Ứng dụng thuật toán pso cho phân bố tối ưu công suất trong hệ thống điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------------------

LÊ ĐÌNH LƯƠNG

ỨNG DỤNG THUẬT TỐN PSO CHO
PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN
CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ NGÀNH

: 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 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. Vũ Phan Tú....................................................
(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 được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

LÊ ĐÌNH LƯƠNG

Phái:

Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

29-10-1983

Nơi sinh:

Đồng Nai

Chuyên ngành:

Thiết bị Mạng và Nhà máy điện

MSHV:

01807284

1- TÊN ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG THUẬT TỐN PSO CHO PHÂN BỐ TỐI ƯU CƠNG SUẤT
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
 Nghiên cứu thuật tốn PSO.
 Nghiên cứu bài tốn điều phối cơng suất ELD và bài tốn phân bố cơng suất tối
ưu trong hệ thống điện OPF.
 Ứng dụng thuật toán PSO giải bài tốn điều phối cơng suất ELD.
 Ứng dụng thuật tốn PSO giải bài tốn phân bố cơng suất tối ưu trong hệ thống
điện OPF.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02-02-2009
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03-07-2009
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. VŨ PHAN TÚ
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Họ tên và chữ ký)

QUẢN LÝ CHUYÊN NG ÀNH
(Họ tên và chữ ký)

i

KHOA QL CHUYÊN NG ÀNH
(Họ tên và chữ ký)


Tóm tắt luận văn

TĨM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này trình bày thuật tốn PSO và ứng dụng vào tính tốn tối ưu trong
lĩnh vực hệ thống điện. Hai phần ứng dụng chính của PSO trong hệ thống điện được
thể hiện trong luận văn là:
 Bài tốn điều phối cơng suất ELD: trình bày một phương pháp cải tiến thuật
tốn PSO và áp dụng vào bài toán ELD cho những kết quả tốt hơn các giải thuật khác
hoặc các phương pháp cải tiến khác của PSO. Hai loại hàm chi phí nhiên liệu được xét
trong bài toán ELD là: hàm chi phí trơn dạng bậc hai theo kiểu truyền thống và hàm
chi phí có xét đến ảnh hưởng của vị trí van điều khiển công suất phát. Ứng với mỗi loại
hàm chi phí thuật tốn được ứng dụng kiểm tra trong một số mạng điện và kết quả
được so sánh với các phương pháp khác cho thấy kết quả có được từ phương pháp đề
xuất là hiệu quả và đáng tin cậy.
 Bài tốn phân bố cơng suất tối ưu OPF: trình bày ứng dụng của thuật tốn
PSO vào một số mạng điện chuẩn như trong thực tế: mạng 5 nút, 6 nút và 30 nút IEEE.
Phương pháp giải này thể hiện tính linh hoạt và khả năng ứng dụng thuật tốn 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 toán PSO vào giải quyết những 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 toán này, những phương pháp truyền thống có thể dẫn đến
những kết quả sai hoặc kết quả tính tốn khơng tối ưu.

iii


Mục lục

MỤC LỤC
Nhiệm vụ luận văn Thạc sĩ .................................................................................................... i
Lời cảm ơn ............................................................................................................................... ii
Tóm tắt luận văn.................................................................................................................... iii
Mục lục..................................................................................................................................... iv
Danh mục các bảng trong luận văn ................................................................................. vii
Danh mục các hình trong luận văn .................................................................................. ix
Chữ viết tắt trong luận văn ................................................................................................. x
Chương 1: Tổng quan.......................................................................................................... 01
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 01
1.2. Tóm tắt một số bài báo liên quan ...................................................................... 02
1.3. Nhận xét chung và hướng tiếp cận ................................................................... 07
1.4. Mục tiêu của đề tài .............................................................................................. 08
1.5. Điểm mới của đề tài ............................................................................................ 08
Chương 2: Bài toán điều phối công suất ELD ............................................................... 10
2.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 10
2.2. Bài toán điều phối kinh tế cổ điển .................................................................... 10
2.2.1. Hàm mục tiêu ................................................................................................... 11

2.2.2. Ràng buộc đẳng thức ....................................................................................... 12
2.2.3. Ràng buộc bất đẳng thức................................................................................. 12
2.3. Bài toán điều phối kinh tế với hàm chi phí nhiên liệu khơng trơn ............... 13
2.3.1. Đặc điểm của bài toán điều phối kinh tế với điểm van công suất ............. 13

iv


Mục lục

2.3.2. Biểu thức điều phối kinh tế với điểm van cơng suất ................................... 14
Chương 3: Bài tốn phân bố cơng suất tối ưu OPF ...................................................... 16
3.1. Bài tốn phân bố cơng suất ................................................................................ 16
3.1.1 Cơ sở tốn học................................................................................................... 16
3.1.2 Bài tốn phân bố cơng suất trong mạng điện ................................................ 20
3.1.2.1 Các phương trình liên hệ .............................................................................. 20
3.1.2.2 Giải bài tốn phân bố cơng suất................................................................... 22
3.1.2.3 Lưu đồ giải thuật............................................................................................ 26
3.2 Bài tốn phân bố cơng suất tối ưu cực tiểu hàm chi phí ................................. 28
3.2.1. Lịch sử phát triển và lý thuyết cơ bản ........................................................... 28
3.2.2. Sơ lược các phương pháp giải bài toán OPF ................................................ 31
Chương 4: Thuật toán PSO................................................................................................ 35
4.1. Khái niệm chung PSO ........................................................................................ 35
4.2. Biểu thức cơ bản của thuật toán PSO ............................................................... 37
4.3. Giải thuật PSO ..................................................................................................... 39
4.3.1. Giải thuật PSO nguyên thủy ........................................................................... 40
4.3.2. Giải thuật PSO đề xuất .................................................................................... 40
4.3. Thuật toán PSO cải tiến...................................................................................... 42
Chương 5: Ứng dụng thuật toán PSO giải bài toán ELD ........................................... 45
5.1. Phương pháp giải bài toán ELD dùng thuật toán PSO ................................... 45

5.2. Giải bài tốn ELD với hàm chi phí trơn........................................................... 49
5.3. Giải bài tốn ELD với hàm chi phí khơng trơn............................................... 52
5.3.1. Hệ thống 3 nhà máy......................................................................................... 52

v


Mục lục

5.3.2. Hệ thống 13 nhà máy ...................................................................................... 55
5.3.3. Hệ thống 40 nhà máy ...................................................................................... 58
5.4. Kết luận ................................................................................................................ 62
Chương 6: Ứng dụng thuật toán PSO giải bài toán OPF ............................................ 63
6.1. Giải thuật đề nghị ................................................................................................ 64
6.2. Phân bố công suất tối ưu trong mạng điện 5 nút............................................. 67
6.3. Phân bố công suất tối ưu trong mạng điện 6 nút............................................. 72
6.4. Phân bố công suất tối ưu trong mạng điện IEEE 30 nút ................................ 78
6.5. Kết luận ................................................................................................................ 88
Chương 7: Tổng kết và hướng phát triển đề tài ............................................................ 89
7.1. Tổng kết đề tài ..................................................................................................... 89
7.2. Hướng phát triển của đề tài................................................................................ 90
7.3. Lời kết................................................................................................................... 91
Phụ lục..................................................................................................................................... 92
Tài liệu tham khảo................................................................................................................ 95
Tóm tắt lý lịch trích ngang ............................................................................................... 103

vi


Danh mục các bảng trong luận văn

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN

Bảng 3.1

Một số loại nút trong hệ thống điện ............................................................ 22

Bảng 3.2

Phân loại bài toán tối ưu phân bố công suất................................................ 29

Bảng 5.1

Dữ liệu cho trường hợp kiểm tra hệ thống 6 nhà máy .............................. 50

Bảng 5.2
So sánh kết quả tính tốn dùng phương pháp EPSO và NPSO trong hệ
thống 6 nhà máy...................................................................................................................... 51
Bảng 5.3
Dữ liệu cho trường hợp kiểm tra hệ thống 3 nhà máy có tính đến ảnh
hưởng của điểm van công suất ............................................................................................. 53
Bảng 5.4
So sánh kết quả tính tốn của các phương pháp (hệ thống 3 nhà máy) có
tính đến ảnh hưởng của điểm van công suất ...................................................................... 54
Bảng 5.5
Dữ liệu cho trường hợp kiểm tra hệ thống 13 nhà máy có tính đến ảnh
hưởng của điểm van công suất ............................................................................................. 55
Bảng 5.6
Phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy và chi phí tương ứng trong hệ
thống 13 nhà máy có tính đến ảnh hưởng của điểm van công suất.................................. 56

Bảng 5.7
So sánh kết quả tính tốn của các phương pháp trong hệ thống 13 nhà
máy có tính đến ảnh hưởng của điểm van công suất ........................................................ 57
Bảng 5.8
Dữ liệu cho trường hợp kiểm tra hệ thống 40 nhà máy có xét ảnh hưởng
của điểm van công suất ......................................................................................................... 58
Bảng 5.9
So sánh kết quả tính tốn của các phương pháp trong trường hợp hệ
thống 40 nút có xét ảnh hưởng của điểm van công suất ................................................... 60
Bảng 5.10 Công suất phát và chi phí trong trường hợp hệ thống 40 nhà máy có xét
ảnh hưởng của điểm van cơng suất ..................................................................................... 60
Bảng 6.1

Thông số máy phát mạng điện 5 nút. ........................................................... 67

Bảng 6.2

Thông số đường dây mạng điện 5 nút ......................................................... 68

Bảng 6.3

Thông số tải mạng điện 5 nút ....................................................................... 68

vii


Danh mục các bảng trong luận văn

Bảng 6.4

Điện áp nút mạng điện 5 nút ........................................................................ 68

Bảng 6.5

Các hệ số chi phí tính tốn mạng điện 5 nút .............................................. 69

Bảng 6.6

Kết quả phân bố công suất tối ưu mạng điện 5 nút ................................... 71

Bảng 6.7

Thông số máy phát mạng điện 6 nút ........................................................... 72

Bảng 6.8

Thông số đường dây mạng điện 6 nút ......................................................... 73

Bảng 6.9

Thông số tải mạng điện 6 nút ....................................................................... 73

Bảng 6.10

Điện áp nút mạng điện 6 nút ........................................................................ 73

Bảng 6.11

Các hệ số chi phí tính tốn mạng điện 6 nút .............................................. 74

Bảng 6.12

Kết quả phân bố công suất tối ưu mạng điện 6 nút ................................... 77

Bảng 6.13

Giới hạn điện áp và công suất mạng IEEE 30 nút ..................................... 78

Bảng 6.14

Các hệ số chi phí mạng IEEE 30 nút .......................................................... 79

Bảng 6.15 So sánh kết quả phân bố công suất tối ưu giữa các phương pháp trong
mạng IEEE 30 nút ................................................................................................................. 85

viii


Danh mục các hình trong luận văn

DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN

Hình 2.1

Đường cong chi phí phổ biến của nhà máy nhiệt điện ............................. 11

Hình 2.2

Hàm chi phí nhiên liệu của nhà máy nhiệt điện với 3 van nạp ................ 14

Hình 3.1

Mơ hình π cho đường dây hay máy biến áp. ............................................... 21

Hình 4.1

Bầy đàn trong tự nhiên .................................................................................. 36

Hình 4.2

Ngun lý thay đổi vị trí của thuật tốn PSO trong khơng gian 2-chiều. 39

Hình 4.3

Giải thuật PSO ............................................................................................... 41

Hình 4.4

So sánh hệ số  ở các phương pháp ............................................................ 43

Hình 5.1

Code mẫu hiệu chỉnh cơng suất phát .......................................................... 47

Hình 5.2

Sự hội tụ của NPSO trong trường hợp kiểm tra hệ thống 6 nhà máy ..... 51

Hình 5.3
Sự hội tụ của NPSO trong trường hợp kiểm tra hệ thống 3 nhà máy có

tính đến ảnh hưởng của điểm van cơng suất. ...................................................................... 54
Hình 5.4
Sự hội tụ của NPSO trong trường hợp kiểm tra hệ thống 13 nhà máy có
tính đến ảnh hưởng của điểm van cơng suất. ...................................................................... 57
Hình 5.5
Sự hội tụ của NPSO trong trường hợp kiểm tra hệ thống 40 nhà máy có
xét ảnh hưởng của điểm van cơng suất ............................................................................... 62
Hình 6.1

Lưu đồ giải thuật PSO ứng dụng vào bài tốn OPF .................................. 66

Hình 6.2

Sơ đồ mạng điện 5 nút .................................................................................. 67

Hình 6.3

Sơ đồ mạng điện 6 nút .................................................................................. 72

Hình 6.4

Mối quan hệ giữa chi phí theo số lượng vòng lặp mạng điện 6 nút ........ 76

Hình 6.5

Sơ đồ mạng điện IEEE 30 nút ...................................................................... 80

Hình 6.6

Cấu hình điện áp hệ thống IEEE 30 nút ..................................................... 86

Hình 6.7

Mối quan hệ giữa chi phí theo số lượng vòng lặp mạng IEEE 30 nút .... 87

ix


Chữ viết tắt trong luận văn

CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

PSO

Particle Swarm Optimization

ELD

Economic Load Dispatch

OPF

Optimal Power Flow

PF

Power Flow

GA

Genetic Algorithm

LP

Linear Programming

NLP

Nonlinear Programming

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

HVDC

High Voltage Direct Current

IEEE

Institute of Electrical and Electronic Engineering

FACTS

Flexible Alternating-Current Transmition Systems

x


Chữ viết tắt trong luận văn

TP

Total Power

TC

Total Cost

đvtđ

Đơn vị tương đối

MBA

Máy biến áp

PBCS

Phân bố công suất

xi


Chương 1: Tổng quan

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trên thế giới ngày nay nhu c ầu 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. Từ đó hệ thống điện cũng liên tục mở rộng, phát triển cả về nguồn và các
đường dây truyền tải. Do tính chất tiêu thụ điện ở các khu vực trong từng thời điểm là
khác nhau cho nên trào lưu công suất trên các đường dây truyền tải liên tục thay đổi
theo thời gian. 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 [25]. 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 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 Linear Programming [64, 65], Nonlinear
Programming, Newton-Raphson [24], Genetic Algorithm [18, 19], Differential
Evolution [20], Ant Colony Optimization [21], Interior Point Methods [50]… Trong sự
phát triển của trí tuệ nhân tạo, gần đây trong lĩnh vực công nghệ thông tin xuất hiện
thuật tốn PSO [1-4], 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

Trang 1


Chương 1: Tổng quan

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.
1.2. TÓM TẮT MỘT SỐ BÀI BÁO LIÊN QUAN
Một số nhà khoa học trên thế giới đã triển khai nghiên cứu thuật toán PSO và
ứng dụng vào trong hệ thống điện nhằm tìm ra cách điều khiển, phân bố cơng suất sao
cho hệ thống điện vận hành tối ưu, thời gian tính tốn ít hơn, chương trình chạy nhanh
hơn.
 Nhóm K.Vaisakh
 Bài báo: “Differential Evolution Approach for Optimal Power flow Solution ”.
Tác giả K.Vaisakh, L.R.Srinivas [20].
Bài báo trình bày ứng dụng giải thuật DE vào việc giải bài toán OPF. Hàm mục
tiêu có dạng bậc hai dùng để tính tốn là cực tiểu chi phí nhiên liệu máy phát với các
ràng buộc giới hạn công suất thực và công suất phản kháng máy phát, điện áp các nút,
đầu phân áp và dịng cơng suất trên các đường dây. Phương pháp đề xuất được ứng
dụng vào giải mạng điện IEEE 30 nút và kết quả được so sánh với các phương pháp:
EP, TS, SA.
 Nhóm Boumediène Allaoua
 Bài báo: “Optimal Power Flow Solution Using Ant Manners for Electrical
Network”. Tác giả Boumediène Allaoua, Abdellah Laoufi [21].
Bài báo trình bày phương pháp tính tốn dựa trên hành vi của đàn kiến và cách
thu nhận tin tức của chúng. Phương pháp này được ứng dụng vào việc giải bài tốn
OPF để cực tiểu chi phí nhiên liệu máy phát với các ràng buộc giới hạn công suất thực
và công suất phản kháng máy phát, điện áp các nút, đầu phân áp, tụ bù và dòng cơng

suất trên các đường dây. Mơ hình lựa chọn để tính tốn là mạng điện IEEE 30 nút và
kết quả được so sánh với các phương pháp EP, GA.

Trang 2


Chương 1: Tổng quan

 Nhóm Tarek Bouktir
 Bài báo: “A Genetic Algorithm for Solving the Optimal Power Flow Problem”.
Tác giả Tarek Bouktir, Linda Slimani, M. Belkacemi [19].
Bài báo trình bày việc giải bài toán OPF trong mạng điện lớn sử dụng phương
pháp giải thuật gen. Hàm mục tiêu dùng để tính tốn là cực tiểu chi phí nhiên liệu máy
phát với các ràng buộc công suất máy phát, điện áp các nút, tụ bù, đầu phân áp nằm
trong giới hạn cho phép. Thời gian tính tốn có thể giảm xuống bằng cách phân chia
các ràng buộc tối ưu thành ràng buộc tích cực để thao tác trực tiếp bằng giải thuật GA,
duy trì các ràng buộc thụ động trong giới hạn mềm sử dụng bài tốn dịng cơng suất
truyền thống. Mạng IEEE 30 nút được ứng dụng để kiểm tra sự hiệu quả của giải thuật.
Kết quả được so sánh với các cách giải khác của giải thuật GA và phương pháp EP.
 Nhóm Kyung-Il Min
 Bài báo: “An Economic Dispatch Algorithm as Combinatorial Optimization
Problems”. Tác giả Kyung-Il Min, Su-Won Lee, and Young-Hyun Moon [8].
Bài báo trình bày một phương pháp để giải bài toán điều phối kinh tế ELD với
hàm chi phí nhiên liệu trong miền lõm có dạng kết hợp (COP) trong khi hầu hết các
nghiên cứu trước đây đều dưới dạng bài toán tối ưu. Một miền lõm hàm chi phí có thể
chia thành một số hàm chi phí với miền lồi và mỗi miền lồi xem như một loại máy phát
khác nhau. Trong trường hợp này bài tốn ELD với miền lõm có thể xem dưới dạng
COP tìm khả năng tối ưu ở giữa tất cả các kết hợp khả thi của loại máy phát. Trong bài
báo này GA được sử dụng để giải bài toán COP. Bài báo này chia ra ba lo ại của bài
tốn ELD: ELD với điểm van cơng suất, ELD với máy phát sử dụng nhiều loại nhiên

liệu và ELD với vùng hoạt động không liên tục. Phương pháp đề xuất dùng để kiểm tra

Trang 3


Chương 1: Tổng quan

các trường hợp của bài toán ELD và kết quả cho thấy sự cải thiện của chi phí khi so
sánh với các phương pháp khác.
 Nhóm R.Balamurugan
 Bài báo: “Self-Adaptive Differential Evolution Based Power Economic
Dispatch of Generators with Valve-Point Effects and Multiple Fuel Options”.
Tác giả R.Balamurugan và S.Subramanian [22].
Bài báo trình bày phương pháp DE tự thích nghi để giải bài toán ELD trong
trường hợp hàm chi phí có xét đến điểm van cơng suất và sử dụng nhiều loại nhiên
liệu. Phương pháp đề xuất được kiểm tra trong mạng điện 13 nút có xét đến điểm van
công suất, mạng 10 nút sử dụng nhiều loại nhiên liệu kết hợp với điểm van công suất.
Kết quả được so sánh với các phương pháp khác cho thấy được sự hiệu quả của
phương pháp đề xuất.
 Nhóm Nidul Sinha
 Bài báo: “Evolutionary Programming Techniques for Economic Load
Dispatch”. Tác giả Nidul Sinha, R. Chakrabarti, and P. K. Chattopadhyay
[14].
EP là công cụ khá nổi bật trong việc giải bài toán tối ưu phi tuyến. Khá nhiều
cải tiến từ phương pháp EP cơ bản đã được đề xuất để cải tiến tốc độ tính tốn và áp
dụng thành cơng trong tính tốn tối ưu. Nhưng chỉ một vài ứng dụng được đề xuất để
giải bài tốn điều phối cơng suất ELD. Bài báo này trình bày việc ứng dụng EP để giải
bài tốn ELD với hàm chi phí lõm nơi mà các phương pháp có độ dốc cơ bản khơng
thể áp dụng được.
 Nhóm Yoshikazu Fukuyama

Trang 4


Chương 1: Tổng quan

 Bài báo: “A particle swarm optimization for reactive power and voltage control
considering voltage stability”. Tác giả Hirotaka Yoshida, Kenichi Kaw ata,
Yoshikazu Fukuyama, Yosuke Nakanishi [5].
Bài báo trình bày giải thuật PSO cho phân bố cơng suất phản kháng và điều
khiển ổn định điện áp. Đề xuất một phương pháp điều khiển biến liên tục và gián đoạn
như là giá trị hoạt động AVR, vị trí nấc OLTC và giá trị công suất phản kháng cần bù.
Phương pháp này cũng xem xét ổn định điện áp sử dụng kỹ thuật dịng cơng suất liên
tục. Tính khả thi của phương pháp đề xuất được chứng minh trên mô hình hệ thống
điện với kết quả khả quan.
 Bài báo: “A particle swarm optimization for reactive power and voltage control
considering voltage security assessment”. Tác giả Hirotaka Yoshida, Kenichi
Kawata, Yoshikazu Fukuyama, Shinichi Takayama, Yosuke Nakanishi [6].
Bài báo trình bày giải thuật PSO cho phân bố công suất phản kháng và điều
khiển điện áp (Volt/Var Control: VVC) xem xét đánh giá ổn định điện áp (VSA). Mục
đích của phương pháp mở rộng PSO nguyên thủy và xác định VVC với điều khiển biến
liên tục và gián đoạn như là AVR, giá trị hoạt động của máy phát, vị trí nấc OLTC của
máy biến áp và số lượng của thiết bị bù công suất phản kháng. Phương pháp cũng xem
xét vấn đề an ninh điện áp trong hệ thống điện sử dụng phân bố cơng suất liên tục.
Tính khả thi của phương pháp đề xuất được chứng minh trên kỹ thuật phân tích ngẫu
nhiên và so sánh với phương pháp tìm kiếm RTS (Reactive Tabu Search) và phương
pháp liệt kê trên mơ hình hệ thống điện với kết quả khả quan.
 Nhóm N. Mo

Trang 5

Chương 1: Tổng quan

- Bài báo: “Transient Stability Constrained Optimal Power Flow Using Particle Swarm
Optimization”. Tác giả N. Mo, Z.Y. Zou, K.W. Chan and T.Y.G. Pong [7].
Bài báo trình bày giải thuật PSO ứng dụng vào bài tốn OPF có ràng buộc quá
độ - ổn định điện áp. Bài toán OPF có ràng buộc quá độ - ổn định điện áp được xem
như là dạng mở rộng của bài toán OPF với thêm vào ràng buộc bất đẳng thức góc của
rotor. Trong bài báo này, hàm mục tiêu được xem xét là hàm cực tiểu chi phí nhiên liệu
của hệ thống.
 Nhóm Wichit Krueasuk
- Bài báo: “Optimal Placement of Distributed Generation Using Particle Swarm
Optimization”. Tác giả Wichit Krueasuk, Weerakorn Ongsakul. [10]
Bài báo đề xuất giải thuật PSO cho việc tìm kiếm vị trí tối ưu đặt máy phát phân
bố DG trong hệ thống phân phối để cực tiểu tổn thất cơng suất. Thuật tốn dùng để xác
định vị trí và kích cỡ của các máy DG. Ba loại máy DG được xem xét và phân bố dịng
cơng suất được sử dụng để tính tốn tổn thất. Kết quả cho thấy dùng giải thuật PSO có
được kết quả tốt hơn so với những phương pháp tìm kiếm đơn giản trên mạng 33 nút
và mạng 69 nút. PSO có thể giảm tối đa tổn thất cho mỗi trong ba loại máy DG đặt tại
vị trí tối ưu. Hơn nữa, cấu hình điện áp cũng được cải thiện và dòng điện trên các
nhánh cũng được giảm.
 Nhóm Kwang Y. Lee
- Bài báo: “Reactive Power Control Based On Particle Swarm Multi-Objective
Optimization”. Tác giả John G. Vlachogiannis, Kwang Y. Lee, Fellow, IEEE [11].
Trong nghiên cứu này giải thuật PSO cho vấn đề đa mục tiêu được trình bày, sự
đồng tiến hóa vector PSO song song, phân tích và áp dụng trong nhiều vấn đề đa mục

Trang 6

Chương 1: Tổng quan

tiêu trong Hệ thống điện, như là điều khiển cơng suất phản kháng là một hình thức tối
ưu hóa đa mục tiêu và tính tốn sử dụng PSO song song. Kết quả so sánh với những kỹ
thuật tính tiến hóa đa mục tiêu khác và cho thấy có những ưu việt của PSO song song.
 Tình hình nghiên cứu PSO trong nước
Hiện nay chưa có luận văn thạc sĩ, tiến sĩ, cơng trình nghiên cứu nào trong nước
về ứng dụng của thuật toán PSO trong Hệ thống điện được công bố.
1.3. NHẬN XÉT CHUNG VÀ HƯ ỚNG TIẾP CẬN
Bài tốn phân bố cơng suất tối ưu OPF đã được giải bằng nhiều phương pháp
khác nhau như đã nêu trong những bài báo ở trên.
Qua một số bài báo ở trên cho thấy các nhà khoa học trên thế giới đã ứng dụng
PSO vào trong Hệ thống điện và đã cho ra những kết quả khả quan so với các giải thuật
khác. Một ưu điểm của PSO là giải thuật đơn giản, số biến điều khiển nhỏ, chương
trình chạy nhanh.
Việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong việc giải các bài toán tối ưu ứng dụng trong
nhiều ngành, lĩnh vực đã và đang là xu thế trên thế giới.
Thuật tốn PSO có tuổi đời cịn khá non trẻ: ra đời vào năm 1995 và ngay lập
tức được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành: công nghệ thông tin, điều khiển tự
động, xây dựng… Do đó, nó đã được kiểm chứng hiệu quả và chấp nhận trong nhiều
lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực hệ thống điện, thuật toán này cũng đã được áp dụng
phổ biến trên thế giới.
PSO có những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp truyền thống khác:
 Thuật toán đơn giản và dễ dàng thực hiện.
 PSO tìm kiếm trong tất cả khơng gian bài tốn chứ khơng phải riêng từng điểm.

Trang 7

Chương 1: Tổng quan

 Hàm cập nhật vị trí của cá thể có độ dốc tự do, giúp cho chương trình chạy
nhanh.
 Tìm được điểm tối ưu tồn cục, bởi vì việc tính tốn dựa trên các cá thể riêng
biệt, khả năng tính tốn đồng thời.
 PSO sử dụng các hàm mục tiêu và hàm tính tốn độ phù hợp để trả về trực tiếp
kết quả. PSO thích hợp với những hàm mục tiêu không liên tục, không khả vi
tồn tại phổ biến trong hệ thống điện.
 PSO có khả năng tìm kiếm trong những vùng khơng gian phức tạp, khơng chắc
chắn để tìm ra lời giải tối ưu tồn cục do đó nó linh hoạt và tốt hơn các phương
pháp truyền thống khác.
 Có khả năng giải quyết bài toán với các biến rời rạc chẳng hạn như nấc phân áp
máy biến áp.
1.4. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
1.4.1. Giải bài tốn điều phối cơng suất
 Ứng dụng thuật tốn PSO giải bài tốn điều phối cơng suất ELD với hàm chi phí
nhiên liệu trơn.
 Ứng dụng thuật tốn PSO giải bài tốn điều phối cơng suất ELD với hàm chi phí
nhiên liệu có xét ảnh hưởng của điểm van cơng suất.
1.4.2. Giải bài tốn phân bố cơng suất OPF
 Ứng dụng thuật toán PSO giải bài toán OPF trong mạng điện 5 nút.
 Ứng dụng thuật toán PSO giải bài toán OPF trong mạng điện 6 nút.
 Ứng dụng thuật toán PSO giải bài toán OPF trong mạng điện IEEE 30 nút.
1.5. ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Luận án này đề xuất thuật toán PSO cải tiến để giải bài toán tối ưu trong hệ
thống điện và cho ra những kết quả tính tốn tốt hơn các phương pháp khác.

Trang 8

Chương 1: Tổng quan

Luận án này đề xuất thuật toán PSO cải tiến để giải bài tốn điều phối cơng suất
ELD với hàm chi phí nhiên liệu trơn và hàm chi phí nhiên liệu có xét ảnh hưởng của
điểm van cơng suất.
Luận án này đề xuất thuật tốn PSO cải tiến để giải bài toán OPF và đã ứng
dụng thành công trong mạng điện 5 nút, 6 nút và IEEE 30 nút.

Trang 9


Chương 2: Bài tốn điều phối cơng suất ELD

CHƯƠNG 2

BÀI TỐN ĐIỀU PHỐI CƠNG SUẤT ELD

2.1. GIỚI THIỆU
Để hệ thống điện hoạt động hiệu quả và tin cậy thì một số kỹ thuật đã được phát
triển để tính tốn xác định dự báo công suất và mức công suất phát. Điều phối công
suất là một trong các kỹ thuật trên để điều chỉnh biến điều khiển và phân phối công
suất cho hệ thống điện hoạt động tối ưu. Điều phối cơng suất có hai cách: điều phối
cơng suất thực và điều phối cơng suất phản kháng. Bài tốn điều phối kinh tế tìm điểm
hoạt động tối ưu để phân phối công suất thực giữa các nhà máy nhằm giảm thấp nhất
chi phí sản xuất. Điều phối cơng suất phản kháng dùng để cực tiểu tổn thất hệ thống,
nâng cao hiệu suất và khả năng tận dụng nguồn.
Bài toán điều phối công suất làm cải thiện việc hoạt động ổn định của hệ thống
điện. Thường làm giảm mơ hình hệ thống điện, làm đơn giản các giải pháp chi phí về
chất lượng. Việc sử dụng đúng đắn và chính xác hơn các mơ hình sản lượng điện làm

cho lời giải bài tốn tốt hơn nhưng vấn đề khó khăn cũng tăng lên đáng kể.
Mơ hình phổ biến cải tiến bài tốn điều phối kinh tế bao gồm: hàm chi phí có
xét ảnh hưởng của điểm van công suất, vùng hoạt động không liên tục và sự chuyển
đổi các loại nhiên liệu; các loại ràng buộc an ninh hệ thống điện như giới hạn dịng
cơng suất, dự trữ cơng suất máy phát và cấu hình điện áp. Trong chương này chúng tơi
trình bày hệ thống các biểu thức của bài toán điều phối kinh tế với hàm chi phí trơn
dạng bậc hai cổ điển và hàm chi phí có xét ảnh hưởng của điểm van cơng suất.
2.2. BÀI TỐN ĐIỀU PHỐI KINH TẾ CỔ ĐIỂN

Trang 10


Chương 2: Bài tốn điều phối cơng suất ELD

Bài tốn điều phối kinh tế cổ điển là bài toán tối ưu nhằm xác định công suất
phát ra của các nhà máy để đạt đến kết quả là cực tiểu chi phí vận hành [31, 32]. Hàm
mục tiêu của bài tốn điều phối kinh tế cổ điển là cực tiểu tổng chi phí hệ thống điện
với hàm mục tiêu có dạng tổng của hàm chi phí ở mỗi nhà máy. Phân phối công suất
sao cho cân bằng giữa công suất phát và phụ tải với điều kiện nằm trong vùng khả năng
phát của mỗi nhà máy.
2.2.1. Hàm mục tiêu
Hàm mục tiêu của bài toán điều phối kinh tế cổ điển là cực tiểu tổng chi phí hệ
thống điện (2.1) bằng cách hiệu chỉnh công suất phát của mỗi nhà máy kết nối với lưới
điện. Tổng chi phí được biểu diễn bằng hàm tổng của các chi phí ở mỗi nhà máy.
NG

min  Fi ( PG )
i 1

(2.1)

i

Trong đó Fi ( PG ) là hàm chi phí của nhà máy thứ i, PG là công suất thực phát ra
i

i

của nhà máy thứ i và NG là tổng số lượng các nhà máy kết nối với hệ thống điện.

Hình 2.1: Đường cong chi phí phổ biến của nhà máy nhiệt điện

Trang 11


Chương 2: Bài tốn điều phối cơng suất ELD

Mỗi hàm chi phí của nhà máy thiết lập mối quan hệ giữa nhà máy và hệ thống
thông qua khả năng phát cơng suất với chi phí phát của nhà máy. Thơng thường các
nhà máy được mơ hình bằng hàm chi phí trơn như trong (2.2) để đơn giản bài toán tối
ưu và khả năng ứng dụng các kỹ thuật truyền thống để tính tốn.

Fi ( PG )  ai  bi PG  ci PG2
i

i

(2.2)

i

Trong đó ai, bi, ci là hệ số chi phí của hàm chi phí nhà máy thứ i.
2.2.2. Ràng buộc đẳng thức
Ràng buộc cân bằng công suất: Ràng buộc cân bằng công suất là ràng buộc đẳng
thức dùng để giảm bớt công suất hệ thống dựa trên nguyên lý cơ bản cân bằng giữa
tổng công suất nhà máy phát với tổng tải của hệ thống. Cân bằng chỉ xảy ra khi tổng

P

công suất nhà máy phát

Gi

bằng với tổng tải trong hệ thống PD cộng thêm một

lượng tổn hao PL được biểu diễn như trong (2.3).
NG

P
i 1

Gi

 PD  PL

(2.3)

Tổn thất trong hệ thống có thể xác định một cách chính xác nhờ phương pháp
phân luồng cơng suất. Một cách điển hình để ước lượng tổn thất bằng cách mơ hình
chúng dạng hàm của hệ thống nhà máy phát sử dụng công thức tổn thất của Kron (2.4).

Một số cách khác để mơ hình hóa tổn thất là sử dụng hệ số phạt hoặc xem tổn thất là
hằng số.
NG NG

NG

PL   PG Bij PG  PG Bi 0 B00
i 1 j 1

i

i

j 1

i

(2.4)

Trong đó Bij , Bi0 , B00 gọi là tổn thất hay hệ số B.
2.2.3. Ràng buộc bất đẳng thức

Trang 12


Chương 2: Bài tốn điều phối cơng suất ELD

Giới hạn cơng suất thực phát ra: Mỗi nhà máy có giới hạn thấp nhất PGmin và giới
i

hạn cao nhất PGmax phát cơng suất vì nó phụ thuộc vào cấu trúc của máy phát. Các giới
i

hạn trên được định nghĩa bằng một cặp của ràng buộc bất đẳng thức (2.5).

PGmin  PG  PGmax , i = 1,…, NG
i

i

i

(2.5)

2.3. BÀI TOÁN ĐIỀU PHỐI KINH TẾ VỚI HÀM CHI PHÍ NHIÊN LIỆU
KHƠNG TRƠN
Các nhà máy phát thường được mơ hình hóa sử sụng hàm chi phí trơn như trong
hình 2.1 để biểu diễn mối quan hệ giữa công suất phát ra và chi phí s ản xuất. Hàm chi
phí loại này có ưu điểm là làm đơn giản bài toán điều phối kinh tế và khả năng sử dụng
nhiều kỹ thuật áp dụng vào để giải bài toán này. Trong một số trường hợp, biểu diễn
dưới dạng bậc hai khơng mơ hình hết được đặc điểm của nhà máy điện, do đó cần mơ
hình chính xác hơn để cho kết quả tốt hơn trong việc giải bài tốn điều phối kinh tế.
Mơ hình chính xác hơn thường có dạng hàm phi tuyến hơn, khơng trơn và nằm trong
miền lõm. Một số ví dụ của hàm chi phí khơng trơn là: hàm chi phí có xét ảnh hưởng
điểm van cơng suất [31-36], hàm bậc hai liên tục từng khúc gồm hàm có nhiều loại
nhiên liệu [37], [39], [40] và hàm có vùng ho ạt động khơng liên tục [39]. Trong đó,
hàm chi phí nhiên liệu có xét ảnh hưởng điểm van cơng suất được sử dụng khá phổ
biến trên thế giới.
2.3.1. Đặc điểm của bài tốn điều phối kinh tế với điểm van cơng suất
Nhà máy điện thường sử dụng nhiều van để điều khiển công suất phát của nhà

máy [31-36]. Trong giai đoạn đầu khi van nạp hơi nước được mở trong nhà máy nhiệt
điện, chi phí do tổn hao gia tăng một cách đột ngột làm cho hàm chi phí có độ nhấp
nhơ như hình 2.2. Hiệu ứng này được gọi là điểm van cơng suất. Loại bài tốn này vơ

Trang 13