradient giả ......................................................................................33
4.4.3. PSO với hệ số co (Constriction PSO) ................................................................35
4.4.4. PSO – TVIW ........................................................................................................35
4.4.5. PSO cải tiến (IPSO) ............................................................................................35
4.5. Thực hiện PSO cải tiến ..........................................................................................36

vii


Mục lục
Chương 5: Kết quả tính tốn ..............................................................................................41
5.1. Thiết lập các tham số .............................................................................................41
5.1.1. Số lần lặp tối đa ..................................................................................................41
5.1.2. Số phần tử ............................................................................................................42
5.1.3. Hệ số giới hạn vận tốc ........................................................................................42
5.1.4. Tham số nhận thức và xã hội .............................................................................43
5.1.5. Hệ số phạt............................................................................................................43
5.2. Mạng điện IEEE 30 nút .........................................................................................43
5.2.1 Cấu trúc mạng điện ..............................................................................................43
5.2.2. Các thông số lựa chọn cho bài tốn ..................................................................46

5.2.3. Trường hợp cơ sở (base-case)............................................................................47
5.2.4. Trường hợp có 5 dây bị mất điện (5 line outage) .............................................50
5.2.5. Trường hợp có 9 dây bị mất điện (9 single - line outages) ..............................53
5.3. Mạng điện IEEE 57 nút .........................................................................................56
5.3.1. Cấu trúc mạng điện.............................................................................................56
5.3.2. Các thông số lựa chọn cho bài toán ..................................................................58
5.3.3. Trường hợp cơ sở ................................................................................................59
5.3.4. Trường hợp sự cố ................................................................................................63
Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển đề tài ..............................................................67
6.1. Tổng kết đề tài ........................................................................................................67
6.2. Hướng phát triển của đề tài ...................................................................................68
6.3. Lời kết .....................................................................................................................69
Tài liệu tham khảo ................................................................................................................70
Phụ lục ....................................................................................................................................75
Lý lịch trích ngang ...............................................................................................................86

viii


Danh mục các Bảng

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN
Trang
Bảng 5.1. Giới hạn công suất của mạng điện IEEE 30 nút ....................................... 45
Bảng 5.2. Các hệ số chi phí của mạng điện IEEE 30 nút.......................................... 45
Bảng 5.3. Dịng cơng suất lớn nhất trên dây truyền tải của IEEE 30 nút .................. 45
Bảng 5.4. Giới hạn điện áp nút máy phát và chỉnh định máy biến áp ....................... 46
Bảng 5.5. Kết quả phân bố công suất tối ưu ............................................................. 47
Bảng 5.6. Giới hạn các ràng buộc tính tốn ............................................................. 47
Bảng 5.7. So sánh phương pháp PSO cải tiến với các phương pháp khác ................ 48

Bảng 5.8. Kết quả phân bố công suất tối ưu ............................................................. 50
Bảng 5.9. Giới hạn các ràng buộc tính tốn ............................................................. 50
Bảng 5.10. So sánh phương pháp PSO cải tiến với các phương pháp khác .............. 51
Bảng 5.11. Kết quả phân bố công suất tối ưu ........................................................... 53
Bảng 5.12. Giới hạn các ràng buộc tính tốn ........................................................... 53
Bảng 5.13. So sánh phương pháp PSO cải tiến với các phương pháp khác .............. 54
Bảng 5.14. Các hệ số chi phí của IEEE 57 nút ........................................................ 58
Bảng 5.15. Các hệ số công suất của IEEE 57 nút .................................................... 58
Bảng 5.16. Dịng cơng suất lớn nhất trên dây truyền tải của IEEE 57 nút ................ 58
Bảng 5.17. Kết quả phân bố công suất tối ưu ........................................................... 59
Bảng 5.18. Giới hạn các ràng buộc tính tốn ........................................................... 60
Bảng 5.19. So sánh phương pháp PSO cải tiến với các phương pháp khác .............. 61
Bảng 5.20. Kết quả phân bố công suất tối ưu ........................................................... 63
Bảng 5.21. Giới hạn các ràng buộc tính toán ........................................................... 63
Bảng 5.22. So sánh phương pháp PSO cải tiến giữa trường hợp cơ sở và sự cố ....... 64
Bảng A.1. Thông số đường dây mạng điện 30 nút ................................................... 75
Bảng A.2. Thông số tải mạng điện 30 nút ............................................................... 77
Bảng A.3. Thơng số các hệ số chi phí máy phát mạng điện 30 nút .......................... 78
Bảng A.4. Giới hạn công suất và điện áp nút phát mạng điện 30 nút ....................... 78
Bảng A.5. Thông số máy phát mạng 30 nút với van công suất ................................. 79
Bảng B.1. Thông số đường dây mạng điện 57 nút .................................................. 80
ix


Danh mục các Bảng
Bảng B.2. Thông số tải mạng điện 57 nút ............................................................... 83
Bảng B.3. Thông số các hệ số chi phí máy phát mạng điện 57 nút ........................... 85
Bảng B.4. Giới hạn công suất và điện áp nút phát mạng điện 57 nút ....................... 85

x

Danh mục các hình

DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN
Trang
Hình 3.1. Đường cong chi phí bậc 2 của nhà máy nhiệt điện ................................... 20
Hình 3.2. Đường cong chi phí với bậc 2 với thành phần sin .................................... 21
Hình 3.3. Đường cong chi phí với các loại nhiên liệu khác nhau ............................. 21
Hình 4.1. Bầy chim trong tự nhiên ............................................................................. 24
Hình 4.2. Sơ đồ IPSO đề xuất để giải bài toán SCOPF............................................. 39
Hình 5.1. Sơ đồ đơn tuyến mạng điện IEEE 30 nút .................................................. 44
Hình 5.2. Biểu đồ 50 lần lặp của IPSO cho mạng IEEE 30 nút (cơ sở)................... 49
Hình 5.3. Đặc tính hội tụ của IPSO cho IEEE 30 nút (cơ sở) ................................... 49
Hình 5.4. Biểu đồ 50 lần lặp của IPSO cho mạng IEEE 30 nút (sự cố 5 dây) ......... 52
Hình 5.5. Đặc tính hội tụ của IPSO cho IEEE 30 nút (sự cố 5 dây)......................... 52
Hình 5.6. Biểu đồ 50 lần lặp của IPSO cho mạng IEEE 30 nút (sự cố 9 dây) ......... 55
Hình 5.7. Đặc tính hội tụ của IPSO cho IEEE 30 nút (sự cố 9 dây)......................... 55
Hình 5.8. Sơ đồ mạng điện IEEE 57 nút .................................................................... 57
Hình 5.9. Biểu đồ 50 lần lặp của IPSO cho mạng IEEE 57 nút (cơ sở)................... 62
Hình 5.10. Đặc tính hội tụ của IPSO cho IEEE 57nút (cơ sở).................................. 62
Hình 5.11. Biểu đồ 50 lần lặp của IPSO cho mạng IEEE 57 nút (sự cố)................. 65
Hình 5.12. Đặc tính hội tụ của IPSO cho IEEE 57nút (sự cố).................................. 66

xi


Chữ viết tắt

CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

PSO

Particle Swarm Optimization

OPF

Optimal Power Flow

SCOPF

Security Constraint Optimal Power Flow

GA

Genetic Algorithm

NR

Newton-Raphson

IPM

Interior Point Method

EP

Evolutionary Programming

ACO

Ant Colony Optimization

SA

Simulated Annealing

ES

Evolution Strategies

TS

Tabu Search

QP

Quadratic Programming

RPD

Reactive Power Dispatch

AC

Alternative Current

DC

Direct Current

IEEE

Institute of Electrical and Electronic Engineering

FATPSO

Fuzzy Adaptive Turbulent PSO

SADE - ALM

Self-adaptive

differential

evolution

augmented Lagrange multiplier method
AM

Ant Manners

DE

Differential Evolution

IPSO

Improve Partical Swarm Optimization

PFLOW

Point of Collapse Program

IP

Integer Programming

PSC - OPF

Preventive Security Constraint OPF

xii

with


Chương 1: Giới thiệu chung

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG

1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT
Trên thế giới ngày nay nhu cầu năng lượng đang là vấn đề thời sự cho sự phát
triển của nền kinh tế và sự gia tăng dân số toàn cầu, trong đó năng lượng điện đóng vai
trị then chốt. Như chúng ta biết năng lượng điện gần như không thể dự trữ được do

đó bài tốn sử dụng năng lượng điện như thế nào 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 có thể làm thay
đổi trào lưu 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 cơng suất tối ưu (OPF – Optimal
Power Flow) [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 tốn
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 vào trong rất nhiều lĩnh vực, một trong những lĩnh vực ứng dụng
của PSO là lĩnh vực hệ thống điện. Một số nhà khoa học trên thế giới đã triển khai
đưa thuật toán PSO vào ứng dụng tính tốn tối ưu trong hệ thống điện và đã cho ra
những kết quả tốt hơn những giải thuật khác, chương trình chạy nhanh hơn.
Phương pháp PSO là phương pháp dựa trên sự tối ưu bầy đàn thông qua việc
đi tìm vị trí có nhiều thức ăn nhất cho bầy đàn dựa trên kinh nghiệm của những lần
1


Chương 1: Giới thiệu chung
tìm kiếm trước. Mặt dù phương pháp PSO có tuổi đời cịn rất trẻ mới chỉ được đề
xuất lần đầu tiên vào 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 vô 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 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 trừ bỏ được
các vấn đề trên.
1.3. TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI
Hiện chưa có luận văn, cơng trình nghiên cứu trong nước về áp dụng phương
pháp PSO cải tiến vào bài tốn phân bố tối ưu cơng suất có ràng buộc an ninh trong
hệ thống điện (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 cải tiến vào bài tốn phân bố cơng suất tối ưu có
ràng buộc an ninh trong hệ thống điện. Bài toán áp dụng với mạng điện IEEE 30 nút
và IEEE 57 nút.

2


Chương 1: Giới thiệu chung
1.5. NỘI DUNG LUẬN VĂN
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về vấn đề trong luận văn, về 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 cải tiến và áp dụng phương pháp vào
bài toán SCOPF trong hệ thống điện.
Chương 5: Mô phỏng ứng dụng phương pháp PSO cải tiến vào bài toán
SCOPF trong mạng điện IEEE 30 nút và IEEE 57 nút. Kết quả được so sánh với các
bài báo khác để thấy được tính ưu việt của phương pháp PSO cải tiến.
Chương 6: Đánh giá thuật tốn thơng qua kết quả mơ phỏng của thuật toán,
nêu ra những vấn đề tồn động và đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo.

3


Chương 2: Tổng quan

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN

2.1. BÀI TOÁN PHÂN BỐ CƠNG SUẤT TỐI ƯU CĨ RÀNG BUỘC AN NINH
2.1.1. Tổng quan về bài tốn phân bố cơng 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 các nguồn nước của thủy điện,
phối hợp sử dụng nước của 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 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 (Optimal power flow - 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 trong khi vẫn đảm bảo được cung cấp điện tin cậy của
hệ thống điện.
OPF được sử dụng rộng rãi trong vận hành và quy hoạch hệ thống điện. Module
OPF là dịng tải thơng minh sử dụng các kỹ thuật để tự động điều chỉnh sự thiết lập
điều khiển hệ thống điện trong khi thỏa mãn được các điều kiện vận hành và dòng
phân bố tải với các ràng buộc cụ thể.
4


Chương 2: Tổng quan
Bài toán OPF được xem như là bài tốn ghép đơi của điều phối sự phát cơng
suất tác dụng (Economic Dispatch Problem-EDP) [3] và điều phối công 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 khơng 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 cơng suất phản kháng là để nâng cao ổn định điện áp và giảm tổn
thất công suất truyền tải trong hệ thống điện 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 đòi hỏi mỗi thiết bị trong hệ thống điện 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 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.

5


Chương 2: Tổng quan
*Cơ sở phát triển của bài toán 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 qui hoạch phi
tuyến tổng quát bài toán điều độ kinh tế bao hàm các ràng buộc về điện áp, về công

suất và các điều kiện ràng buộc vận hành khác [5]. Từ đó các phương pháp mới ra đời
để giải quyết bài tốn 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 bằng nhau và thay thế cho các phương trình dịng
phân bố tải.
h(x,u) là các ràng buộc khơng bằng nhau và thay thế cho các ràng buộc
vận hành hệ 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 không bằng nhau.

6


Chương 2: Tổng quan
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.
+ Ngoài ra, các thông tin quan trọng như tần số, công suất ngõ 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 thông tin truyền đến vượt quá
giới hạn (quá tải hay quá áp) và báo động cho người vận hành.
+ 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
7


Chương 2: Tổng quan
thống điện để xác định các quá tải và các sự cố xẩy ra. Trong hệ thống điện, có
nhiều vấn đề có thể gây ra những sự cố nghiêm trọng trong khi thời gian không
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 xẩy 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 cung cấp các cơng 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 phối công suất tối ưu có ràng buộc an ninh (SCOPF) là sự kết
hợp của phân tích sự cố (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 xẩy 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.

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 xẩy ra
sự cố.
- Sau khi xẩy 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).

8


Chương 2: Tổng quan
- Điều độ an ninh (Secure dispatch): là trạng thái mà hệ thống khơng có sự cố
mất điện nhưng việc hiệu chỉnh các thông 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
phân tích sự cố được áp dụng cho các điều kiện vận hành cơ sở với 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:

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 cịn lại.

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

9


Chương 2: Tổng quan

Nếu một vài phân tích sự cố được thực hiện, trạng thái sau sự cố:

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…

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 xẩy ra bằng cách kiểm soát hệ thống vẫn trong giới
hạn cho phép hoạt động - gọi là 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
10


Chương 2: Tổng quan
an ninh. Alsac vào đầu năm 1973 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 nơ-ron [17] vào
năm 1991 và 1995. Năm 1996, Minniti cùng với Confroti và Sorrentino đề xuất
phương pháp 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.
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.

11