Xây dựng giải thuật giản lược lưới điện trong bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất tác dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THANH THUẬN

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2009


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. TRƯƠNG VIỆT ANH ................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
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, ĐHQG Tp.
HCM ngày . . . . tháng . . . . năm 2009
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 Luận văn và Bộ môn quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP. HCM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

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

Tp. HCM, ngày

tháng

năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THANH THUẬN .................... Phái: Nam
Ngày tháng năm sinh: 05/09/1983 ....................................... Nơi sinh: Đồng Tháp
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện. ................. MSHV: 01807297
I- TÊN ĐỀ TÀI:
Xây dựng giải thuật giản lược lưới điện trong bài toán tái cấu trúc luới điện
phân phối giảm tổn thất công suất tác dụng
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ................................................................................
III- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ................................................................
IV- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. TRƯƠNG VIỆT ANH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS TRƯƠNG VIỆT ANH

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả các quý Thầy, Cô Trường Đại Học
Bách Khoa đã trang bị cho em kiến thức bổ ích trong tồn bộ khố học và em
cũng chân thành gửi lịng biết ơn đến các Thầy, Cô bộ môn Hệ Thống đã tạo
điều kiện, hỗ trợ cho em trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận án.

Đặc biệt, xin trân trọng bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến Thầy, TS.
Trương Việt Anh – người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình em trong suốt quá
trình thực hiện Luận văn tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn Phòng Điều độ, Phòng Kế hoạch Kỹ thuật Điện
lực Đồng Tháp, đã hỗ trợ tơi trong việc cung cấp số liệu tính tốn và phối hợp
thực hiện các công việc liên quan trong quyển luận văn này.
Ngồi ra, tơi xin chân thành cám ơn đến bạn bè, đồng nghiệp và gia
đình đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này.

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2009
Học viên: NGUYỄN THANH THUẬN


MỤC LỤC
Chương 0: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ...................................................................... 1
0.1 Giới thiệu ......................................................................................... 1
0.2 Phạm vi thực hiện đề tài ................................................................... 2
0.3 Bố cục luận văn ................................................................................. 2
Chương 1: TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ...................................... 3
1.1 Tổng quan LĐPP – Mục đích tái cấu trúc lưới điện .......................... 3
1.2 Bài toán tái cấu trúc lưới điện ........................................................... 5
1.3 Bài toán 3 – Bài toán xác định cấu trúc lưới điện giảm tổn thất công
suất tác dụng ................................................................................... 8
Chương 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIẢI TÍCH TỐN HỌC & GIẢI
THUẬT HEURISTIC TÁI CẤU TRÚC LĐPP ................................... 17
2.1 Xây dựng hàm độ lệch suất tăng tổn thất côn suất tác dụng .............. 17
2.2 Xây dựng giải thuật Heuristic vịng kín ............................................ 25
2.3 Giải tích tốn học giải lược nút – nhánh phụ tải ................................ 29
Chương 3: TÁI CẤU TRÚC MỘT SỐ VÍ DỤ MINH HỌA ............................ 34
3.1 Giới thiệu phần mềm tính tốn lưới điện PSS/Adept ......................... 34

3.2 Ví dụ với mơ hình 01 nguồn 05 khóa 40 phụ tải ............................... 34
3.3 Ví dụ với mơ hình 01 nguồn 10 khóa 76 phụ tải ............................... 41
3.2 Ví dụ với mơ hình 02 nguồn 17 khóa 122 phụ tải ............................. 51
Chương 4: KHẢO SÁT VÀ TÁI CẤU TRÚC LĐPP THỰC TẾ ..................... 67
4.1 Giới thiệu ......................................................................................... 67
4.2 Tái cấu trúc lưới điện CNĐ Tp. Cao Lãnh ........................................ 68
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ............................................................. 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 86


CHƯƠNG 0:
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI


–1–

0.1. GIỚI THIỆU:
Lưới điện phân phối (LĐPP) đóng vai trị quan trọng trong việc cung cấp điện đến
hộ tiêu thụ. Vì lý do kỹ thuật, nó ln được vận hành theo kiểu hình tia, mặc dù
được thiết kế theo kiểu mạch vịng để tăng độ tin cậy trong q trình cung cấp điện.
Tổn thất năng lượng trên lưới phân phối hiện nay khoảng 10%-11%, so với 2%-3%
trên lưới điện truyền tải. Do đó nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất trên lưới
phân phối là một nhu cầu cần thiết, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích kinh tế.
Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất trong q trình phân phối
điện năng như: bù cơng suất phản kháng, nâng cao điện áp vận hành LĐPP, hoặc
tăng tiết diện dây dẫn. Tuy các biện pháp này đều mang tính khả thi về kỹ thuật
nhưng lại tốn các chi phí đầu tư và lắp đặt thiết bị. Trong khi đó, biện pháp tái cấu
trúc lưới thơng qua việc chuyển tải bằng cách đóng /mở các cặp khố điện có sẵn
trên lưới cũng có thể giảm tổn thất điện năng đáng kể nhằm đạt được cân bằng công
suất giữa các tuyến dây mà khơng cần nhiều chi phí để cải tạo lưới điện. Không chỉ

dừng lại ở mục tiêu giảm tổn thất điện năng, tái cấu trúc LĐPP còn có thể nâng cao
khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới và giảm thiểu số lượng hộ tiêu thụ
bị mất điện khi có sự cố hay khi cần sửa chữa đường dây.
Lưới điện phân phối thực tế thường có khoảng 700 – 2000 nút phụ tải (tương đối
lớn) với khoảng 900 – 1500 nhánh, có kết vịng từ 4 – 8 vịng (tương đối ít) để đảm
bảo độ tin cậy cung cấp điện khi có sự cố lưới điện xảy ra.
Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất năng
lượng trong điều kiện phải thoả mãn các ràng buộc kỹ thuật với các khoá điện trên
hệ thống điện phân phối là điều vơ cùng khó khăn đối với các điều độ viên. Do đó
ln cần một phương pháp phân tích phù hợp với LĐPP thực tế và một giải thuật đủ
mạnh để tái cấu trúc lưới trong điều kiện thoả mãn các mục tiêu điều khiển của các
điều độ viên.


–2–

Với mạng điện phức tạp, nút – nhánh khá lớn, vấn đề đặt ra là làm sao vừa có được
giải thuật tốt vừa khơng mất nhiều thời gian tính tốn hoặc giả định bộ nhớ xử lý bị
tràn dữ liệu vì khối lượng tính tốn q lớn thì khơng thể thực hiện được mục đích
tái cấu trúc. Do đó, nếu có thể giản lược các nút – nhánh phụ tải phù hợp để biến
lưới điện phức tạp thành lưới điện đơn giản với số nút – nhánh – vòng tương đối, và
thực hiện giải thuật tái cấu trúc là điều mong muốn của đề tài nghiên cứu.
0.2. PHẠM VI THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI:
Phạm vi thực hiện của đề tài là “Xây dựng giải thuật giản lược lưới điện trong bài
tốn tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm cơng suất tác dụng”, gồm có các nội dung
chính, đó là:
 Tổng quan về lưới điện phân phối
 Đề xuất giải thuật Heuristic vịng kín để tái cấu trúc lưới điện
 Phương pháp giải tích giản lược mạng điện phân phối phức tạp (giản
lược các nút – nhánh phụ tải không ảnh hưởng đến mục tiêu tái cấu trúc

LĐPP)
 Thực hiện phân tích tái cấu trúc một số ví dụ mạng điện đơn giản. Đánh
giá nhận xét
 Áp dụng phân tích tái cấu trúc trên một lưới điện phân phối thực tế giảm
tổn thất P
0.3. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN:
1.
2.

3.
4.
5.

Chương 1: Tổng quan về lưới điện phân phối và bài toán tái cấu trúc lưới điện
phân phối.
Chương 2: Giải thuật heuristic tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất
công suất P. Giải tích tốn giản lược mạng điện phân phối nhiều nút phức
tạp.
Chương 3: Tái cấu trúc một số ví dụ mạng điện đơn giản và phức tạp
Chương 4: Khảo sát và thực hiện tái cấu trúc lưới điện phức tạp thực tế để
giảm tổn thất công suất P.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.


CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI


–3–

1.1 TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI – MỤC ĐÍCH TÁI CẤU TRÚC
LƯỚI ĐIỆN:
Hệ thống điện phân phối là lưới điện chuyển tải điện năng trực tiếp đến khách hàng
từ các trạm biến áp trung gian. Do đặc điểm kỹ thuật và yêu cầu cấp điện nên lưới
điện phân phối điện luôn luôn được vận hành ở trạng thái mạch vịng hở (hình tia).
Nhờ cấu trúc vận hành hở nên rơ le bảo vệ chủ yếu sử dụng loại rơle quá dòng. Để
tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, các tuyến đường dây đều có mạch vịng
liên kết với các tuyến đường dây khác khi nguồn cung cấp chính bị sự cố. Việc khơi
phục cấp điện được thực hiện thơng qua việc ngắt các khóa điện để cơ lập vùng bị
sự cố, đóng các thiết bị liên kết nguồn nằm trên các mạch vịng. Việc đóng /mở các
khóa điện sẽ làm thay đổi cấu trúc của lưới điện hay lưới điện đã được tái cấu trúc.
Hệ thống lưới điện phân phối có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh hoạt,
thương mại dịch vụ, công nghiệp, ...) và các phụ tải này phân bố không đồng đều
giữa các tuyến đường dây. Mỗi loại tải lại có cao điểm khác nhau và luôn thay đổi
theo ngày, theo tuần và theo mùa. Vì vậy, đồ thị phụ tải của chúng trên các tuyến
đường dây không bằng phẳng và ln có sự chênh lệch cơng suất tiêu thụ giữa các
tuyến. Điều này gây ra quá tải đường dây ở vị trí này, non tải ở vị trí khác ở cùng
một thời điểm…dẫn đến tổn thất trên lưới điện phân phối tăng, lưới điện vận hành
không kinh tế và làm giảm độ tin cậy cung cấp điện.
Để chống quá tải đường dây và giảm tổn thất, các điều độ viên sẽ thay đổi cấu trúc
lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng /mở các cặp khóa điện trên lưới. Vì vậy,
trong q trình thiết kế các loại khóa điện (recloser, LBS, DS, LTD…) sẽ được lắp
đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng /mở các khóa này vừa có thể giảm
thiểu chi phí đóng /mở và giảm được tổn thất. Hay nói cách khác, hàm mục tiêu vận
hành lưới điện phân phối là cực tiểu chi phí vận hành bao gồm cả chi phí chuyển tải
và tổn thất nhưng vẫn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Mặt khác, yêu cầu cung cấp
điện ngày càng phải được nâng cao nên ngày càng xuất hiện nhiều mục tiêu trong
vận hành lưới điện phân phối.

–4–

Nhìn chung, vận hành lưới phân phối ln phải thoả mãn các yêu cầu sau:
-

Cấu trúc mạch vòng vận hành hở (hình tia)

-

Tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện

-

Các hệ thống bảo vệ rơle phải thay đổi phù hợp

-

Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải

-

Sụt áp nằm trong phạm vi cho phép

-

Đảm bảo ổn định cung cấp điện

LĐPP vận hành ở trạng thái mạch vịng hở vì:
-

Tổng trở của lưới điện phân phối vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận
hành vịng kín nên dịng ngắn mạch khi có sự cố bé. Vì vậy chỉ cần chọn
các thiết bị đóng cắt có dịng ngắn mạch chịu đựng và dịng ngắn mạch
bé, nên mức đầu tư giảm đáng kể.

-

Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các lọai relay
đơn giản, rẻ tiền như relay quá dịng, thấp áp…mà khơng nhất thiết phải
trang bị các lọai relay phức tạp như relay định hướng, bảo vệ khỏang
cách, so lệch… nên việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn và
mức đầu tư cũng giảm xuống.

-

Chỉ cần dùng các cầu chì tự rơi ( FCO: Fuse cut out) hay cầu chì tự rơi
kết hợp cắt có tải ( LBFCO: Load break fuse cut out) để bảo vệ các
nhánh rẽ hình tia trên cùng một đọan trục và phối hợp với recloser để
tránh sự cố thoáng qua.

-

Do vận hành hở, nên khi có sự cố, khơng bị lan tràn qua các phụ tải
khác.

-

Do được vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây
dể dàng hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự

cố.

-

Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới điện phân phối, thì phương án
kinh tế là lưới điện hình tia.


–5–

Hình 1.1 mơ tả một LĐPP đơn giản gồm có 2 nguồn và nhiều khoá điện. Khoá RC1
và RC3 ở trạng thái mở để đảm bảo lưới điện vận hành hở. Các đoạn tải LN5 và
LN6 nằm ở cuối lưới của nguồn điện SS2. Để cải thiện chất lượng điện năng ở cuối
lưới, bộ tụ bù được lắp giữa LN4 và SW2 và máy biến thế điều áp được lắp giữa
LN3 và LN9. Tất nhiên, các thiết bị này đều có thể được vận hành ở chế độ thơng
số khơng đổi trong thời gian vận hành hay thông số thay đổi bằng cách điều khiển
từ xa hay tại chỗ.

Hình 1.1 Lưới điện phân phối đơn giản
Khi vận hành hệ thống điện phân phối như hình 1.1, có thể giảm tổn thất công suất
bằng cách chuyển một số tải từ nguồn SS2 sang nguồn SS1, ví dụ: đóng RC3 và mở
SW2 để chuyển các đoạn tải LN5 và LN6 từ nguồn SS2 sang SS1. Việc phân tích
lựa chọn các cách chuyển tải này là nội dung của các giải thuật tái cấu trúc lưới.
1.2 BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN:
Vấn đề tái cấu trúc hệ thống cũng tương tự như việc tính tốn phân bố cơng suất tối
ưu. Tuy nhiên, tái cấu trúc u cầu một khối lượng tính tốn lớn do có nhiều biến số
tác động đến các trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành như: LĐPP phải vận
hành hở, không quá tải máy biến áp, đường dây, thiết bị đóng cắt… và sụt áp tại hộ
tiêu thụ trong phạm vi cho phép.

–6–

a. Với góc độ vận hành, hàm mục tiêu của tái cấu trúc lưới điện như sau:
 Bài toán 1: Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 thời đoạn
để chi phí vận hành bé nhất.
 Bài toán 2: Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn
khảo sát để tổn thất năng lượng bé nhất.
 Bài toán 3: Xác định cấu trúc lưới điện tại 1 thời điểm để tổn thất cơng suất
bé nhất.
 Bài tốn 4: Tái cấu trúc lưới điện cân bằng tải (giữa các đường dây, máy
biến thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của lưới điện.
 Bài tốn 5: Khơi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa.
 Bài toán 6: Xác định cấu trúc lưới 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)
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 thoả mãn các điều kiện kỹ thuật vận hành ln là bài
tốn quan trọng và kinh điển trong vận hành hệ thống điện. Bảng 1.1 trình bày
phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu trúc theo đặc điểm LĐPP.

Đặc điểm lưới điện

Tên bài tốn

1

2

3

4

5

Khóa điện được điều khiển từ xa







Chi phí chuyển tải thấp, khơng mất điện











Chi phí chuyển tải cao, mất điện khi
chuyển tải



Lưới điện thường xuyên bị quá tải



Lưới điện ít bị q tải
Lưới điện hầu như khơng bị quá tải





















Bảng 1.1 Phạm vi ứng dụng của bài toán tái cấu trúc

6




–7–

b. Thực trạng lưới điện Việt Nam:
Nhìn chung, lưới phân phối hiện nay của Việt Nam có nhiều cấp điện áp khác nhau,
chi phí chuyển tải lớn và phải cắt điện khi chuyển tải vì:
-

Do lịch sử phát triển, ở mỗi miền đất nước có nhiều cấp điện áp phân
phối và giữa các miền các cấp điện này cũng khác nhau (6.6 , 10, 15, 22,
35 kV).

-

Recloser và máy cắt có tải (LBS) khơng được điều khiển từ xa và có số
lượng khơng đáng kể nên chí phí đóng /mở lớn và thời gian chuyển tải
lâu.

-

Các tổ đấu dây của máy biến áp tại các trạm trung gian không thống
nhất, nên phải cắt điện khi chuyển tải, điều này làm gián đoạn việc cung
cấp điện và gây khó chịu cho khách hàng sử dụng điện.

Việc chuyển tải chỉ xảy ra khi :
-

Chống quá tải đường dây, trạm biến áp trung gian ở những nơi phụ tải
phát triển nhanh, vào giờ cao điểm hay khi có cơng tác sửa chữa các
mạch vịng truyền tải.

-

Tái cấu trúc lưới khơi phục cung cấp điện sau khi cô lập sự cố hay sửa
chữa, cải tạo đường dây và trạm biến áp theo định kỳ.

c. Vì các khó khăn trên, mục tiêu vận hành LĐPP phù hợp với điều kiện Việt Nam
hiện nay có thể đề nghị như sau:
-

Xác định cấu trúc lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát để
tổn thất năng lượng bé nhất – bài toán 2.

-

Tái cấu trúc lưới điện chống quá tải, cân bằng tải (giữa các đường dây,
máy biến thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của
lưới điện – bài toán 4.

-

Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa – bài toán 5.


–8–

-

Xác định cấu trúc lưới 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 – bài toán 6 : hàm đa mục tiêu.

Các giả thiết để đơn giản hóa bài tốn tái cấu trúc:
i. Có thể bỏ qua các thiết bị bù công suất phản kháng trên lưới khi giải bài
toán xác định cấu trúc LĐPP.
ii. Thao tác đóng /mở để chuyển tải, khơng gây mất ổn định của hệ thống
điện.
iii. Điện áp tại các nút tải khơng thay đổi và có giá trị gần bằng Uđm.
iv. Độ tin cậy cung cấp điện của LĐPP được xem là không đổi khi cấu trúc
lưới thay đổi.
1.3 BÀI TOÁN 3 – BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC LƯỚI GIẢM TỔN
THẤT CƠNG SUẤT TÁC DỤNG P:
Bài tốn 3 – bài toán xác định cấu trúc lưới giảm tổn thất cơng suất tác dụng P là
một bài tốn quan trọng, được xem như một module để giải quyết các bài toán khác
trong hệ thống các bài toán tái cấu trúc lưới. Điều này được chứng minh qua các
giải thuật của các nghiên cứu từ trước đến nay.
Có rất nhiều phương pháp tái cấu trúc lưới giảm P nhưng chỉ có giải thuật
heuristic kết hợp giải thuật tối ưu và giải thuật thuần heuristic mới thực sự mang
hiệu quả cao vì dễ tìm được cấu trúc lưới tối ưu. Trong các giải thuật này, có thể
chia hai nhóm chính, giải thuật của Merlin & Back - kỹ thuật vòng cắt đại diện cho
phương pháp heuristic kết hợp giải thuật tối ưu và giải thuật của Civanlar - kỹ thuật
đổi nhánh đại diện cho phương pháp thuần heuristic. Ngồi ra cịn một số phương
pháp khác nhưng không hiệu quả.


–9–

1.3.1 Giải thuật Heuristic kết hợp giải thuật tối ưu (Kỹ thuật vòng cắt):
1.3.1.1. Giải thuật của Merlin & Back:
Giải thuật của Merlin và Back khá đơn giản: “Đóng tất cả các khố điện lại tạo
thành một lưới kín, sau đó giải bài tốn phân bố cơng suất và tiến hành mở lần lượt
các khố có dịng chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện dạng hình tia” ở đây
Merlin và Back cho rằng với mạch vịng, 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. 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 nếu có n đường
dây được trang bị khố điện.
Shirmohammadi bổ sung thêm vào giải thuật này ở chỗ có xét đến điện thế ở các
trạm trung gian và yếu tố liên quan đến dòng điện. Shirmohammadi vận dụng kỹ
thuật bơm vào và rút ra một lượng công suất không đổi nhằm đảm bảo mơ phỏng
chính xác hệ thống điện phân phối hoạt động hở về mặt vật lý nhưng về mặt tốn
học là mạch vịng. Dịng cơng suất bơm vào và rút ra là một đại lượng liên tục .

Hình 1.2: Giải thuật của Merlin & Back được Shirmohammadi chỉnh sửa


– 10 –

Nhược điểm của giải thuật:
-

Mặc dù đã áp dụng các luật heuristic, giải thuật này vẫn cần quá nhiều
thời gian để tìm ra được cấu trúc giảm tổn thất cơng suất .

-

Tính chất khơng cân bằng và nhiều pha chưa được mô phỏng đầy đủ.

-

Tổn thất của thiết bị trên đường dây chưa được xét đến trong giải thuật.

1.3.1.2. Các giải thuật khác:
Có nhiều nhà nghiên cứu đã và đang nỗ lực tìm cách vận dụng kỹ thuật kết hợp giữa
heuristic và tối ưu hoá. Nếu kết hợp thành công hai kỹ thuật trên sẽ cho một kết quả
tính tốn chính xác ở mức độ chấp nhận được trong điều kiện giảm đáng kể khối
lượng và thời gian tính tốn. Mặc dù đã có nhiều giải pháp mang tính khả thi trong
lý thuyết nhưng vẫn chưa có giải thuật tái cấu trúc nào thật sự hiệu quả trong thực
tế.
Liu và các cộng sự đã đề xuất hai giải thuật mà họ cho là có khả năng áp dụng trên
diện rộng. Các tác giả cho là các giải thuật loại này có tính khả thi cả trong điều
kiện vận hành cũng như trong công tác dự báo. Họ chứng minh rằng, bằng cách
xem các phụ tải có dịng điện tiêu thụ không phụ thuộc vào điện áp thanh cái, khi
dòng điện chạy qua một nhánh (bất kể cấu trúc) đều có thể được thể hiện bằng một
dịng điện cơ bản yk và một hằng số ak. Nếu dòng điện nhánh được xem xét theo
cách này, hàm biểu diễn dòng điện tại lộ ra là một hàm liên tục và giảm dần. Giải
thuật đầu tiên do Liu và cộng sự đề xuất chỉ tính đến mơ hình phân phối tải phân bố
đều trên các đường dây. Giải thuật này đã xác định được các điểm chia tải cần thiết
để tái cấu trúc ở mức tổn thất nhỏ nhất. Tuy nhiên tính tối ưu hóa khơng được đảm
bảo vì tính khơng liên tục của phụ tải trên đường dây. Giải thuật thứ hai của Liu và
cộng sự xác định các trạng thái hoạt động thật sự của các khóa điện cho việc tái cấu
trúc để hệ thống vận hành trong điều kiện tối ưu. Vì có những biến thể trong giải
thuật, cả hai mơ hình tải phân bố khơng tập trung và mơ hình tải tập trung cùng
được sử dụng trên một lưới điện. Tuy nhiên, cấu trúc được chọn vẫn khơng thực sự
là cấu trúc thực sự có P thấp nhất.

– 11 –

Wagner và các cộng sự đã trình bày một giải thuật tái cấu trúc đưa trên bài toán vận
tải có hàm chi phí tuyến tính. Tổn thất đường đây được xấp xỉ thành hàm tuyến tính
nhiều đoạn cho phép tính tốn tổn thất cơng suất từng bước. Điện áp đường dây và
điều kiện chống quá tải cũng được đơn giản hố bằng các hàm tuyến tính. Wagner
sử dụng 2 ví dụ trên lưới điện thực tế có điện áp làm việc là 44kV, so sánh với các
phương pháp của Shirmhammadi và Civanlar. Giải thuật của Wagner rất phù hợp
với lưới điện nhỏ nhưng với lưới điện có 1000 nút trở lên thì thời gian tính tốn q
lâu, khơng phù hợp với việc điều khiển theo thời gian thực.
Goswami và Basu xem xét lưới điện khởi đầu là lưới điện vịng bằng cách đóng tất
cả các khóa điện mở, giải thuật xác định khóa điện mở tương tự như của Merlin và
Back nhưng khơng hồn tồn giống vì theo Goswami và Basu, cần phải xác định
cặp khóa điện dự kiến đóng /mở để đảm bảo là lưới điện hình tia. Mặc dù phù hợp
với lưới điện phân phối nhỏ nhưng theo R.J.Sarfl giải thuật này khó rất triển khai
khi lưới điện lớn.
1.3.2 Giải thuật thuần túy dựa trên Heuristic (Kỹ thuật đổi nhánh):
1.3.2.1. Giải thuật của Civanlar và các cộng sự:
Khác với giải thuật của Merlin & Back, giải thuật của Civanlar dựa trên heuristic để
tái cấu trúc LĐPP. Giải thuật được đánh giá cao nhờ:
-

Xác định được hai qui luật để giảm số lượng khóa điện cần xem xét:


Nguyên tắc chọn khóa đóng: việc giảm tổn thất chỉ có thể đạt được
nếu như có sự chênh lệch đáng kể về điện áp tại khoá đang mở.



Nguyên tắc chọn khóa mở: việc giảm tổn thất chỉ đạt được khi thực
hiện chuyển tải ở phía có độ sụt áp lớn sang phía có sụt áp bé hơn.

-

Xây dựng được hàm số mô tả mức giảm tổn thất công suất tác dụng khi
có sự thay đổi trạng thái của một cặp khóa điện trong q trình tái cấu
trúc


– 12 –

 
* 
Pt   Re2 I i E M  E N    Rloop  I i
iD

  iD



Trong đó:



2

D

: Tập hợp các nút tải được dự kiến chuyển tải

Ii

: Dòng điện tiêu thụ của nút thứ i

EM

: Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút M

EN

: Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút N

(1-1)

Rloop : Tổng các điện trở trên vịng kín khi đóng khố điện đang mở.

Hình 1.3: Lưu đồ giải thuật của Civanlar và các cộng sự.
Kỹ thuật đổi nhánh thể hiện ở q trình tìm cặp khóa đóng / cắt tối ưu được thực
hiện bằng cách đánh giá mức độ giảm tổn thất tại từng khóa để lựa chọn phương án
tốt nhất. Giải thuật liên tục thử nghiệm với từng vịng của lưới điện. Giải thuật
Civanlar có những ưu điểm sau:


– 13 –

-

Nhanh chóng xác định phương án tái cấu trúc có mức tổn thất nhỏ hơn

bằng cách giảm số liên kết đóng cắt nhờ qui tắc heuristic và sử dụng
công thức thực nghiệm để xác định mức độ giảm tổn thất tương đối.

-

Việc xác định dòng tải tương đối chính xác.

Tuy nhiên, giải thuật cũng cịn nhiều nhược điểm cần khắc phục:
-

Chỉ có thể xem xét 01 cặp khóa điện tại một thời điểm.

-

Chỉ đáp ứng được nhu cầu giảm tổn thất, chứ chưa giải quyết được bài
toán cực tiểu hóa hàm mục tiêu.

-

Việc tái cấu trúc hệ thống phụ thuộc vào trạng thái của nút ban đầu.

1.3.2.2. Các giải thuật khác:
Tiếp theo các giải thuật của Civanlar, nhiều giải thuật khác đã được đề xuất theo
hướng chỉ dựa trên kỹ thuật heuristic. Các giải thuật sau này tập trung theo hướng
tìm ra các giải pháp và cơng thức tinh tế hơn để giải bài toán giảm tổn thất, tuy vẫn
chủ yếu dựa vào các nguyên lý heuristic. Điều này đi ngược lại với xu hướng
chung là tìm cách kết hợp giữa nguyên tắc heuristic và tối ưu hóa.
Baran và Wu cố gắng cải tiến giải thuật của Civanlar bằng cách giới thiệu hai phép
tính gần đúng cho dịng cơng suất và sụt áp trong q trình chuyển tải. Công suất
trên từng nhánh của Baran và Wu chỉ gồm thành phần công suất phụ tải và bỏ qua

thành phần tổn thất của các nhánh trước đó. Thơng qua việc sử dụng phương pháp
này, các khó khăn liên quan đến quá tải đường dây và sụt áp được xác định ngay
trong giải thuật chứ không phải sau khi kết thúc bài tốn. Vì Baran và Wu trình bày
đề xuất của mình trên từng pha, họ cho rằng giải thuật này cũng có thể giảm tổn thất
thơng qua cân bằng tải giữa các pha.
Castro và Watanabe mở rộng nghiên cứu của Civanlar theo hướng tăng cường khả
năng tìm kiếm. Một trong những điểm yếu cố hữu trong giải thuật của Civanlar là
chỉ xem xét một cặp khố đóng mở tại một thời điểm, điều này tuy giảm thời gian
xử lý nhưng làm cho kết quả bị rơi vào cực tiểu địa phương. Đề xuất của Castro và


– 14 –

Watanabe đã nâng cao khả năng tìm ra cấu trúc có cực tiểu tồn cục. Nhược điểm là
tính tối ưu toàn cục chưa được bảo đảm cũng như tính khả thi của giải thuâọt cho
các hệ thống phân phối lớn cũng chưa được chứng minh.
1.3.3 Các giải thuật dựa trên trí tuệ nhân tạo:
Gần đây, trí tuệ nhân tạo đã trở nên phổ biến đưa đến sự nở rộ của nhiều kỹ thuật
như: hệ thần kinh nhân tạo (ANN), giải thuật gen (GA) và hệ chuyên gia (ES) đã
được ứng dụng để tái cấu trúc hệ thống. Mặc dù việc sử dụng các kỹ thuật dựa trên
cơ sở của trí tuệ nhân tạo đã tỏ ra có giá trị trong nhiều ứng dụng, nhưng vẫn chưa
thể chứng minh là đã tìm ra được các giải pháp tốt nhất. Với tốc độ phát triển của
cơng nghệ máy tính như hiện nay, chắc chắn trí tuệ nhân tạo sẽ được ứng dụng
nhiều hơn trong các bài toán tái cấu trúc hệ thống. Các kỹ thuật áp dụng đồng thời
ANN và GA (giải thuật lai) mở ra nhiều triển vọng trong việc giảm đáng kể thời
gian tính tốn.
1.3.3.1. Sử dụng ANN tái cấu trúc lưới điện phân phối:
Hệ thần kinh nhân tạo tỏ ra đặc biệt hữu dụng để thực hiện tái cấu trúc lưới vì chúng
có thể mơ phỏng mối liên hệ giữa tính chất phi tuyến tính của tải với tính chất của
mạng lưới topo nhằm cực tiểu hóa tổn thất trên dây. Mặc dù ANN làm giảm đáng

kể thời gian tính tốn ngay cả khi áp dụng cho các hệ thống phức tạp, việc ứng dụng
chúng trong thực tế vẫn gặp khó khăn do những lý do sau:
-

Thời gian huấn luyện kéo dài do tính chất phức tạp trong thao tác.

-

Việc huấn luyện cần thực hiện cho từng yếu tố cấu thành lưới điện và
cần được cập nhật, điều chỉnh một cách liên tục sau này.

-

Các số liệu mẫu phải thật chính xác để đảm bảo kết quả tính tốn có ý
nghĩa.

1.3.3.2. Sử dụng giải thuật di truyền (GA) tái cấu trúc lưới điện phân phối:
Joon-Ho Choi trình bày một một phương pháp tái cấu trúc lưới sử dụng giải thuật
gien có những đặc điểm như sau:


– 15 –

Biểu diễn chuỗi dựa trên các chiến lược Heuristic:
Đối với mạng phân phối, khi đóng một khóa điện sẽ tạo một vịng kín. Thuật tốn
đề nghị bắt đầu bằng việc đóng tất cả các khóa điện để tạo một mạng vòng. Mạng
vòng này sẽ bao gồm nhiều vòng 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 gien biểu diễn một khóa mở trong vịng, độ dài của chuỗi bằng số
vịng.

-

Nếu chuỗi có cùng một gien thì mạng có một vịng, mỗi gien trong chuỗi
khác nhau.

-

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

Q trình tái sản sinh, lai hóa và đột biến:
Trong quá trình tái sản sinh, chọn một tập hợp các chuỗi cũ để sản sinh một tập các
chuỗi mới dựa theo tính hợp lý được xác định bằng mơ phỏng bàn Roulet có trọng
số. Bàn Roulet hướng theo độ thích nghi của mỗi lời giải. Trong q trình lai hóa,
chọn hai chuỗi một cách ngẫu nhiên từ dân số ở cùng một thời điểm. Chọn một hay
nhiều vị trí trên hai chuỗi và hốn đổi cho nhau (lai hóa đơn giản hoặc phức tạp).
Quá trình đột biến được thực hiện rất hạn chế, sau mỗi chuyển đổi từ 100-1000 bit
trong q trình lai hóa, thay đổi một vị trí bit ngẫu nhiên bằng các khóa điện khác
nhau trong vịng cho một chuỗi được chọn ngẫu nhiên từ dân số. Phép toán này
được sử dụng để thoát khỏi một cực tiểu địa phương. Tuy nhiên trong quá trình này,
chuỗi mới tạo ra có thể vi phạm các ràng buộc hình tia và cách ly.
Hàm thích nghi:
Áp dụng phương pháp trên ln thỏa mãn các điều kiện hình tia. Tuy nhiên khơng
thỏa mãn các ràng buộc khác như giới hạn công suất nguồn, dịng, điện áp,… Vì
vậy phải xét các điều kiện này bằng cách thêm chúng vào hàm thích nghi như sau:

– 16 –

k
 n

f  1 /  lossi   a j p j 
j 1
 i 1


Trong đó

k

: số ràng buộc

Pj và aj: nhân tố phạt và hệ số
Mạng cực tiểu tổn thất là mạng có giá trị f lớn nhất. Giải thuật đã được áp dụng cho
mạng 1 nguồn 32 nút-37 nhánh của Baran, kết quả tổn thất công suất tác dụng giảm
31.1% so với khi chưa tái cấu trúc mạng.
1.3.3.3. Sử dụng hệ chuyên gia tái cấu trúc lưới điện phân phối:
Có nhiều nghiên cứu giải bài toán tái cấu trúc LĐPP bằng cách sử dụng hệ chuyên
gia. Có thể nói, hệ chuyên gia đã phối hợp được cách sử dụng các giải thuật kết hợp
heuristic và tối ưu hóa cũng như các giải thuật thuần túy heuristic với các luật bổ
sung dựa trên các điều kiện ràng buộc trong vận hành. Taylor và Lubkeman đưa ra
một hệ chuyên gia tái cấu trúc hệ thống phân phối dựa trên sự mở rộng các luật của
Civanlar. Taylor và Lubkeman mô tả các mục tiêu cơ bản của họ như tránh quá tải
máy biến áp, quá tải đường dây và độ sụt áp khơng bình thường, các tác giả khẳng
định rằng nếu thỏa mãn các điều kiện này sẽ dẫn đến tối thiểu hóa tổn thất.

1.3.4 Hướng thực hiện đề tài:
Trương Việt Anh có cơng trình nghiên cứu xây dựng hàm độ lệch suất tăng tổn thất
công suất tác dụng F – có mối liên hệ với tổn thất công suất tác dụng P.
Luận văn đề xuất giải thuật Heuristic vịng kín để tái cấu trúc lưới điện phân phối
thông qua hàm độ lệch suất tăng tổn thất F do Trương Việt Anh đề ra, và dùng
phương pháp tốn học đơn giản để chọn lọc cặp khóa đóng /mở giữa các cặp khóa
đóng /mở cùng làm giảm tổn thất cơng suất. Bên cạnh đó, luận văn đề xuất phương
pháp giải tích tốn học nhằm giản lược lưới điện phức tạp thành lưới điện đơn giản
ít nút – nhánh tải, trước khi thực hiện tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm công
suất tác dụng P mà không làm ảnh hưởng đến kết quả chung.


CHƯƠNG 2:
XÂY DỰNG MƠ HÌNH
GIẢI TÍCH TỐN HỌC
&
GIẢI THUẬT HEURISTIC
TÁI CẤU TRÚC
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI


– 17 –

2.1 XÂY DỰNG HÀM ĐỘ LỆCH SUẤT TĂNG TỔN THẤT CƠNG SUẤT
TÁC DỤNG
2.1.1 Mơ tả lưới điện tổng quát:
2.1.1.1 Mô tả tổn thất công suất tác dụng trên đường dây
Xét một đường dây cung cấp điện từ nguồn đến phụ tải như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ cung cấp điện đến phụ tải

Tổn thất công suất tác dụng trên đường dây:
P  I 2 R  ( I p2  I q2 ) R

Trong đó:

Ip

: là dịng điện do công suất tác dụng P của phụ tải tạo ra

Iq

: là dịng điện do cơng suất phản kháng Q của phụ tải tạo ra

I

: là dòng điện chạy trên đường dây, I 2  I p2  I q2 (hình 2.2)

R

: là điện trở của dây dẫn

Hình 2.2 Giản đồ vector dòng điện
2.1.1.2 Các qui ước của lưới điện phân phối tổng quát
Xét các lưới điện tổng quát như hình 2.3, có các qui ước như sau: