Áp dụng giải thuật differential evolution (de) giải các bài toán phân bố tối ưu công suất trong hệ thống điện

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

HUỲNH TIẾN SỸ

ÁP DỤNG GIẢI THUẬT
DIFFERENTIAL EVOLUTION (DE)
GIẢI CÁC BÀI TOÁN PHÂN BỐ TỐI ƢU
CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.

Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN.
Mã số
: 605250.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013.


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: HUỲNH TIẾN SỸ
MSHV : 09180082.
Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1981

Nơi sinh : Ninh Thuận.
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
Mã số : 605250.
I. TÊN ĐỀ TÀI:Áp dụng giải thuật Differential Evolution (DE) giải các

bài toán phân bố tối ƣu công suất trong hệ thống điện.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

-

Tìm hiểu tổng quan các phƣơng pháp tính tốn trong hệ thống điện.
Khảo sát mơ hình tốn học, ngun lý điều khiển của các thiết bị FACTS
vào tính tốn phân bố cơng suất trên lƣới điện.
Tìm hiểu ngun lý, phƣơng pháp của thuật toán Differential Evolution
(DE) và phƣơng án cải tiến Differential Evolution – Harmony Search
(DEHS).
Xây dựng bài tốn tính tốn phân bố cơng suất tối ƣu cho lƣới điện khơng có
và có FACTS áp dụng thuật tốn DE và DEHS để tính tốn và so sánh.
Sử dụng ngơn ngữ lập trình MATLAB viết chƣơng trình để giải bài tốn nêu
trên.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
: 21/01/2013.
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ
: 21/06/2013.
IV. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS. Võ Ngọc Điều.

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

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

Võ Ngọc Điều
TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)
Công trình đƣợc hồn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM


Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : ..................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
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. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tơi muốn nói là tơi xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn tận
tìnhcủa thầy TS. Võ Ngọc Điều, ngƣời thầy hƣớng 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 rất bận rộn trong công việc nhƣng thầy vẫn dành rất
nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hƣớng dẫn tơi.
Trong q trình thực hiện luận văn với những sự chỉ dẫn, nhắc nhở gợi ý của
thầy cho tôi thêm ý tƣởng mới, giúp tôi không bị lạc lối trong biển kiến thức mênh
mông.
Cho đến hơm nay, luận văn của tơi đã đƣợc hồn thành, cũng chính là nhờ sự
nhắc nhở, đơn đốc, sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy.
Xin cảm ơn quý thầy cô giáo trƣờng 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 trƣờng.
Với vốn kiến thức đƣợc 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 bƣớc vào đời một cách vững
chắc và tự tin.
Xin cảm ơn gia đình, những ngƣời thân yêu và bạn bè đồng nghiệp đã luôn là
nguồn cỗ vũ động viên, tạo điều kiện và chăm lo cho tôi về cả vật chất lẫn tinh thần
để tôi có thể yên tâm thực hiện tốt việc học tập.
Cảm ơn những ngƣời bạn đã ln bên tơi những khó khăn, cùng chia sẽ, trao
đổi kiến thức, kinh nghiệm trong suốt quá trình học tập, cũng nhƣ trong quá trình
làm luận văn này.
Cuối cùng em kính chúc q Thầy, Cơ dồi dào sức khỏe và thành công trong
sự nghiệp cao quý.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013
Ngƣời thực hiện

Huỳnh Tiến Sỹ


TÓM TẮT

Trong luận văn này, giải thuật DE đƣợc đề xuất để giải quyết bài tốn tối ƣu
hóa trong hệ thống điện. Trên cơ sở thuật toán DE, nghiên cứu cải tiến thuật tốn
DE bằng cách kết hợp nó với thuật toán tối ƣu phù hợp để tạo ra các thuật toán mới
DEHS. Kiểm tra các thuật toán DE và DEHS ứng dụng vào trong bài toán OPF của
hệ thống điện với các hàm mục tiêu khác nhau. Tiến hành so sánh thuật toán DE
vàthuật toán cải tiến DEHS chỉ ra rằng lời giải bài toán OPF của giải thuật DE và
DEHS cho giá trị tổng chi phí nhiện liệu máy phát nhỏ hơn một số giải thuật khác
nhƣ EP, IEP, TS/SA, PSO và giải thuật DEHS có lời giải tốt hơn giải thuật DE. Từ
đó nhận thấy ƣu thế của giải thuật DEHS và áp dụng DEHS giải bài tốn OPF có kể
đến thiết bị FACTS. Ba thiết bị FACTS đƣợc xem xét là : TCSC, SVC và TCPS.
Ngoài ra, luận văn có áp dụng kết quả lời giải tập hợp nhánh của thuật toán min-cut
[52] đối với hệ thống IEEE30 hiệu chỉnh vừa mới đƣợc công bố trong thời gian gần
đây để xác định nguyên tắc lựa chọn vị trí thích hợp của TCSC để từ đó áp dụng
DEHS để tìm kiếm thơng số điều khiển TCSC cùng với lời giải thơng số điều khiển
khác của bài tốn OPF. Kết quả cho thấy ƣu thế và triển vọng của việc kết hợp giải
thuật min-cut do [52] đề xuất và giải thuật DEHS để lựa chọn vị trí lắp đặt, tìm
kiếm thơng số điều khiển thiết bị FACTS trong hệ thống điện thỏa mãn mục tiêu đề
ra. Cuối cùng là phần vạch ra những hƣớng phát triển nghiên cứu, hƣớng tiếp cận
mới để tiếp tục cải thiện thuật toán DE đƣa đến kết quả tốt hơn, cũng nhƣ ứng dụng
vào các bài toán khác trong hệ thống điện.

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan luận văn này hồn tồn do tôi thực hiện đƣợc thực hiện dƣới
sự hƣớng dẫn khoa học của Tiến sĩ Võ Ngọc Điều.
Các đoạn trích dẫn trong luận văn đều đƣợc dẫn nguồn và có độ chính xác
cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi. Kết quả nêu trong luận văn là trung thực và
chƣa đƣợc cơng bố trong các cơng trình khác.
Học viên

Huỳnh Tiến Sỹ


MỤC LỤC

TRANG BÌA
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
MỤC MỤC
DANH MỤC HÌNH TRONG LUẬN VĂN ............................................................... i
DANH MỤC BẢNG TRONG LUẬN VĂN ............................................................ iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... vi
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU ..........................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề. .....................................................................................................1
1.2. Tóm tắt một số bài báo cơng trình nghiên cứu có liên quan. .........................3
1.3. Tầm quan trọng của vấn đề nghiên cứu. ........................................................8
1.4. Nhận xét chung và hƣớng tiếp cận. ................................................................9
1.5. Đối tƣợng. ....................................................................................................10
1.6. Mục tiêu của đề tài .......................................................................................11
1.7. Phạm vi và giới hạn: ....................................................................................11
1.8. Cấu trúc luận văn. ........................................................................................12
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC BÀI TỐN PHÂN BỐ TỐI ƢU CƠNG SUẤT

VÀ PHƢƠNG PHÁP ÁP DỤNG. ............................................................................13
2.1. Tổng quan về bài toán OPF. ........................................................................13
2.1.1. Vấn đề OPF với kỹ thuật tối ƣu cổ điển : ..............................................14
2.1.2. Vấn đề OPF với kỹ thuật tối ƣu dựa trên trí tuệ nhân tạo: ....................15
CHƢƠNG 3 GIỚI THIỆU THIẾT BỊ FACTS, NGUYÊN LÝĐIỀU KHIỂN CÔNG
SUẤT VÀ PHƢƠNG PHÁP LỰA CHỌN VỊ TRÍ THÍCH HỢP ĐẶT THIẾT BỊ
FACTS - TCSC .........................................................................................................22


3.1

Giới thiệu : ...................................................................................................22

3.2

Vấn đề điều khiển dịng cơng suất ...............................................................22

3.2.1 Vấn đề bù ngang ..........................................................................................24
3.2.2 Vấn đề bù dọc ..............................................................................................25
3.2.3 Vấn đề điều khiển góc pha ...........................................................................26
3.3

Thiết bị FACTS và mơ hình .........................................................................27
3.3.1 Mơ hình của SVC ..................................................................................28
3.3.2 Mơ hình của TCSC ................................................................................29
3.3.3 Mơ hình TCPST ....................................................................................32

3.4

Phƣơng pháp lựa chọn vị trí đặt thích hợp thiết bị FACTS - TCSC ............33

CHƢƠNG 4 THÀNH LẬP BÀI TOÁN OPF TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ............37
4.1

Giới thiệu .....................................................................................................37

4.2

Hàm mục tiêu ...............................................................................................37
4.2.1 Cực tiểu hóa chi phí phát điện ...............................................................38
4.2.2 Cải thiện độ lệch điện áp .......................................................................39
4.2.3 Giảm tổn hao truyền dẫn .......................................................................40
4.2.4 Cải thiện độ ổn định điện áp ..................................................................40
4.2.5 Các ràng buộc của bài toán OPF ...........................................................41
4.2.6 Các ràng buộc đẳng thức .......................................................................41
4.2.7 Các ràng buộc bất đẳng thức .................................................................43
4.2.8 Xử lý ràng buộc của bài toán OPF ........................................................44

CHƢƠNG 5 GIỚI THIỆU GIẢI THUẬT DIFFERENTIAL EVOLUTION,
DIFFERENTIAL EVOLUTION - HARMONY SEARCH .....................................46
5.1

Giới thiệu .....................................................................................................46

5.2

Thuật toán DE ..............................................................................................46
5.2.1 Khái niệm : ............................................................................................46
5.2.2 Các bƣớc chính của giải thuật DE : .......................................................47

5.2.3 Lựa chọn các thông số điều khiển: ........................................................51
5.3

Giải thuật DE cải tiến Differential Evolution – Harmony Search ...............51
5.3.1 Harmony Search ....................................................................................51
5.3.2 Thuật toán DEHS ..................................................................................55

5.4

Áp dụng thuật toán DE, DEHS để giải các bài tốn phân bố cơng suất tối ƣu

trong hệ thống điện ................................................................................................58
5.4.1 Trình tự các bƣớc thực hiện của giải thuật DE......................................58
5.4.2 Trình tự các bƣớc thực hiện của giải thuật DEHS ................................62
CHƢƠNG 6 KẾT QUẢ TÍNH TỐN .....................................................................64
6.1

Giới thiệu .....................................................................................................64

6.2

Xét hệ thống IEEE 30 nút ............................................................................65
6.2.1 Cấu trúc hệ thống IEEE 30 nút ..............................................................65
6.2.2 Trƣờng hợp 1 : .......................................................................................66
6.2.3 Trƣờng hợp 2 .........................................................................................69

6.3

Xét hệ thống IEEE 57 nút ............................................................................74

6.3.1 Cấu trúc hệ thống IEEE57 nút ...............................................................74
6.3.2 Trƣờng hợp 3 .........................................................................................76

6.4

Xét hệ thống IEEE 30 nút có FACTS ..........................................................79
6.4.1 Trƣờng hợp 4 .........................................................................................79
6.4.1.1 OPF với TCSC ..................................................................................79
6.4.1.2 OPF với SVC .....................................................................................82
6.4.1.3 OPF với TCPS ...................................................................................84
6.4.1.4 OPF với nhiều loại thiết bị FACTS ...................................................86

6.5

Trƣờng hợp 5 : Bài toán OPF của lƣới điện IEEE30 nút hiệu chỉnh với vị trí

lắp đặt TCSC thích hợp. ........................................................................................88
6.5.1 Giới thiệu. ..............................................................................................88


6.5.2 Xét ở chế độ vận hành bình thƣờng, hàm mục tiêu cực tiểu chi phí
nhiên liệu máy phát. ..............................................................................89
6.5.3 Xét ở chế độ tình trạng khẩn cấp, hàm mục tiêu cực tiểu chi phí nhiên
liệu máy phát. ........................................................................................94
6.5.4 Xét ở chế độ vận hành bình thƣờng, hàm mục tiêu cực tiểu tổng tổn hao
công suất tác dụng. ................................................................................98
6.5.5 Xét ở chế độ vận hành bình thƣờng, hàm mục tiêu cực tiểu tổng độ lệch
điện áp. ................................................................................................100
6.5.6 Xét ở chế độ vận hành bình thƣờng, hàm mục tiêu cải thiện độ ổn định
điện áp. ................................................................................................102

CHƢƠNG 7 TỔNG KẾT VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...........................105
7.1

Tổng kết đề tài............................................................................................105

7.2

Hƣớng phát triển ........................................................................................106

7.3

Lời kết ........................................................................................................107

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................108
PHỤ LỤC ................................................................................................................113
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .....................................................................................123


i

DANH MỤC HÌNH TRONG LUẬN VĂN
STT
1

Số hình
Hình 1.1

2

Hình 1.2

3

Hình 1.3

4

Hình 2.1

5
6

Hình 3.1
Hình 3.2

7

Hình 3.3

8

Hình 3.4

9
10

Hình 3.5
Hình 3.6

11

Hình 3.7

12
13

Hình 3.8
Hình 3.9

14

Hình 3.10

15
16

Hình 3.11
Hình 3.12

17

Hình 3.13

18
19
20

Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16

21

Hình 3.17

22

Hình 4.1

23

Hình 4.2

24

Hình 5.1

Tên hình
Ứng dụng thiết bị FACTS trong lƣới điện.
Ứng dụng thiết bị điện tử cơng suất trong các lĩnh
vực.
Lợi ích kỹ thuật của các thiết bị FACTS.
Tiến trình phát triển của các phƣơng pháp tối ƣu
hóa.
Mơ hình đơn giản của hệ thống điện.
Đặc tuyến truyền tải cơng suất.
Mơ hình của hệ thống đơn giản có bù ngang ở giữa
đƣờng dây.
Đặc tuyến truyền tải cơng suất có bù ngang ở giữa
đƣờng dây.

Mơ hình đơn giản của hệ thống với bộ bù dọc.
Đặc tuyến truyền tải công suất với bộ bù dọc.
Mô hình đơn giản của hệ thống điện với bộ dịch
pha.
Đặc tuyến truyền tải công suất với bộ dịch pha.
Sơ đồ cấu tạo của SVC.
Nguyên lý điều khiển điện áp của thiết bị FACTS
bù ngang.
Mơ hình SVC trong phân bố cơng suất.
Sơ đồ cấu tạo của TCSC.
Nguyên lý điều khiển dòng cơng suất của thiết bị
FACTS nối tiếp.
Mơ hình TCSC trong tính tốn phân bố cơng suất.
Sơ đồ cấu tạo của TCPST.
Mơ hình TCPST trong tính tốn phân bố cơng suất.
Tập hợp nhánh xung yếu tìm đƣợc từ chƣơng trình
max-flow.
Hàm chi phí nhiên liệu của nhà máy nhiệt điện.
Hàm chi phí nhiên liệu của nhà máy nhiệt điện với
điểm van công suất.
Biểu diễn trọng số vi phân F(xr1,g- xr2,g) đƣợc cộng
vào vectơ nền xr0,g để sản sinh vectơ đột biến vi,g

Trang
1
2
3
18
23
23

24
25
25
26
27
27
28
28
29
29
29
31
32
32
35
38
39
48


ii

25

Hình 5.2

26

Hình 5.3

27

Hình 5.4

28

Hình 5.5

29

Hình 5.6

30
31

Hình 5.7
Hình 6.1

32

Hình 6.2

33

Hình 6.3

34

Hình 6.4

35

Hình 6.5

36

Hình 6.6

37

Hình 6.7

38

Hình 6.8

39

Hình 6.9

40

Hình 6.10

41

Hình 6.11

42

Hình 6.12

43

Hình 6.13

Vector thử nghiệm bổ sung có thể có u’i,g , u‖i,g khi
xi,g và vi,g thống nhất lai tạo.
Lƣu đồ của giải thuật DE. Nguồn tham khảo từ
[38]
Mối tƣơng đồng giữa hài hòa âm nhạc và tối ƣu
trong kỹ thuật.
Sơ đồ khối của thuật toán đơn giản của thuật toán
HS.
Lƣu đồ giải thuật của phƣơng pháp DEHS. Nguồn
theo [42]
Lƣu đồ các bƣớc thực hiện của phƣơng pháp DE.
Sơ đồ đơn tuyến mạng điện IEEE 30 nút [46]
Lịch sử của 50 lần chạy chƣơng trình DE cho
IEEE30 với hàm chi phí bậc 2
Lịch sử của 50 lần chạy chƣơng trình DEHS cho
IEEE30 với hàm chi phí bậc 2
Kết quả đặc tuyến hội tụ của hàm chi phí nhiên
liệu bậc 2 cho IEEE30 với chƣơng trình DE và
DEHS.
Điện áp tại các nút của hệ thống cho IEEE30 theo
lời giải tối ƣu với chƣơng trình DE và DEHS.
Lịch sử của 50 lần chạy chƣơng trình DE cho
IEEE30 với hàm chi phí có điểm van cơng suất.
Lịch sử của 50 lần chạy chƣơng trình DEHS cho

IEEE30 với hàm chi phí có điểm van cơng suất.
Kết quảđặc tuyến hội tụ của hàm chi phí nhiên liệu
có điểm van cho IEEE30 với chƣơng trình DE và
DEHS
Điện áp tại các nút của hệ thống cho IEEE30 theo
lời giải tối ƣu với chƣơng trình DE và DEHS.
Sơ đồ đơn tuyến của hệ thống IEEE57. Nguồn từ
[47]
Lịch sử của 50 lần chạy chƣơng trình DE cho
IEEE57 với hàm mục tiêu chi phí bậc 2.
Lịch sử của 50 lần chạy chƣơng trình DEHS cho
IEEE57 với hàm mục tiêu chi phí bậc 2
Kết quảđặc tuyến hội tụ của hàm chi phí nhiên liệu
bậc 2 cho hệ thống IEEE57 với chƣơng trình DE
và DEHS.

49
50
53
58
61
61
65
67
67
68
68
71
71
71

72
75
76
77
77


iii

44

Hình 6.14

45

Hình 6.15

46

Hình 6.16

47

Hình 6.17

48

Hình 6.18

49

Hình 6.19

50

Hình 6.20

51

Hình 6.21

52
53
54

Hình 6.22
Hình 6.23
Hình 6.24

Kết quảđặc tuyến hội tụ của hàm chi phí nhiên liệu
bậc 2 cho hệ thống IEEE57 với chƣơng trình DE
và DEHS.
Kết quả đặc tuyến hội tụ của hàm mục tiêu của bài
tốn OPF có TCSC hệ thống IEEE30.
Kết quảđặc tuyến hội tụ của hàm mục tiêu của bài
toán OPF có SVC hệ thống IEEE30.
Kết quảđặc tuyến hội tụ của hàm mục tiêu của bài
tốn OPF có TCPS hệ thống IEEE30
Công suất truyền tải qua các nhánh hệ thống
IEEE30 ở trạng thái OPF không xét đến giới hạn

công suất truyền tải đƣờng dây.
Công suất truyền tải qua các nhánh hệ thống
IEEE30 ở trạng thái OPF.
Công suất truyền tải qua các nhánh hệ thống
IEEE30 ở trạng thái OPF có TCSC.
Đặc tuyến hội tụ bài tốn OPF có TCSC hệ thống
IEEE30.
Kết quả đặc tuyến hội tụ của hàm mục tiêu
Kết quả đặc tuyến hội tụ của hàm mục tiêu
Kết quả đặc tuyến hội tụ của hàm mục tiêu

78
81
79
83
91
92
92
98
102
103
103


iv

DANH MỤC BẢNG TRONG LUẬN VĂN
STT

Số bảng

Tên bảng

1

Bảng 6.1

2

Bảng 6.2

3

Bảng 6.3

4

Bảng 6.4

Kết quả lời giải OPF giữa thuật toán DE, DEHS và
các phƣơng pháp khác với hàm chi phí có điểm van
công suất.

73

5

Bảng 6.5

Kết quả lời giải tối ƣu với các loại hàm mục tiêu chi

phí nhiêu liệu khác nhau.

73

6
7
8

Bảng 6.6
Bảng 6.7
Bảng 6.8

Kết quả lời giải tối ƣu của hệ thống IEEE57 [46].
Kết quả hàm mục tiêu của hệ thống IEEE57.
Lời giải OPF với TCSC.

76
78
80

9

Bảng 6.9

So sánh lời giải các phƣơng pháp của bài toán OPF
với TCSC.

81

10

Bảng 6.10

Lời giải OPF với SVC.

82

11

Bảng 6.11

So sánh lời giải các phƣơng pháp của bài toán OPF
với SVC.

83

12

Bảng 6.12

Lời giải OPF với TCPS.

84

13

Bảng 6.13

So sánh lời giải các phƣơng pháp của bài toán OPF
với TCPS.

85

14

Bảng 6.14

Lời giải OPF với nhiều thiết bị FACTS.

86

15

Bảng 6.15

Kết quả lời giải OPF với các loại thiết bị FACTS.

87

16

Bảng 6.16

Kết quả của lời giải OPF hệ thống IEEE30 của giải
thuật DEHS ở các trƣờng hợp.

89

17

Bảng 6.17

Công suất truyền qua của các đƣờng dây hệ thống
IEEE30 ở các trƣờng hợp.

90

Kết quả lời giải tối ƣu hàm chi phí nhiên liệu bậc 2
của hệ thống IEEE30.
Kết quả lời giải OPF giữa thuật toán DE, DEHS và
các phƣơng pháp khác với hàm chi phí nhiên liệu
bậc 2.
Kết quả lời giải tối ƣu hàm chi phí nhiên liệu bậc 2
có điểm van cơng suất của hệ thống IEEE30 nút.

Trang
66
69
70


v

18

Bảng 6.18

Danh sách các đƣờng dây thích hợp để xem xét lắp
đặt TCSC hệ thống IEEE30.

90

19

Bảng 6.19

So sánh kết quả tìm kiếm lời giải của DEHS.

93

20

Bảng 6.20

Cơng suất truyền qua các đƣờng dây hệ thống
IEEE30 ở trạng thái OPF bỏ qua giới hạn công suất
truyền tải của đƣờng dây.

94

21

Bảng 6.21

Công suất truyền qua của các đƣờng dây hệ thống
IEEE30 ở trạng thái OPF có TCSC.

96

22

Bảng 6.22

Kết quả lời giải OPF với TCSC trong trƣờng hợp
mất điện các đƣờng dây.

97

23

Bảng 6.23

Kết quả lời giải OPF.

98

24

Bảng 6.24

Kết quả lời giải OPF.

100

25

Bảng 6.25

Kết quả lời giải OPF.

102

26
27

Bảng A.1
Bảng A.2

Dữ liệu của hệ thống IEEE30 [46].
Giới hạn của giàn tụ bù của hệ thống IEEE30 [46].

113
113

28

Bảng A.3

Hệ số của hàm chi phí nhiên liệu của hệ thống
IEEE30 [46].

113

29

Bảng A.4

Hệ số của hàm chi phí nhiên liệu có hiệu ứng điểm
van của hệ thống IEEE30 [46].

113

30

Bảng A.5

Giới hạn truyền tải công suất đƣờng dây của hệ
thống IEEE30 nút [46].

114

31

Bảng A.6

Thông số đƣờng dây [39]

115

32
33
34

Bảng A.7
Bảng B.1
Bảng B.2

Thông số tải [39]
Dữ liệu của hệ thống IEEE57 [46].
Giới hạn của giàn tụ bù của hệ thống IEEE57 [46].

116
117
117

35

Bảng B.3

Giới hạn truyền tải công suất của đƣờng dây hệ
thống IEEE57 nút [46].

117

36

Bảng B.4

Thông số đƣờng dây [39]

117

37

Bảng B.5

Thông số tải [39].

118

38

Bảng C.1

Thơng số các hệ số chi phí máy phát hệ thống
IEEE30 hiệu chỉnh

122

39

Bảng C.2

Giới hạn công suất truyền tải đƣờng dây của hệ
thống IEEE30 [39].

122


vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AHDE

Adaptive Hybrid Differential Evolution.

ACO

Ant Colony Optimization.

ABC

Artificial Bee Colony.

DEHS

Differential Evolution – Harmony Search.

DE

Differential Evolution.

DP

Dynamic Programming.

EP

Economic Load Dispatch.
Enhanced
Lagrangian
Artificial
Network.
Evolutionary programming.

Fw

Fret Width.

GA

Genetic algorithm.

ELD
ELANN

HMCR

Neural

Harmony Memory Considering Rate.

HMS

Harmony Memory Size.

HM

Harmony Memory.

HS

HNN

Harmony Search.
Hierarchical approach based the numerical
method.
Hopfield Neuron Network.

IHS

Improved Harmony Search.

HNUM

IPSO

Improved Particle Swarm Optimization.

IP

Interior Point Methods.

LP

Linear programming.

LSI

Loss Sensitivity Index.

MIP

Mixed Integer Programming.

NLP

Nonlinear programming.

OPF

Optimal Power Flow.

PSO

Particle Swarm Optimization.

PAR

Pitch Adjusting Rate.


vii

CCPSO

PSO with both chaotic sequences and crossover
operation.

COPSO

PSO with crossover operation.

CSPSO

PSO with chaotic sequences.

QP

Quadratic programming.

SA

Simulated Annealing.

TS

Tabu search.

CTPSO

The conventional PSO with the proposed
constraint treatment strategy.


1

CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1.

Đặt vấn đề.
Hầu hết các hệ thống cung cấp điện trên thế giới đƣợc liên kết với nhau một

cách rộng rãi nhằm giải quyết bài toán kinh tế kỹ thuật. Mặc dù hệ thống điện xây
dựng dựa trên dự báo phụ tải nhƣng không phải lúc nào cũng đảm bảo cân bằng
giữa cung và cầu. Vì vậy hệ thống điện đang vận hành sẽ có tình trạng một số
đƣờng dây non tải một số đƣờng dây mang tải nặng. Đƣờng dây truyền tải bị giới
hạn bởi các yếu tố nhiệt độ, điện dung và độ ổn định. Vì vậy nếu khơng điều chỉnh
thích hợp đƣờng dây tải điện sẽ không tận dụng hết khả năng tải điện của nó. Hơn

nữa do điều kiện mơi trƣờng, hành lang đƣờng dây nên không dễ dàng xây dựng hệ
thống lƣới điện mới một cách tùy ý và thay thế cải tạo hệ thống cũ một cách dễ
dàng.

Hình 1.1 Ứng dụng thiết bị FACTS trong lƣới điện.
Qua đó cần xem xét lại hệ thống điện truyền thống và thực hiện các biện
pháp phân bố công suất để điều khiển hệ thống điện hoạt động linh hoạt và tin cậy
hơn. Một trong những thiết bị điều khiển hiện nay đang đƣợc thế giới quan tâm là
hệ thống điện xoay chiều linh hoạt FACTS, nó có thể điều khiển điện áp, dịng điện,
tổng trở góc pha của hệ thống điện, giúp nâng cao ổn định q độ (vì có thể kiểm


2

sốt đƣợc luồng cơng suất tác dụng, phản kháng, mức độ điện áp và dòng ngắn
mạch) hoặc các hiện tƣợng dao động cộng hƣởng dƣới tần số.
Những thiết bị FACTS lắp đặt đầu tiên đã đi vào hoạt động hơn 30 năm qua.
Đến nay số lƣợng các thiết bị FACTS đƣợc lắp đặt trên thế giới ngày càng lớn với
hơn hàng trăm cơng trình.

Hình 1.2 Ứng dụng thiết bị điện tử cơng suất trong các lĩnh vực.
Hình 1.3 dƣới mơ tả những lợi ích kỹ thuật của các thiết bị FACTS cơ bản
bao gồm các ứng dụng vào các vấn đề về giới hạn điện áp, giới hạn nhiệt, tránh các
dịng cơng suất vịng, mức ngắn mạch và cộng hƣởng đồng bộ. Các ứng dụng trạng
thái động của FACTS tập trung giải quyết các vấn đề về độ ổn định quá độ, làm
giảm, điều khiển điện áp một cách ngẫu nhiên và ổn định điện áp. Các thiết bị
FACTS đƣợc u cầu khi có địi hỏi đƣợc đáp ứng liên quan điều kiện trạng thái
động (thay đổi nhanh).

Hình 1.3

Lợi ích kỹ thuật của các thiết bị FACTS.


3

Những giải pháp truyền thống có chi phí thấp hơn các thiết bị FACTS nhƣng
bị hạn chế về khả năng đáp ứng trạng thái động. Nhƣ vậy, công dụng của các thiết
bị FACT có thể ảnh hƣởng đến một hay nhiều các thơng số, có thể tóm tắt kê ảnh
hƣởng của một số thiết bị FACT đến các thông số HTĐ:
Thiết bị bù tĩnh SVC.

Điện áp.

TCSC.

Cảm kháng.

STATCOM.

Điện áp.

TCPS.

Góc.

UPFC.

Điện áp, góc, cảm kháng.

Qua đó, nhiệm vụ điều khiển hệ thống điện trong các hệ thống (hệ thống
SCADA và EMS) và của những nhà quy hoạch là xác định giải pháp kinh tế nhất,
nhanh nhất cho nên việc ứng dụng các giải thuật thích hợp để giải nhanh các bài
tốn tối ƣu (OPF) với nhiều thơng số có tính phi tuyến cao, nhiều ràng buộc trong
hệ thống điện có thiết bị FACTS cho đến nay vẫn là vấn đề cần thiết.

1.2.


Tóm tắt một số bài báo cơng trình nghiên cứu có liên quan.
Nhóm Jakob Vesterstrøm, Ren´e Thomsen. A Comparative Study of
Differential Evolution, Particle Swarm Optimization, and Evolutionary
Algorithms on Numerical Benchmark Problems. Bài báo đánh giá hiệu suất
của giải thuật DE, PSO và EAs liên quan đến ứng dụng chung của kỹ thuật
tối ƣu hóa. Việc so sánh đƣợc thực hiện trên một tập với 34 vấn đề đƣợc sử
dụng rộng rãi nhƣ tiêu chuẩn kiểm tra Benchmark. Kết quả từ nghiên
cứu của cho thấy DE thƣờng nhanh hơn so với các thuật tốn khác, nó là đơn
giản, mạnh mẽ, hội tụ nhanh chóng và tìm thấy lời giải tối ƣu gần nhƣ trong
mọi

trƣờng

hợp.

Thuật

toán

thể

hiện

sự

vƣợt

trội

so

với PSO và EAs trên phần lớn các vấn đề Benchmark. Trong số các thử
nghiệm, có nhận xét thuật tốn DE xứng đáng có thể đƣợc coi là tuyệt vời
cần lựa chọn đầu tiên khi phải đối mặt với một vấn đề tối ƣu hóa mới cần
giải quyết.


4



Nhóm Rainer Storn, Kenneth Price. Differential Evolution – A Simple
and Efficient Heuristic for Global Optimization over Continuous Spaces.
Bài báo trình bày một cách tiếp cận để tìm cực tiểu các hàm phi tuyến
và khơng khả

vi.

Qua

thử

nghiệm

mở

rộng, thuật

tốn

DE

đƣợc chứng minh rằng nó là phƣơng pháp mới hội tụ nhanh hơn và chắc
chắn hơn so với nhiều phƣơng pháp trong vấn đề tìm lời giải tối ƣu tồn cục.
Kết quả có so sánh với các giải thuật ASA (Adaptive Simulated Annealing),
ANM (the Annealed Nelder and Mead approach), BGA (the Breeder Genetic
Algorithm) và nhận thấy giải thuật chỉ địi hỏi phải kiểm sốt vài biến nên
mạnh mẽ, dễ sử dụng, rất tốt để tính tốn song song.


Nhóm Rania Hassan, Babak Cohanim, Olivier de Weck, Gerhard
Venter: A Comparison Of Particle SwarmOptimization and The Genetic
Algorithm. Bài báo trình bày nội dung so sánh phƣơng pháp PSO và GA để
tìm lời giải tối ƣu một số loại hàm mục tiêu chuẩn bằng cách phân tích thống
kê, kiểm tra giả thuyết chính thức và kết quả cho rằng giải thuật PSO có cùng
hiệu quả (tìm ra lời giải tối ƣu toàn cục thật sự) nhƣ là giải thuật di truyền
GA, nhƣng với hiệu quả tính tốn tốt hơn đáng kể, so sánh hiệu suất của GA
và PSO đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng một tập hợp của các vấn đề chuẩn
nhƣ kiểm tra Benchmark cũng nhƣ các vấn đề tối ƣu hóa trong hai khơng
gian hệ thống thiết kế.



Nhóm Samir SAYAH, Khaled ZEHAR. Using Evolutionary Computation
to Solve the Economic Load Dispatch Problem. Bài báo áp dụng giải thuật
tiến hóa để giải quyết vấn đề điều độ kinh tế của hệ thống điện với hàm mục
tiêu là cực tiểu hóa tổng chi phí nhiên liệu của các nhà máy nhiệt điện với
các ràng buộc thơng thƣờng có tính đến tổn hao. Hệ thống IEEE 30 nút đƣợc
kiểm tra sử dụng cho mục đích thử nghiệm và xác nhận. Các kết quả thu
đƣợc có so sánh với các phƣơng pháp Newton, GPM, SLP, GA để
chứng minh hiệu quả của giải thuật để tìm kiếm lời giải tối ƣu tồn cục với
thời gian tính tốn ngắn hơn.


5



NhómM.Vanitha1 and K.Thanushkodi2. Solution to Economic Dispatch
Problem by Differential Evolution Algorithm Considering Linear Equality
and Inequality Constrains. Bài báo áp dụng giải thuật DE để giải quyếtvấn
đề điều độ kinh tế hệ thống điện bằng cách xem xét cả ràng buộc tuyến tính
và phi tuyến của hệ thống cho ba tổ máy và sáu tổ máy. Kết quả đƣợc so
sánh với các giải thuật GA, PSO và SA cho thấy sự hiệu quả của giải thuật
để tìm đƣợc lời giải tối ƣu.



Nhóm Manisha Sharma, Manjaree Pandit*, Laxmi Srivastava. Multiarea economic dispatch with tie-line constraints employing evolutionary
approach. Bài báo đánh giá và so sánh một số kỹ thuật tiến hóa để giải bài
toán điều độ kinh tế nhiều vùng trong hệ thống điện. Bài viết trình

bày một so sánh mở rộng khả năng tìm kiếm và sự hội tụ giữa giải thuật tiến
hóa vi phân (DE) và chiến lƣợc khác nhau của nó với giải thuật PSO, giải
thuật PSO-TVAC để tìm lời giải cho bài toán điều độ kinh tế nhiều vùng cho
hai và ba vùng của hệ thống điện với 4, 10 và 40 tổ máy. Các kết quả
đƣợc tìm thấy là tốt hơn so với kết quả một số công bố gần đây.



Nhóm G. A. Bakare, G. Krost, G. K. Venayagamoorthy. Comparative
Application of DifferentialEvolution and Particle Swarm Techniques
toReactive

Power

and

Voltage

Control.

Bài

báo

trình

bày

so sánh hai phƣơng pháp tiếp cận giải thuật DE và giải thuật PSO để các bài
tốn tối ƣu phản kháng có điều khiển điện áp. Kết quả bài báo có nhận xét

giải thuật DE khả thi hơn cho các ứng dụng tính toán thời gian thực và áp
dụng trong trung tâm điều khiển là phù hợp nhất.


Nhóm R.Balamurugan and S.Subramanian. Self-Adaptive Differential
Evolution BasedPower Economic Dispatch of Generators withValve-Point
Effects and Multiple Fuel Options. Bài báo trình bày kết quả áp dụng giải
thuật DE để giải bài toán điều độ kinh tế hệ thống điện có xét đến điểm van
cơng suất và đa nhiên liệu trong các nhà máy. Giải thuật có so sánh kết
quả với các phƣơng pháp khác HNN (Hopfield Neural Network), AHNN
(Adaptive Hopfield Neural Network), HGA (Hybrid Real Coded Genetic


6

Algorithm) cho thấy ƣu việt của giải thuật và tiềm năng của nó để giải
quyết các vấn đề của điều độ hệ thống điện.


Nhóm Sidhartha Panda, N. P. Padhy. Comparison of Particle Swarm
Optimizationand Genetic Algorithm for TCSC-basedController Design. Bài
báo này trình bày các ứng dụng và so sánh hiệu suất giải thuật tối ƣu PSO
với giải thuật di truyền GA cho việc thiết kế bộ TCSC để tăng cƣờng sự ổn
định hệ thống điện. Hiệu suất của cả hai giải thuật tối ƣu về thời gian tính
tốn và tốc độ hội tụ đƣợc so sánh cho thấy hiệu quả các giải thuật trong
việc thiết kế một bộ TCSC để nâng cao ổn định hệ thống điện.



Nhóm G. Shaoyun and TS Chung. Optimal active power flow

incorporating FACTS devices with power flow control constraints. Bài
báo ứng dụng thuật toán LP để giải quyết vấn đề (OPF) có kết hợp thiết bị
FACTS (bộ dịch pha và bù nối tiếp) đã đƣợc lắp đặt trƣớc, bài báo đề xuất
kết quả trên hệ thống IEEE 30 bus.



Nhóm A. Arunya Revathi, N.S. Marimuthu, P.S.Kannan and V. Suresh
Kumar. Optimal Active Power Flow with Facts Devices Using Efficient
Genetic Algorithm. Bài báo trình bày ứng dụng thuật tốn di truyền cải tiến
để giải bài toán OPF của hệ thống IEEE 30 bus có thiết bị FACTS (TCSC và
TCPS) với hàm mục tiêu cực tiểu hóa chi phí nhiên liệu trong và có giữ các
dịng cơng suất trong giới hạn an ninh hệ thống điện. Bài báo có thêm đề
xuất tìm vị trí lắp đặt tối ƣu thiết bị FACTS theo phân tích độ nhạy có để
nâng cao giới hạn ổn định điện áp.



Nhóm T.S. Chung, Y.Z. Li. A Hybrid GA Approach for OPF with
Consideration of FACTS Devices. Bài báo đề xuất thuật toán di truyền là
để giải bài toán OPF có thiết bị FACTS (TCSC và TCPS) của hệ thống IEEE
14 bus. Bài báo cũng chỉ dừng lại với hàm mục tiêu cực tiểu hóa chi phí
nhiên liệu trong đó có giữ các dịng cơng suất trong giới hạn an ninh hệ
thống điện.



Nhóm K.chandrasekaran,

K.arul Jeyaraj,

Sahayasenthamil,

Dr.

M.saravanan. A new method to incorporate facts devicesin optimal


7

power flow using particle swarmoptimization. Bài báo giới thiệu giải thuật
PSO cho bài toán OPF của hệ thống IEEE 30 bus có thiết bị FACTS (TCSC
và TCPS) với hàm mục tiêu cực tiểu hóa chi phí nhiên liệu trong và tìm vị trí
lắp đặt tối ƣu thiết bị FACTS theo phân tích độ nhạy có để nâng cao giới hạn
ổn định điện áp. Kết quả có đối chiếu so sánh với giải thuật di truyền cho
thấy ƣu thế của giải thuật PSO nhƣng chƣa xét đến chi phí đầu tƣ thiết bị
FACTS cũng nhƣ xét đến điểm van cơng suất.


Nhóm K. Shanmukha Sundar, H.M. Ravikumar. Selection of TCSC
location for secured optimal power flow under normaland network
contingencies. Bài báo giới thiệu phƣơng pháp lựa chọn vị trí lắp đặt TCSC
trong điều kiện vận hành bình thƣờng và trong điều kiện tình trạng khẩn cấp
thông qua các chỉ số Thermal Capacity Index (TCI) và Chỉ số Contingency
Capacity Index (CCI). Lời giải cho bài tốn tối ƣu sử dụng phƣơng pháp lập
trình tuyến tính đƣợc kiểm tra trên hệ thống IEEE6 nút, IEEE 14 nút và
IEEE118 nút và kết quả mô phỏng đƣợc trình bày để xác nhận các phƣơng
pháp đƣợc đề xuất.



Lê Đình Lƣơng. Ứng dụng thuật tốn PSO cho phân bố tối ưu công suất
trong hệ thống điện. Luận văn thạc sĩ 7/2009, Thƣ viện đại học quốc gia.
Luận văn nghiên cứu nêu vấn đề tổng quan đến các ứng dụng của thuật toán
PSO, ƣu thế của thuật toán đƣa ra giải thuật và chỉ dừng lại ở việc để giải bài
tốn OPF với cực tiểu chi phí nhiên liệu của nhà máy một số lƣới điện không
FACTS.



Nguyễn Ngọc Tiếp. ―Ứng dụng thuật toán PSO cải tiến SOHPSO - TVAC
cho phân bố tối ƣu công suất trong hệ thống điện‖. Luận văn thạc sĩ, 2011,
Thƣ viện đại học quốc gia.Luận văn nghiên cứu nêu vấn đề tổng quan đến
các ứng dụng cải tiến của thuật toán PSO, ƣu thế của thuật toán đƣa ra giải
thuật và chỉ dừng lại ở việc để giải bài tốn OPF với cực tiểu chi phí nhiên
liệu của nhà máy một số lƣới điện không FACTS.



Ngô Hoàng Tuấn. Ứng dụng quy hoạch Genetic cho phân bố tối ưu cơng
suất lưới điện có FACTS. Luận văn thạc sĩ, tháng 6/2008, số 605250, Thƣ


8

viện đại học quốc gia. Luận văn nghiên cứu trình bày tổng quan về thiết bị
FACTS, lập mơ hình và giải thích chức năng ứng dụng thiết bị FACTS
(SVC, TCSC, STACOM, khơng có UPFC) trong hệ thống điện, đề xuất giải
thuật di truyền để giải bài toán OPF và bài tốn xác định vị trí đặt tối ƣu của
01 thiết bị FACTS của hệ thống điện đơn giản 06 nút với hàm mục tiêu là

cực tiểu chi phí nhiên liệu và chi phí đầu tƣ thiết bị FACTS. Luận văn cũng
đề cập đến giải thuật trí tuệ nhân tạo khác trong hƣớng phát triển để tăng độ
hội tụ, độ chính xác của kết quả và phát triển bài toán xác định số lƣợng, vị
trí dung lƣợng và chủng loại thiết bị FACTS tối ƣu trong mạng điện.
Tình hình nghiên cứu thuật toán DE và phƣơng án cải tiến để giải bài tốn
OPF của lƣới điện có FACTS trong thời gian qua ở Việt Nam đƣợc biết là chƣa
thực hiện nên sẽ là nội dung cần thiết để nghiên cứu tìm hiểu trong luận văn này.

1.3.

Tầm quan trọng của vấn đề nghiên cứu.
Bài tốn phân bố cơng suất tối ƣu (Optimal Power Flow-OPF) đã đƣợc thiết

lập nhằm nâng cao khả năng tận dụng hệ thống điện hiện có mà khơng cần phải
nâng cấp cải tạo.
Bài tốn OPF đã có lịch sử phát triển rất lâu. Rất nhiều phƣơng pháp, rất
nhiều thuật toán đƣợc đƣa ra để giải quyết bài toán này chẳng hạn nhƣ: phƣơng
pháp cổ điển (phƣơng pháp điểm suy nội, Newton-Raphson, Quy hoạch tuyến tính
(Linear Progrmaming), Quy hoạch phi tuyến (Nonlinear Progrmaming), Tabu
Search, SA-Simulated Annealing…), phƣơng pháp quy hoạch tiến hóa (GA-Genetic
Algorithm, DE-Differential Evolution, ACO-Ant Colony Optimization, PSOParticle Swarm Optimization…) và phƣơng pháp lai cải tiến kết hợp giữa hai
phƣơng pháp trên. Và trong những năm gần đây, Trí tuệ nhân tạo (AI) đã đƣợc phát
triển, có thể giải quyết vấn đề rất phức tạp của OPF với số ràng buộc nhiều, phi
tuyến, không lồi (non-convex), không khả vi, cực tiểu địa phƣơng để tìm ra kết quả
tối ƣu tồn cục nhƣ phƣơng pháp (GA), hybrid TS/SA, lập trình tiến hóa (EP), PSO,
HS, DE. Các phƣơng pháp lai đang phát triển rất mạnh và đã có những đóng góp to
lớn cho khoa học bởi tính hội tụ ƣu việt của phƣơng pháp nhƣ: thuật toán đơn giản