Nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn điện

..

Ngô ánh tuyết

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
-----------------------------

luận văn thạc sỹ khoa học
Kinh tế năng lượng
2004-2006
Hà Nội
2006

ngành: Kinh tế năng lượng

nghiên cứu nâng cao hiệu quả
sử dụng các nguồn điện

Ngô ánh tuyết

hà nội 2006


Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
-----------------------------

luận văn thạc sỹ khoa học

nghiên cứu nâng cao hiệu quả

sử dụng các nguồn điện
ngành: Kinh tế năng lượng
MÃ số:
Ngô ánh tuyết

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Trần träng phóc

hµ néi 2006


Mục lục
Mở đầu ............................................................................................................ 1
Mục đích nghiên cứu của luận văn ..................................................................... 3
Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ................................................ 4
Chương 1: Lý thuyết chung về hiệu quả và sử dụng hiệu
quả các nguồn điện ................................................................................ 5
1.1. Hiệu quả các nguồn điện ........................................................................ 5
1.1.1. Đặt vấn đề ......................................................................................... 5
1.1.2. Hiệu quả và đánh giá hiệu quả kinh tế-xà hội các nguồn điện......... 5
1.2. Sử dụng hiệu quả các nguồn điện.......................................................... 7
1.2.1. Đặt vấn đề ......................................................................................... 7
1.2.2. Cơ sở lý thuyết về phân phối tối ưu .................................................. 8
1.2.2.1. Sơ lược lịch sử phát triển toán tối ưu ........................................ 8
1.2.2.2. Bài toán tối ưu cơ bản ............................................................... 9
1.2.2.3. Phương pháp giải bài toán tối ưu ............................................ 10
1.2.3. Các bài toán tối ưu hoá hệ thống điện ............................................ 11
1.2.3.1. Một số mô hình tối ưu hoá hệ thống điện trên thế giới .......... 11
1.2.3.2. Các bài toán tối ưu hoá hệ thống điện .................................... 12
1.3. Mô hình và phương pháp giải bài toán tối ưu hoá hệ thống điện .... 16
1.3.1. Đặt vấn đề ....................................................................................... 16

1.3.2. Mô hình bài toán tối ưu hoá hệ thống điện..................................... 16
1.3.2.1. Bài toán tổng quát................................................................... 16
1.3.2.2. Nguyên tắc mô hình hoá hệ thống điện.................................. 17
1.3.2.3. Hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc ............................. 19
1.3.3. Phương pháp giải bài toán tối ưu hệ thống điện ............................. 28
TóM TắT CHƯƠNG 1 .................................................................................. 30
Chương 2: Phân tích sử dụng hiệu quả các nguồn điện..... 31
2.1. Giới thiệu chung về hiện trạng và xu hướng phát triển cđa hƯ thèng
®iƯn ViƯt Nam............................................................................................... 31


2.2. ứng dụng mô hình phân phối tối ưu phát triển hệ thống điện ......... 34
2.2.1. Đặt bài toán phân phối tối ưu phát triển hệ thống điện .................. 34
2.2.2. Sơ đồ khối ....................................................................................... 35
2.3. Tính toán tối ưu phát triển cho hệ thống điện Việt Nam giai đoạn
đến năm 2020 ............................................................................................... 37
2.3.1. Mô tả lại hệ thống điện Việt Nam theo mô hình tối ưu.................. 37
2.3.2. Phương án và cơ sở dữ liệu đầu vào................................................ 41
2.3.2.1. Phương án ............................................................................... 41
2.3.2.2. Cơ sở dữ liệu đầu vào ............................................................. 41
2.3.3. Kết quả và nhận xét ........................................................................ 42
2.3.3.1. Kết quả chạy mô hình ............................................................ 42
2.3.3.2. Nhận xét kết quả..................................................................... 43
2.4. Phân tích đánh giá hiệu quả các nguồn điện...................................... 53
2.4.1. Nhận định chung ............................................................................ 53
2.4.2. Phân tích đánh giá về xà hội ........................................................... 53
2.4.3. Phân tích đánh giá về kinh tế .......................................................... 54
2.4.4. Kết luận .......................................................................................... 63
TóM TắT CHƯƠNG 2 .................................................................................. 64
Chương 3: Một số giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng

các nguồn điện........................................................................................ 65
3.1. Đánh giá vai trò kinh tế của các nguồn điện trong hệ thống điện ... 65
3.2.1. Vai trò tổng hợp của các nguồn điện trong hệ thống ..................... 65
3.2.2. Vai trò của bản thân các nguồn điện ............................................. 66
3.2.2.1. Vai trò kinh tế của các nguồn thủy điện ................................ 67
3.2.2.2. Vai trò kinh tế của các nguồn nhiệt điện................................ 68
3.2.2.2. Vai trò kinh tế của các nguồn điện nguyên tử ........................ 70
3.2.2.2. Vai trò kinh tế của các nguồn điện sản xuất từ năng lượng mới
và tái tạo.................................................................................. 71


3.2. Các căn cứ khoa học chung nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng các
nguồn điện .................................................................................................... 72
3.3. Một số giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn điện .......... 74
3.3.1. Giải pháp 1: Nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn thuỷ điện ...... 74
3.3.1.1. Các căn cứ khoa học nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn
thuỷ điện ................................................................................. 74
3.3.1.2. ứng dụng một số giải pháp cụ thể nâng cao hiệu quả sử dụng
các nguồn thuỷ điện................................................................ 75
3.3.1.3. Kết quả mong đợi về kinh tế-xà hội ....................................... 76
3.3.2. Giải pháp 2: Nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn nhiệt điện ..... 77
3.3.2.1. Các căn cứ khoa học nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn
nhiệt điện ................................................................................ 77
3.3.2.2. ứng dụng một số giải pháp cụ thể nâng cao hiệu quả sử dụng
các nguồn nhiệt điện ............................................................... 78
3.3.2.3. Kết quả mong đợi về kinh tế-xà hội ....................................... 79
3.3.3. Giải pháp 3: Nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn điện khác ...... 79
3.3.2.1. Các căn cứ khoa học nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn
điện khác................................................................................. 80
3.3.2.2. ứng dụng một số giải pháp cụ thể nâng cao hiệu quả sử dụng

các nguồn điện khác ............................................................... 81
3.3.2.3. Kết quả mong đợi về kinh tế-xà hội ....................................... 82
3.4. Kết luận.................................................................................................. 82
TóM TắT CHƯƠNG 3 .................................................................................. 83
Kết luận ...................................................................................................... 84
Tài liệu tham khảo ................................................................................ 86
Phụ lục
Phụ lục 1: Số liệu đầu vào
Phụ lục 2: Kết quả mô hình tèi ­u


1

Mở ĐầU

Trong những năm qua, sự phát triển về kinh tế xà hội Việt Nam tương đối
cao và ổn định. Tốc độ tăng trưởng GDP bình quân luôn ở mức 7-8%/năm.
Trong những năm qua Việt Nam cũng không ngừng góp phần tích cực vào các
hoạt động đa phương như hội nghị thượng đỉnh APEC13, ASEAN 11, Đông á
lần thứ nhất, á- Phi lần thứ 2tăng cường vai trò và vị thế của Việt Nam trên
trường quốc tế, đồng thời góp phần cho công tác hội nhập kinh tế quốc tế. Đến
nay, sau 11 năm tìm đường vào Tổ chức thương mại quốc tế (WTO), chiều
ngày 07/11/2006, Việt Nam đà chính thức được công nhận là thành viên của
WTO. Sự kiện này góp phần khẳng định vị trí của Việt Nam trên trường quốc
tế, đồng thời mở ra cho Việt Nam nhiều cơ hội và thách thức mới. Theo báo
cáo định h­íng ph¸t triĨn kinh tÕ - x· héi trong 5 năm tới (2006-2010), mục
tiêu đặt ra là tốc độ tăng tổng sản phẩm trong nước (GDP) đạt bình quân 7.58%/năm. GDP tới năm 2010 đạt khoảng 1,760 ngàn tỷ đồng, tương đương 9498 tỷ USD. GDP bình quân đầu người đạt 1,050-1,100.
Đi đôi với sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế xà hội, vấn đề sử dụng năng
lượng cũng được quan tâm đặc biệt, bởi năng lượng là đầu vào cơ bản cho mọi
lĩnh vực, mọi quá trình hoạt ®éng.

HƯ thèng ®iƯn lµ hƯ thèng quan träng trong hƯ thống năng lượng của mọi
quốc gia. Điện năng là sản phẩm đặc biệt trong nền kinh tế quốc dân, có vai
trò to lớn trong đời sống nhân dân và là đầu vào của nhiều ngành kinh tế khác
nhau. Điện năng là loại hàng hoá đặc biệt, không giống như các loại sản phẩm
khác có thể cất vào kho hay để dành. Điện sản xuất ra phải được tiêu thụ ngay
nếu không sẽ bị tiêu hao gây lÃng phí tiền của. Mỗi quốc gia đều có những
chính sách khác nhau nhằm hạn chế tối đa việc sử dụng lÃng phí loại hµng hãa


2

này. Bởi lý do mỗi kWh điện bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố như vốn đầu tư
lớn, phụ thuộc vào thời tiết và các nguồn năng lượng sơ cấp (than, dầu, khí,...).
Bên cạnh đó, nhu cầu điện luôn ở tình trạng bị quá tải so với khả năng cung
cấp.
Đối với nước ta, mặc dù Nhà nước cũng như ngành Điện đà và đang tích
cực tìm kiếm cơ hội và giải pháp cho công tác đầu tư, xây dựng các nguồn
điện mới để đáp ứng cho nhu cầu điện tăng nhanh. Tuy nhiên, do các công
trình điện có qui mô và vốn đầu tư lớn, thời gian xây dựng lâu trong khi Việt
Nam đang ở hoàn cảnh của một nước đang phát triển, thiếu vốn đầu tư, trình
độ khoa học công nghệ thấp. Nhu cầu điện tăng trưởng cao 14-15%/năm, khả
năng đáp ứng của nền kinh tế thấp nên vấn đề thiếu năng lượng đang là một
rủi ro tiềm ẩn. Hơn nữa, lượng điện năng hiện nay phụ thuộc tới 56% vào thuỷ
điện cũng có tác động không nhỏ tới độ an toàn và khả năng cung cấp năng
lượng điện. Hậu quả của việc không đáp ứng đủ nhu cầu điện sẽ cản trở sự
tăng trưởng kinh tế. Bởi vậy đáp ứng cho nhu cầu của hiện tại và tương lai một
cách hợp lý và hiệu quả luôn là bài toán được quan tâm đặc biệt.
Hiện nay, qui mô của hệ thống điện Việt Nam ngày một lớn và phức tạp
hơn trong tương lai. Bên cạnh việc xây dựng mới hàng loạt các công trình
điện, củng cố về chất lượng và qui mô phân phối, ngành điện còn phát triĨn

theo h­íng phï hỵp víi xu thÕ héi nhËp kinh tế quốc tế và khu vực của đất
nước. Trong tương lai, thị trường điện sẽ ngày một lớn mạnh hơn, chúng ta dự
kiến sẽ thành lập tập đoàn Điện lực để củng cố sự phát triển của ngành điện
nói riêng và góp phần phát triển kinh tế chung của cả nước.
Xuất phát từ thực tế đó luận văn chọn đề tài Nghiên cứu nâng cao hiệu
quả sử dụng các nguồn điện. Luận văn không đặt mục tiêu xây dựng một
phương pháp khác để giải bài toán qui hoạch phát triển hệ thống điện mà chỉ
vận dụng mô hình bài toán tối ưu hoá hệ thống điện để giải bài toán tối ưu
phát triển hệ thống điện Việt Nam giai đoạn đến năm 2020. Trên cơ sở kết quả


3

thu được sẽ phân tích, đánh giá hiệu quả kinh tế - xà hội của các nguồn điện
trong hệ thống điện nhằm tìm hiểu và làm rõ những yếu tố cơ bản ảnh hưởng
đến hiệu quả sử dụng thực tế của các nguồn điện hiện tại và tương lai. Qua đó
nghiên cứu đề xuất hướng nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn điện.
Luận văn tập trung vào các nội dung như sau:
a) Tìm hiểu lý thuyết chung và lập luận về hiệu quả và sử dụng hiệu quả
các nguồn điện. Nghiên cứu nắm bắt phương pháp, mô hình tính toán
tối ưu phát triển hệ thống điện.
b) Tìm hiểu tổng quan về hiện trạng và xu hướng phát triển hệ thống điện
Việt Nam. Tính toán tối ưu phát triển hệ thống điện Việt Nam có xét
đến đặc tính nguồn phát và đường dây truyền tải giai đoạn đến năm
2020.
c) Đánh giá hiệu quả kinh tế - xà hội của các nguồn điện trong hệ thống.
d) Trên cơ sở kết quả thu được tiến hành tổng hợp, phân tích, đánh giá vai
trò của các nguồn điện, đề xuất một số giải pháp mang tính định hướng
nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn điện trong bối cảnh hiện tại
và tương lai.

Mục đích nghiên cứu của luận văn
Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp không chỉ bởi đặc thù sản phẩm
điện năng mà còn bởi phương thức vận hành đặc biệt của hệ thống. Việc sử
dụng nguồn điện năng sao cho hợp lý nhằm tối thiểu hoá chi phí vận hành mà
vẫn đáp ứng nhu cầu tiêu thụ luôn là vấn đề cần giải quyết của vận hành kinh
tế hệ thống điện. Mục đích nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu phương pháp
và mô hình tối ưu phát triển hệ thống điện và ứng dụng vào tính toán tối ưu
phát triển hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015 và 2020.
Tổng hợp kết quả và phân tích hiệu quả sử dụng của các nguồn điện trong
hệ thống điện và nghiên cứu đề xuất một số giải pháp mang tính định hướng


4

nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn điện trong bối cảnh hiện tại và xu
thế phát triển trong tương lai.
Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn là hệ thống điện Việt Nam
với các nguồn thuỷ điện, nhiệt điện đà được phê duyệt theo tổng sơ đồ 5.
Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu tài liƯu, thu thËp sè
liƯu vµ vËn dơng lý thut bµi toán qui hoạch tuyến tính để tính toán tối ưu
phát triển hệ thống điện có xét đến đặc tính nguồn phát và đường dây truyền
tải. Trên cơ sở kết quả thu được sẽ tiến hành phân tích và đánh giá hiệu quả
kinh tế-xà hội các nguồn điện nhằm tìm hiểu và đề xuất giải pháp nâng cao
hiệu quả sử dụng trong bối cảnh hiện tại xu hướng phát triển trong tương lai.
Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Trần Trọng Phúc đà tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm
ơn gia đình tôi, bạn bè và các đồng nghiệp của tôi đà khích lệ, động viên, giúp
đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

5

Chương 1
Lý thuyết chung về hiệu quả
và sử dụng hiệu quả các nguồn điện
1.1.

Hiệu quả các nguồn điện

1.1.1. Đặt vấn đề
Chúng ta biết rằng điện năng là nguồn năng lượng quan trọng trong đời
sống sinh hoạt của người dân nói riêng và đời sống kinh tế xà hội nói chung.
Đặc biệt là khi đời sống ngày một nâng cao thì nhu cầu sử dụng năng lượng
nói chung và năng lượng điện nói riêng lại càng cao. Điện năng là dạng năng
lượng đặc biệt quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, đóng vai trò là ngành
công nghiệp then chốt. Ngành công nghiệp điện không chỉ có ý nghĩa quan
trọng cho các ngành công nghiệp khác mà cùng với tất cả các ngành kinh tế
nó cũng đóng góp một phần cho GDP quốc gia, góp phần giải quyết các vấn
đề thuộc về kinh tế-xà hội, môi trường và an ninh quốc phòng.
1.1.2. Hiệu quả và đánh giá hiệu quả kinh tế - xà hội các nguồn điện
Nhận định chung về hiệu quả là người ta xem xét đến vấn đề các nguồn lực
có được sử dụng tối đa không hay các nguồn lực đó bị tiêu phí?
Hiệu quả ở đây nghĩa là không lÃng phí. Khi ta xem xét dựa trên sự khan
hiếm các nguồn lực cho sản xuất, sản xuất hiệu quả nhất chính là cho phép sản
xuất được tối đa các loại hàng hóa theo nhu cầu thị trường đồng thời sử dụng
được đầy đủ năng lực sản xuất. Hiệu quả kinh tế là một mối quan tâm đặc biệt
trong các khoa học nghiên cứu về kinh tế cũng nh­ trong ®êi sèng kinh tÕ-x·
héi nãi chung.
Sù tháa m·n tối đa về số lượng, chất lượng hàng hóa theo nhu cầu thị

trường trong giới hạn về năng lực sản xuất cho phép ta đạt được hiệu quả kinh
tế cao nhất. Việc đạt được hiệu quả kinh tế cao nhất cho phép tạo khả năng
tăng trưởng kinh tế nhanh và tÝch lịy lín.


6

Hiệu quả kinh tế là tiêu chuẩn cao nhất của mọi sự lựa chọn kinh tế. Về cơ
bản hiệu quả kinh tế được đo lường dựa trên nguồn lực đầu vào và sản lượng
đầu ra sản xuất được:

H

kt

=

K
E

dv

(1.1)

dr

Trong đó,
K dv là lượng nguồn lực đầu vào cho quá trình sản xuất, (đơn vị:
nguồn lực)
E dr là sản lượng đầu ra sản xuất được dựa trên nguồn lực đầu vào,

(đơn vị: sản lượng)
H kt là hiệu quả kinh tế đo được, (đơn vị: nguồn lực/ sản lượng)
Công thức (1.1) cho biết để sản xuất được một đơn vị đầu ra thì tiêu phí
bao nhiêu nguồn lực đầu vào. Hiệu quả kinh tế là lớn nhất khi sản lượng đầu
ra tối đa và mức tiêu phí nguồn lực tối thiểu.
Với các nguồn điện, hiệu quả của các nguồn điện chính là tổng hợp các giá
trị kinh tế và xà hội mà chúng đem lại cho một quốc gia, được đặc trưng bằng
các chỉ tiêu định tính và định lượng.
Hiệu quả này có thể xác định theo công thức (1.1) hoặc cũng có thể được
nhận định bằng mức chênh lệch giữa lượng đầu ra sản xuất tối đa trên thực tế
với khả năng sản xuất cực đại :
H cl = N tn - N tt

(1.2)

Trong đó,
N tn là tiềm năng sản xuất có thể có được.
N tr là lượng đầu ra sản xuất tối đa trên thực tế.
H cl là hiệu quả kinh tế đo được, hay mức chênh lệch giữa lượng
tiềm năng cực đại và lượng sản xuất thực tế tối đa.
Các nguồn điện cùng với hệ thống truyền tải, phân phối tạo thành một hệ
thống phức tạp. Việc vận hành hệ thống không chỉ đòi hỏi hiệu quả về mặt kỹ


7

thuật mà còn đòi hỏi hiệu quả về mặt kinh tế, hiệu quả về mặt xà hội cũng như
các vấn đề khác về môi sinh, môi trường.
Xét riêng bản thân mỗi nguồn điện (mỗi nhà máy điện) trong nền kinh tế
quốc dân, cũng hoạt động và thực hiện các chức năng sản xuất-kinh doanh

như một doanh nghiệp. Hiệu quả của mỗi nguồn điện chính là lợi ích mà nó
mang lại từ việc cung cấp sản phẩm điện năng cho hoạt động sản xuất và phục
vụ cho mọi mặt xà hội, góp phần mang lại lợi ích quốc gia trên nhiều mặt kinh
tế-xà hội, chính trị và môi trường.
Trong một hệ thống điện, bản thân mỗi nguồn điện không chỉ tồn tại và
phát triển một mình. Các nguồn điện ở trong mét hƯ thèng cã sù kÕt hỵp víi
nhau. Sù kÕt hợp giữa các nguồn điện tạo nên cả hệ thống điện hợp nhất, phức
tạp và tạo điều kiện phát huy hiệu quả của mỗi nguồn điện. Hiệu quả tổng hợp
của cả hệ thống điện chính là hiệu quả từ sự kết hợp đồng bộ giữa các nguồn
điện. Việc vận hành hệ thống một cách tối ưu, hợp lý sẽ nâng cao tính ổn định
và đem lại lợi ích kinh tế-xà hội cao nhất có thể. Hệ thống điện luôn tồn tại và
có tác động qua lại với nhiều hệ thống ngành khác trong tổng thể nền kinh tế
của một quốc gia.
Để nhận biết và đánh giá được hiệu quả của bản thân các nguồn điện cũng
như của cả hệ thống điện, người ta thường phải tiến hành các phân tích đánh
giá trên nhiều mặt về kinh tế, chính trị xà hội, môi trường sinh thái, an ninh
quốc phòng cùng với sự quan tâm của nhiều cấp, ngành khác nhau.
1.2.

Sử dụng hiệu quả các nguồn điện

1.2.1. Đặt vấn đề
Phụ tải điện thay đổi theo thời gian, tăng giảm hàng ngày, hàng tuần. Mặt
khác, vì điện năng là dạng năng lượng đặc biệt được truyền đi với tốc độ ánh
sáng và không thể dự trữ được nên sản xuất phải luôn sẵn sàng để đáp ứng kịp
thời những thay đổi bất ngờ của phụ tải. Tuy nhiên, các máy phát (hay các
nguồn điện) khác nhau thì khác nhau về kỹ thuật- công nghệ, nhiên liệu sử
dụng, giá thành sản xuất điện, suất chi phí sản xuất và khả năng đáp ứng

8

những thay đổi của phụ tải. Hơn nữa, điện năng là năng lượng thứ cấp mà
thường được sản xuất từ các dạng năng lượng sơ cấp khác như than, dầu, khí,
... Đây là những nguồn năng lượng khan hiếm và đang ngày một cạn kiệt
trong tương lai. Chính bởi vậy làm thế nào để đảm bảo độ tin cậy cung cấp
điện mà vẫn tiết kiệm chi phí vận hành vẫn luôn là thách thức đặt ra cho chính
bản thân ngành điện và cho cả nền kinh tế-xà hội.
Đặc biệt hiện nay điện là nguồn năng lượng không thể thiếu trong đời sống
kinh tế xà hội. Với những đặc thù riêng về qui mô, đầu tư cũng như tính chất
hệ thống của ngành điện, việc sử dụng các nguồn điện sao cho hiệu quả và tối
ưu luôn phải được xem xét để đảm bảo định hướng các chính sách đầu tư, xây
dựng và vận hành hệ thống một cách hữu hiệu, đáp ứng tốt nhu cầu phát triển
đồng thời tiết kiệm nguồn tài nguyên của đất nước.
1.2.2. Cơ sở lý thuyết vỊ ph©n phèi tèi ­u
Lý thut ph©n phèi tèi ­u với cơ sở xuất phát từ toán tối ưu đà là một
trong những công cụ hết sức đắc lực góp phần hiệu quả cho các nhà vận hành
kỹ thuật cũng như các nhà hoạch định chiến lược khi nghiên cứu vận hành tối
ưu hệ thống hay khi phải đưa ra các quyết định hợp lý.
1.2.2.1. Sơ lược lịch sử phát triển toán tối ưu
Toán tối ưu đà xuất hiện từ lâu trên thế giới, nó có thể chia thành hai nhóm
phương pháp khi giải bài toán tối ưu, đó là:
- Nhóm phương pháp vi phân giải tích mà những người đặt nền móng là
Newton, Lagrange, Cauchy và Leibnitz;
- Nhóm phương pháp số phải kể đến những người khởi xướng là
Bernoulli, Euler, Lagrange và Weirstrass;
Lagrange có công trong việc đi đầu giải quyết phương pháp tính của bài
toán tối ưu có ràng buộc;
Cauchy là người đầu tiên công bố nghiên cứu ứng dụng phương pháp độ
giảm dốc nhất để giải quyết các bài toán cực tiểu không ràng buộc.

9

Tuy r»ng to¸n tèi ­u cã tõ rÊt sím nh­ng phải đến những năm 1950 với sự
phát triển của máy tính thì nhiều phương pháp tối ưu mới thực sử phát triển
với nhiều kỹ thuật và phương pháp được áp dụng vào giải quyết các bài toán
thực tế.
Quy hoạch tuyến tính bắt nguồn từ những nghiên cứu của nhà toán học
Nga nổi tiếng, viện sỹ Kantorovich L.V được nêu trong một loạt công trình về
bài toán kế hoạch hoá sản xuất, công bố năm 1938. Năm 1947, nhà toán học
Mỹ Dantzig đà nghiên cứu và đề xuất phương pháp Đơn hình (Simplex
method) để giải các bài toán Quy hoạch tuyến tính.
Sự xuất hiện quy hoạch động (QHĐ) gắn liền với nhà bác học Mỹ
R.Bellman. Năm 1957 Bellman công bố nguyên tắc tối ưu để giải các bài toán
Quy hoạch động. Chính nhờ tính đơn giản và tính tường minh của nguyên tắc
này mà phương pháp QHĐ tỏ ra đặc biệt hấp dẫn.
Năm 1951 Kuhn và Tucker đà đưa ra những điều kiện cần và đủ để có
nghiệm tối ưu của bài toán quy hoạch đà đặt nền móng để giải quyết các bài
toán Quy hoạch phi tuyến sau này. Những năm 1960 Duffin, Zener và
Peterson đà xây dựng thuật toán Quy hoạch ràng buộc hình học.
Trong thập kỷ qua đà phát triển thêm một số dạng mới về thuật toán quy
hoạch như: thuật toán di truyền, thuật toán tối ưu mô phỏng và phương pháp
hệ thần kinh cơ sở. Thuật toán di truyền là phương pháp tìm kiếm dựa trên
nguyên lý cơ học của quá trình chọn lọc tự nhiên và di truyền trong sinh học.
Thuật toán tối ưu mô phỏng lại dựa theo quá trình tôi ủ của các chất rắn. Còn
phương pháp hệ thần kinh cơ sở thì giải quyết vấn đề dựa trên năng lượng tiêu
hao hiệu quả của hoạt động hệ thần kinh trung tâm.
1.2.2.2. Bài toán tối ưu cơ bản
Bài toán tối ưu hoá cơ bản được phát biểu như sau: 1

1

Quy hoạch toán học


10

Cực đại hoá (cực tiểu hoá) hàm:
f(x) max (min)

(1.3)

Với các điều kiện:
g i (x) (, =, ) b i ; i = 1, m
x X Rn

(1.4)

(1.5)

Bài toán (1.3) ữ (1.5) được gọi là một qui hoạch, hàm f(x) được gọi là hàm
mục tiêu, các hàm g i (x), i = 1, m được gọi là các hàm ràng buộc, mỗi đẳng
thức hoặc bất đẳng thức trong hệ (1.4) được gọi là một ràng buộc.
Tập hợp: D = {x ∈ X g i (x) (≤, =, ≥) b i ; i = 1, m } (1.6) được gọi là miền
ràng buộc (hay miền chấp nhận được). Mỗi điểm x = (x 1 , x 2 ,…x n ) D được
gọi là một phương án (hay một lời giải chấp nhận được). Một phương án x*
D đạt cực đại (hay cực tiểu) của hàm mục tiêu, cụ thể là:
f(x*) f(x), x D (đối với bài toán max)
f(x*) f(x), x D (đối với bài toán min)

được gọi là phương án tối ưu (lời giải tối ưu). Khi đó f(x*) được gọi là giá trị
tối ưu của bài toán.
1.2.2.3. Phương pháp giải bài toán tối ưu
Có nhiều phương pháp giải bài toán tối ưu như: phương pháp qui hoạch
tuyến tính, phương pháp qui hoạch động, phương pháp đại số, phương pháp
Lagrang . Trong đó, phương pháp qui hoạch tuyến tính là phương pháp cơ
bản nhất và được vận dụng để giải rất nhiều bài toán tối ưu. 2
Quy hoạch tuyến tính là một trong những lớp bài toán tối ưu được nghiên
cứu trọn vẹn về cả lý thuyết lẫn thực hành.
Quy hoạch tuyến tính có vị trí quan trọng trong tối ưu hoá vì: thứ nhất, là
mô hình đơn giản, dễ áp dụng; thứ hai là nhiều bài toán quy hoạch nguyên và

2

Quy hoạch toán học


11

quy hoạch phi tuyến có thể xấp xỉ với độ chính xác cao bởi một dÃy các bài
toán quy hoạch tuyến tính (hay nói cách khác các bài toán quy hoạch phức tạp
khác có thể chuyển về dạng quy hoạch tuyến tính)
1.2.3. Các bài toán tối ưu hoá hệ thống điện
Việc lựa chọn chiến lược phát triển tối ưu hệ thống điện có đặc điểm cơ
bản là lựa chọn phương án hợp lý trong tập nhiều phương án phát triển khác
nhau về cơ cấu nguồn điện, về thời gian xây dựng, các mối tương quan giữa
nguồn điện và vùng phụ tảiTrong phương án tối ưu các nguồn điện đều phải
đang vận hành và truyền tải tại thời kỳ xem xét sao cho thoả mÃn nhu cầu tiêu
thụ đà biết theo không gian và thời gian.
1.2.3.1. Một số mô hình tối ưu hoá hệ thống điện trên thế giới

Trên thế giới hiện nay đà có rất nhiều phần mềm tính toán tối ưu hệ thống
điện, trong đó một số chương trình đà được du nhập vào nước ta như:
- Phương pháp EFOM-ENV
- Phương pháp BLANCE trong tổ hợp ENPEP
- Chương trình LP-ESPS cấp B của ETB.
- Chương trình LP trong tổ hợp MARKAL MODEL
- Chương trình WASP III, MESSAGE, PDPAT II .
Tuy nhiên những chương trình này khi được áp dụng vẫn không hoàn toàn
phù hợp với điều kiện cũng như cấu trúc hệ thống điện Việt Nam. Ví dụ
chương trình WASP III và PDPAT II là hai chương trình được ứng dụng khá
phổ biến nhưng vẫn có hạn chế. Đó là chương trình WASP III chỉ coi toàn bộ
hệ thống là một nút duy nhất và không tính đến sự trao đổi giữa các vùng cũng
như không xét đến giới hạn tải của các đường dây liên kết. Còn chương trình
PDPAT II thì không tạo ra các phương án để tối ưu hoá, người dùng sẽ phải tự
lập các phương án đưa vào tính toán, sau đó lấy kết quả để so sánh tìm phương
án tốt hơn. Để khắc phục những nhược điểm của hai chương trình này người ta
đà nghiên cứu việc kết hợp cả hai chương trình để giải bài toán tối ưu. Nhưng


12

không phải lúc nào việc ứng dụng các mô hình sẵn có cũng là tốt bởi sự thay
đổi liên tục của cấu trúc hệ thống theo thời gian và không gian.
1.2.3.2. Các bài toán tối ưu hoá hệ thống điện
Mục đích của bài toán phân phối tối ưu trong hệ thống điện là xác định các
khả năng mà cung (các nguồn điện là các tổ máy hoặc nhà máy) thỏa mÃn cầu
(các mức phụ tải cần đáp ứng) với chi phí thấp nhất đồng thời thỏa mÃn các
ràng buộc vận hành của hệ thống về sản xuất và truyền tải.
a) Bài toán tối ưu hoá truyền thống
Theo phương pháp này người ta tìm phương án tối ưu bằng cách tối thiểu

hoá chi phí trong thời kỳ xem xét và so sánh để tìm phương án có chi phí cực
tiểu. Có hai phương pháp tối thiểu hoá chi phí như sau:
- Tối thiểu hoá toàn bộ tổng chi phí trong giai đoạn phát triển T
- Tối thiểu hoá chi phí hàng năm
Tối thiểu hoá toàn bộ tổng chi phí trong giai đoạn phát triển T:
Tổng chi phí tính toán bao gồm chi phí đầu tư và chi phí vận hành hàng
năm trong suốt giai đoạn phát triển T. Tổng chi phí này sẽ được cập nhật từ
năm đầu tiên cho đến năm cuối cùng của giai đoạn T và được quy đổi về năm
(năm được chọn làm mốc so sánh) theo hệ số quy đổi i. Hàm tổng chi phí
quy ®ỉi ®­ỵc tÝnh nh­ sau:
T

τ− t

C = ∑ C t (1 + i )
t =1

→ min
(1.7)

Trong ®ã,
C t = C đt + C vh , là chi phí trong năm t bao gồm cả chi phí đầu tư C đt vµ
chi phÝ vËn hµnh C vh .
i lµ hƯ sè quy đổi, với công trình năng lượng thường lấy i = 0.08ữ0.12
T là giai đoạn tính toán phát triển (t=1ữT), th­êng T = 5, 10, 15, 20.


13

= 0, tổng chi phí tính toán được quy đổi về năm đầu tiên của giai đoạn

T. = T, tổng chi phí tính toán được quy đổi về năm cuối cùng của giai đoạn
tính toán.
Theo cách này, tổng chi phí tính toán được quy đổi về năm để so sánh
tìm phương án tối ưu.
Tối thiểu hoá chi phí hàng năm:
Thông thường để tiện cho việc tính toán và so sánh, thường chỉ nhận một
trong hai giá trị là bằng 0 hoặc bằng T:
Khi = 0, chi phí tính toán hàng năm sẽ là:

C

hn

=

1


t

T

i

(1+i )

T

C (1 + i )
t =1

t

min

(1.8)

Trong đó,
là hệ số quy đổi giá trị hiện tại thành dòng tiền ®Ịu

i


1 −


(1+i )

−T





Khi τ = T, chi phÝ tÝnh to¸n hàng năm sẽ là:

C

hn

=




t

T

i

(1+i )

T

1


C (1 + i )
t =1

t

min

(1.9)

Trong đó,
i


1


(1+i )

T





là hệ số quy đổi giá trị tương lai thành dòng tiền đều

Bằng cách quy đổi này, toàn bộ chi phí tính toán của các phương án ở các
thời điểm khác nhau trong giai đoạn tính toán sẽ được đưa về giá trị đều hàng
năm để so sánh tìm phương án tối ưu.
b) Bài toán đánh giá theo lợi nhuận tối đa


14

ở bài toán này, người ta không những lượng hoá được các giá trị tương
đương cho các thành phần chi phí khác nhau ở các thời điểm khác nhau mà
còn lượng hoá được các giá trị lợi nhuận hàng năm. Các chỉ tiêu thường được
sử dụng theo phương pháp này là: Giá trị hiện tại thuần (NPV-Net present
Value), suất thu lợi nội tại (IRR-Internal Rate of Return), tỷ số lợi Ých vµ chi

phÝ (B/C-Benfit/Cost Ratio), thêi gian hoµn vèn chiÕt khấu (t hv -Discounted pay
of time). 3
Giá trị hiện tại thuần (NPV-Net present Value):
NPV là lợi nhuận ròng của một phương án đánh giá được quy đổi về thời
điểm hiện tại thông qua hệ số chiết khấu i.
n

NPV = ( B t − C t ).(1 + i) − t
t =0

(1.10)

Trong ®ã :
i : hƯ sè chiÕt khÊu
B t : là doanh thu năm thứ t , (t = 1,2,…n )
C t : lµ chi phÝ (chi phÝ vËn hành và bảo dưỡng hàng năm, chi phí
đầu tư ban đầu) tại năm t , (t = 0,1,n ).
(1 + i)-t : hệ số chiết khấu
Nếu giá trị NPV:

NPV > 0 : Phương án có hiệu quả
NPV < 0 : Phương án không hiệu quả
NPV= 0 : Phương án hoà vốn

Suất thu lợi nội tại (IRR-Internal Rate of Return)
Suất thu lợi nội tại IRR là hệ số chiết khấu khi NPV = 0 . Tøc lµ hƯ sè chiÕt
khÊu lµm giá trị hiện tại hoá của thu nhập bằng giá trị hiện tại hoá của chi phí.
Nó phản ánh mức lÃi suất mà bản thân phương án đem lại.
Nghĩa là:
n

NPV = ∑ NCFt .(1 + IRR) −t = 0
t =0

3

Kinh tế kỹ thuật phân tích và lựa chọn dự án ®Çu t­

(1.11)


15

IRR của phương án phải lớn hơn mức lÃi suất tối thiểu có thể chấp nhận
được (MARR-Minimum attractive rate of return).
Tỷ số lợi ích và chi phí (B/C-Benfit/Cost Ratio)
B/C là tỷ số giữa tổng giá trị hiện tại của thu nhập và tổng giá trị hiện tại

của chi phí trong suèt thêi gian xem xÐt.
n

B
=
C

∑ B (1 + i)

−t

∑ C (1 + i)

t

t =0
n

t =o

t

(1.12)

t

Nếu B/C >1 thì phương án có hiệu quả.
Nếu B/C =1 thì phương án hoà vốn.
Nếu B/C <1 thì phương án không hiệu quả.
Phương án chấp nhận được là phương án có B/C 1.
Thời gian hoµn vèn chiÕt khÊu (t hv -Discounted pay of time)
Thêi gian hoàn vốn (t hv ) có tính đến chiết khấu được tính trên cơ sở cân
bằng giữa tổng giá trị hiện tại của thu nhập và tổng giá trị hiện tại của chi phí,
tương ứng với số năm mà tổng giá trị hiện tại của lÃi bằng 0.
n

NPV = ∑ NCFt .(1 + IRR) −t = 0
t =0

(1.13)

t hv là thời gian cần thiết để mức thu nhập đạt được bằng số vốn đầu tư ban

đầu. Mức thu nhập ở đây là thu nhập sau khi đà trừ đi các khoản chi phí và
thuế nhưng không trừ đi khấu hao.
Phương án chấp nhận được nếu t hv Phương án có t hv min là tối ưu.
Như vậy, việc đánh giá các phương án để tìm phương án tối ưu dựa vào các
chỉ tiêu trên như sau:
- Các phương án có NPV 0 sẽ được lựa chọn. Trong các phương án loại
trừ nhau phương án nào có NPV max sẽ được chọn.
- Phương án tốt là phương án có IRR lín, tøc lµ IRR max lµ tèi ­u.


16

- Phương án tốt là phương án có B/C lớn, tức là B/C max là tối ưu.
Nhìn chung, NPV, IRR, B/C càng lớn thì phương án càng hấp dẫn và dễ là
phương án tối ưu. Tuy nhiên khi sử dụng phương pháp này để so sánh lựa
chọn phương án tối ưu cần lưu ý rằng quá trình tính toán diễn ra rất phức tạp
bởi sự có mặt của nhiều yếu tố nên rất dễ đưa thêm vào các ý chủ quan trong
quá trình chọn lựa.
Nói tóm lại có nhiều phương pháp và nhiều bài toán để hỗ trợ phân phối tối
ưu hệ thống điện, tuy nhiên tùy vào đặc điểm cơ thĨ cđa tõng hƯ thèng, tõng
qc gia, tõng khu vực mà ứng dụng phương pháp và bài toán nào cho phù
hợp nhất.
1.3.

Mô hình và phương pháp giải bài toán tối ưu hoá hệ thống điện

1.3.1. Đặt vấn đề
Bài toán tối ưu hoá công suất phát của hệ thống điện thường được xây dựng
dưới dạng mô hình toán học phi tuyến. Việc giải bài toán có thể ứng dụng các

mô hình toán học khác nhau dưới dạng phi tuyến như qui hoạch lồi, qui
hoạch động nhưng rất phức tạp. ở đây, bài toán sẽ được nghiên cứu để
xây dựng và giải theo phương pháp qui hoạch tuyến tính.
1.3.2. Mô hình bài toán tối ưu hoá hệ thống điện
1.3.2.1. Bài toán tổng quát
Bài toán tổng quát của qui hoạch tuyến tính ở đây có dạng: 4
Tìm cực tiểu của hàm mục tiêu:
t

Z = ci xi
i =1

{ i= 1n}

Với các điều kiện ràng buộc tuyến tính liên quan như sau:
a ij X i b j

4

Quy hoạch toán học

{ j = 1,2..m }


17

Khi X i 0
Trong đó,
X i là biến số phải tìm của bài toán tối ưu. Với hệ thống điện đây chính
là giá trị công suất.

C i là hệ số trong hàm mục tiêu, thường là suất chi phí (gồm cả suất chi
phí vốn đầu tư và chi phí vận hành) của đối tượng cần tối ưu. Với hệ thống
điện đây chính là suất tăng chi phí cho một đơn vị điện năng (kWh).
a ij là các hệ số chỉ mức độ hiệu quả hoặc các chỉ số mô tả sự liên quan
hay ràng buộc về kinh tế-kỹ thuật của đối tượng cần tối ưu khi diễn giải theo
ngôn ngữ toán học.
b j là các giá trị cho trước của điều kiện j
1.3.2.2. Nguyên tắc mô hình hóa hệ thống điện
Hệ thống điện sẽ được chia thành từng miền theo khu vực địa lý, mỗi miền
là một nút trong mô hình tối ưu. Tại mỗi miền đó đều có một đồ thị phụ tải
ngày điển hình của từng miền. Mục tiêu của bài toán tối ưu là tìm lời giải để
phủ kín nhu cầu theo đồ thị phụ tải các miền với tổng chi phí hệ thống là nhỏ
nhất.
Các nguồn điện trong từng miền sẽ cạnh tranh nhau về chi phí để tham gia
phủ đồ thị phụ tải miền đó. Ngoài ra các nguồn điện ở miền khác với chi phí
phù hợp (bao gồm cả chi phí sản xuất và chi phí truyền tải giữa các miền) có
khả năng cạnh tranh với các nguồn điện trong vùng cũng có thể tham gia phủ
đồ thị phụ tải miền đó.
Xét đồ thị phụ tải điển hình ngày đêm của một miền nào đó:


18

Mỗi nguồn điện trong một miền có từ 1ữ24 biến ứng với 1ữ24 bậc công
suất trong đồ thị phụ tải ngày đêm. Tuy nhiên theo đồ thị này sẽ không mô tả
được tính chất phức tạp về chi phí nhiên liệu cho sản xuất điện (với các nhà
máy nhiệt điện) và khó xác định vị trí làm việc của các nhà máy trên đồ thị
phụ tải. Vì ví dụ vào một giờ nào đó, một nhà máy điện bất kỳ có thể làm việc
ở cả 3 chế độ (chạy nền, chạy lưng và chạy đỉnh). Chi phí nhiên liệu cho 3 chế
độ này (với nhà máy nhiệt điện) khác nhau bởi vậy nếu ghép chúng vào một

biến thì không mô tả được đặc điểm ở 3 chế độ này.
Vấn đề này được giải quyết bằng cách sắp xếp lại đồ thị phụ tải ngày đêm
thành đồ thị phụ tải triển khai với giá trị công suất giảm dần từ trái sang phải.
Trên đồ thị phụ tải triển khai có tối đa là 24 bậc. Dựa vào đồ thị này ta sẽ chọn
lại biến số là các số gia công suất khi đi từ bậc thang này sang bậc thang
khác.


19

Số gia công suất là mức chênh lệch công suất giữa hai bậc trong đồ thị
phụ tải triển khai. Mỗi bậc trên đồ thị thể hiện rõ nhà máy tham gia phủ bậc
nào của đồ thị thì phải có số giờ làm việc bằng số giờ của bậc đó (bậc trên
cùng là 1 giờ, bậc dưới cùng là 24 giờ).
Tóm lại các biến số đưa vào mô hình không phải là các thành phần công
suất tương ứng cho từng giờ mà sẽ là các thành phần số gia công suất. Và hệ
số chi phí cũng là suất chi phí để sản xuất điện khi đi từ bậc thang này sang
bậc thang khác, hay chính là chi phí biên (MC) để sản xuất thêm một đơn vị
điện năng.
1.3.2.3. Hàm mục tiêu và các điều kiện ràng buộc
a) Xây dựng hàm mục tiêu và tính toán các hệ số chi phí cho hàm mục tiêu:
Hàm mục tiêu
Như vậy từ những phân tích trên cho thấy, nếu hệ thống điện có N nút thì
một nhà máy điện ở nút i sẽ có N khả năng cung cấp điện (N thành phần công
suất gia tăng) và nhà máy này cũng sẽ có N hệ số chi phí tương ứng với N
thành phần công suất gia tăng(1 cho chính nút i và (N-1) cho các vùng lân
cận).
Thành phần công suất gia tăng cho chính nút i gọi là giá trị gia tăng thành
phần công suất sở tại. Đây chính là phần tăng công suất của một nhà máy ở

20

nút i phải cung cấp cho một bậc thang nào đó của đồ thị phụ tải triển khai tại
nút i.
Thành phần công suất gia tăng cho (N-1) nút còn lại gọi là giá trị gia tăng
thành phần công suất liên vùng. Đây chính là phần tăng công suất của một nhà
máy ở nút i phải cung cấp cho một bậc thang nào đó của đồ thị phụ tải triển
khai tại nút j lân cận.
Do đó ta có thể viết hàm mục tiêu của bài toán tối ưu này như sau:
N −1 l j K
 mi K ii

ij
ii
ji

= ∑ ∑∑ C imK .∆ PimK . 1 − β .t mK + ∑∑∑ C jlK .∆ P jlK . 1 − γ − β .t lK 
m
dd
l


i =1 m =1 K =1
j =1 l =1 K =1


Trong ®ã,

(

N

Z min

)

(

)

N: sè nót
l j : số nhà máy điện ở nút j
m i : số nhà máy điện ở nút i
K: số bậc phụ tải nút i
m : Tỷ lệ điện tự dùng của nhà máy m
t mK : độ dài làm việc của nhà máy m tại bậc công suất K
l : Tỷ lệ điện tự dùng của nhà máy l
t lK : độ dài làm việc của nhà máy l tại bậc công suất K
P imK : giá trị công suất gia tăng của nhà máy m, tại nút i, bậc K
P jlK : giá trị công suất gia tăng của nhà máy liên vùng l chuyển từ nút j
đến nót i, bËc K.
γ dd : tû lƯ tỉn thÊt khi truyền tải trên đường dây

C

ii
imK

: suất chi phí tính toán của nhà máy m đặt tại nút i, cung cấp điện

cho bậc phụ tải K của chính nút i.

C

ji
jlK

: suất chi phí tính toán của nhà máy liên vùng l đặt tại nút j, cung

cấp điện cho bậc phụ tải K của nút i. (suất chi phí này ngoài suÊt chi phÝ nhµ