Áp dụng giải thuật tìm kiếm sinh vật lai tối ưu vị trí đặt tụ bù trong lưới điện phân phối có xét đến nhiều mức phụ tải khác nhau

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

LÊ MINH LUÂN

ÁP DỤNG GIẢI THUẬT TÌM KIẾM SINH VẬT LAI
TỐI ƯU VỊ TRÍ ĐẶT TỤ BÙ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
CÓ XÉT ĐẾN NHIỀU MỨC PHỤ TẢI KHÁC NHAU

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số

: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh - Tháng 01 năm 2020


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Võ Ngọc Điều
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Lê Thị Tịnh Minh
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Đinh Hoàng Bách
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 04 tháng 01 năm 2020
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm,
học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS.TS. Nguyễn Văn Liêm
2. TS. Lê Thị Tịnh Minh
3. TS. Đinh Hoàng Bách
4. PGS.TS. Vũ Phan Tú

5. TS. Nguyễn Nhật Nam
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Lê Minh Luân

MSHV: 1870638

Ngày, tháng, năm sinh: 22 tháng 10 năm 1980.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện.

Nơi sinh: Củ Chi - TP. Hồ Chí Minh

Mã số : 8520201.

I. TÊN ĐỀ TÀI: Áp dụng giải thuật Tìm kiếm sinh vật lai tối ưu vị trí đặt tụ bù
trong lưới điện phân phối có xét đến nhiều mức phụ tải khác nhau.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu vấn đề bù tối ưu công suất phản kháng trong lưới điện phân phối 22 kV, áp
dụng giải thuật Tìm kiếm sinh vật cơng sinh lai để giải bài tốn tối ưu vị trí đặt tụ bù
trong lưới phân phối có xét đến nhiều mức phụ tải khác nhau, nhằm mục tiêu cực tiểu hóa
chi phí vận hành hệ thống.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19.8.2019.
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08.12.2019.
IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Võ ngọc Điều

Tp. HCM, ngày . . . . tháng …. năm 2020.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

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

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được Luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tơi cịn nhận
được sự giúp đỡ rất quý giá từ các Thầy, Cô và bạn bè đồng nghiệp.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy PGS.
TS. Võ Ngọc Điều, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy, động viên và cung cấp
nhiều kiến thức quý báu cho tơi trong suốt q trình làm luận văn cũng như trong q
trình học tập tại giảng đường.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý Thầy, Cô của Khoa Điện –
Điện tử và các Quý Thầy, Cô của Phòng Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Bách
khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình đào tạo, giảng dạy và
tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi nói riêng và các học viên nói chung trong suốt thời
gian học tập tại Trường.

Tơi cũng xin được tỏ lịng biết ơn đối với tất cả các nhà khoa học là tác giả của
các tài liệu mà tôi đã tham khảo trong Luận văn này.
Bên cạnh đó, tơi cũng trân trọng cảm ơn những người thân u trong gia đình
đã ln bên cạnh tơi để động viên, ủng hộ để tơi có được những điều kiện tốt nhất cho
việc học tập, nghiên cứu của mình.
Sau cùng, cho tơi được gửi lời cảm ơn chân tình đến bạn bè đồng nghiệp và
Ban Lãnh đạo Cơng ty Điện lực Củ Chi đã quan tâm giúp đỡ, hỗ trợ và tạo điều kiện
tốt nhất cho tôi yên tâm công tác và học tập.


TÓM TẮT
Trong quản lý vận hành lưới điện phân phối, việc đảm bảo độ tin cậy cung
cấp điện, giảm tổn thất công suất, nâng cao chất lượng điện luôn là vấn đề được quan
tâm hàng đầu. Có nhiều phương pháp để cải thiện chất lượng điện áp, giảm tổn thất
công suất như tái cấu hình lưới điện, cân bằng tải, nâng cấp điện áp, sử dụng tụ bù...
Luận văn này tập trung nghiên cứu về vấn đề tối ưu vị trí tụ bù để giảm tổn thất cơng
suất, nâng cao hệ số công suất của hệ thống điện phân phối hình tia bằng giải thuật
Tìm kiếm sinh vật cộng sinh lai (HSOS) nhằm mục tiêu giảm thiểu chi phí vận hành
để tăng tiết kiệm ròng hàng năm của hệ thống điện phân phối. Giải thuật HSOS là sự
kết hợp giữa giải thuật Tìm kiếm sinh vật cộng sinh (SOS) và phép nội suy bậc hai
đơn giản nhằm cải thiện chất lượng giải pháp và tăng tốc độ hội tụ. Luận văn này đã
sử dụng giải thuật HSOS cho bài toán tối ưu vị trí và dung lượng tụ bù đối với hệ
thống phân phối IEEE 33 và 69 nút ở các mức tải khác nhau, đồng thời so sánh với
một vài phương pháp khác để thấy được hiệu quả của giải thuật HSOS. Kết quả so
sánh đã chỉ ra rằng HSOS có thể cho ra một lời giải tốt hơn các phương pháp khác.
Luận văn này cũng áp dụng giải thuật HSOS để tối ưu vị trí tụ bù cho một phát tuyến
phân phối thực tế của huyện Củ Chi. Kết quả của bài toán đã cho thấy khả năng áp
dụng các giải thuật tìm kiếm nói chung, giải thuật HSOS nói riêng vào hệ thống điện
thực tế cũng rất khả quan.

ABSTRACT
In the management and operation of the distribution systems, ensuring
reliability of power supply, reducing power loss, improving electricity quality are
always a top concern. There are many methods to improve voltage profile, reduce
power loss such as distribution system reconfiguration, load balancing, voltage
upgrades, installing capacitor banks, etc. This thesis focused on the problem of
optimizing the capacitor allocation to reduce power loss, improve the power factor of
the radial distribution systems by Hybrid Symbiotic Organisms Search (HSOS)
algorithm to minimize the operating cost so that increase the annual net savings of the
electricity distribution system. HSOS algorithm is a combination of Symbiotic
Organisms Search (SOS) algorithm and simple quadratic interpolation to improve the
solution quality and convergence rate. This thesis has applied the HSOS algorithm for
the optimal capacitors location and sizing problem of the IEEE 33 and 69-bus radial
distribution networks with different load levels, and compared to those from the other
optimization methods to see the effectiveness of the HSOS algorithm. The results
comparison has shown that HSOS algorithm can provide a better solution than other
methods. This thesis also applied HSOS algorithm to optimize the location and sizing
of the capacitor banks for the real distribution feeder of Cu Chi district. The results of
the problem have shown that the ability to apply search algorithms in general, HSOS
algorithms in particular to the real distribution radial system is also very positive.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng: Luận văn Thạc sĩ “Áp dụng giải thuật Tìm kiếm Sinh
vật lai tối ưu vị trí đặt tụ bù trong lưới điện phân phối có xét đến nhiều mức phụ tải
khác nhau” là cơng trình nghiên cứu riêng của tơi, khơng sao chép lại của người khác,
không gian lận hay nhờ người khác làm hộ. Tồn bộ nội dung luận văn được trình bày
bởi chính cá nhân tơi và tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau. Các nội dung
tham khảo, trích dẫn đều được ghi nguồn rõ ràng và hợp pháp.

Bằng lời cam đoan này, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình
thức kỷ luật nếu phát hiện tơi có vi phạm các quy định, quy chế về đào tạo sau đại học
của Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 12 năm 2019

Lê Minh Luân


i

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ .................................................................................... vi
Chương 1. MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1
1.1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................................. 1
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài ...................................................................................... 2
1.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................................... 2
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ........................................... 5
2.1. Giới thiệu ......................................................................................................................... 5
2.1.1. Điều chỉnh hệ số công suất ........................................................................................ 8
2.1.2. Định nghĩa bù công suất phản kháng ........................................................................ 9
2.1.3. Các dạng bù công suất phản kháng ........................................................................... 9
2.1.3.1. Bù theo phương pháp tự nhiên ......................................................................... 10
2.1.3.2. Bù công suất phản kháng Q ............................................................................. 12
2.1.4. Các vị trí lắp đặt tụ bù ............................................................................................. 16
2.1.4.1. Bù phân tán (còn gọi là bù trực tiếp) ............................................................... 17
2.1.4.2. Bù theo nhóm ................................................................................................... 18
2.2. Một số phương pháp bù cơng suất phản kháng ............................................................. 20

2.2.1. Mơ hình tính bù theo điều kiện cực tiểu tổn thất cơng suất .................................... 20
2.2.2. Tính bù cơng suất phản kháng theo điều kiện cực tiểu tổn thất điện năng .............. 21
2.2.3. Tính bù nâng cao hệ số cosφ đến giá trị cần thiết ................................................... 21
2.2.4. Tính bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp .............................................................. 22
2.2.5. Tính bù theo điều kiện cực tiểu các chi phí tính tốn .............................................. 25
2.2.6. Tính bù theo chỉ tiêu tối đa hóa các tiết kiệm.......................................................... 27
2.3. Tổng quan một số kỹ thuật đã được áp dụng cho bài tốn tối ưu vị trí tụ bù trên lưới
điện phân phối ....................................................................................................................... 29
2.4. Giới thiệu sơ lược về các bài báo có liên quan đến vấn đề tối ưu hóa vị trí và dung
lượng tụ bù trong lưới điện phân phối .................................................................................. 31
Chương 3. THÀNH LẬP BÀI TỐN TỐI ƯU VỊ TRÍ TỤ ĐIỆN (OCP)TRONG LƯỚI ĐIỆN
PHÂN PHỐI ............................................................................................................................. 39
3.1. Cơ sở phát triển bài toán ................................................................................................ 39
3.2. Thành lập bài toán OCP ................................................................................................. 41
3.3. Một số phương pháp đã được sử dụng để giải bài toán OCP ........................................ 42
3.3.1. Giải thuật Tìm kiếm Cuckoo (Cuckoo Search)…………………………… ………42
3.3.2. Giải thuật Hòa âm cải tiến (Improved Harmony Algorithm - IHA)……………... ..47
3.3.2.1. Giới thiệu giải thuật Tìm kiếm Hịa âm……………………………………… 47
3.3.2.2. Giải thuật Hòa âm cải tiến………………………………………………... ….48
3.3.3. Giải thuật Thụ phấn hoa (Flower Pollination Algorithm - FPA)…………………. 51
3.3.1. Giải thuật di truyền .................................................................................................. 54
3.3.2. Giải thuật tối ưu bầy đàn PSO (Particle Swarm Optimization)............................... 57
3.3.3. Giải thuật tối ưu hóa vi khuẩn tìm kiếm thức ăn: .................................................... 61


ii

3.3.4. Giải thuật Tabu Search ............................................................................................ 64
Chương 4. ÁP DỤNG THUẬT TOÁN HSOS CHO BÀI TOÁN OCP................................... 68
4.1. Tổng quan ...................................................................................................................... 68

4.2. Giới thiệu phương pháp HSOS ...................................................................................... 69
4.2.1. Giới thiệu về thuật toán SOS (Sympiosis Organisms Search) ................................ 69
4.2.1.1. Giai đoạn tương sinh:....................................................................................... 69
4.2.1.2. Giai đoạn hội sinh: ........................................................................................... 70
4.2.1.3. Giai đoạn ký sinh: ............................................................................................ 70
4.2.2. Thuật tốn Tìm kiếm sinh vật cộng sinh lai (HSOS) .............................................. 72
4.2.2.1. Khởi tạo: .......................................................................................................... 75
4.2.2.2. Tiêu chí dừng: .................................................................................................. 76
4.2.3. Phương pháp tổng quát ............................................................................................ 76
4.3. Áp dụng giải thuật HSOS để tối ưu vị trí và dung lượng tụ bù cho lưới điện phân phối
chuẩn IEEE 33 nút và 69 nút ................................................................................................ 79
4.3.1. Lưới phân phối IEEE-33 nút ................................................................................... 81
4.3.2. Lưới phân phối IEEE 69 nút.................................................................................... 86
Chương 5. ÁP DỤNG GIẢI THUẬT HSOS CHO BÀI TOÁN OCP ĐỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN
THỰC TẾ ................................................................................................................................. 93
5.1. Tổng quan lưới điện phân phối (lưới trung thế) của huyện Củ Chi ............................... 93
5.2. Áp dụng giải thuật HSOS tối ưu vị trí và cơng suất tụ bù cho lưới điện thực tế huyện Củ
Chi......................................................................................................................................... 93
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 101
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 103
PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................................ 110
PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................................ 112
PHỤ LỤC 3 ............................................................................................................................ 104


iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACO

Ant Colony Optimization

BA

Beese Algorithm

BFA

Bacterial Foraging Algorithm

CBO

Cluster Based Optimization

CSA

Cuckoo Search Algorithm

CSPK

Công suất phản kháng

CSTD

Công suất tác dụng

DE

Differential Evolution

DE-PS

Differential evolution and pattern search

DP

Dynamic Programming

DSA

Direct Search Algorithm

FES

Fuzzy Expert System

FPA

Flower Pollination Algorithm

GA

Genetic Algorithm

HSOS

Hybrid Symbiotis Organisms Search

IBPSO

Improved Binary Particle Swarm Optimization

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IHA

Improved Harmony Algorithm

IPM

Inside Points Method

IPSO

Improved Particle Swarm Optimization

IQP

Intergers Quadratic Programming

KĐB

Không đồng bộ

LSF

Loss Sensitivity Factor

MILP

Mixed Interger Linear Programming

MST

Minimal Spanning Tree

NST

Nhiễm sắc thể


iv

NYS

Net Yearly Savings

OCP

Optimal Capacitors Placement

PBA

Particle Bee Algorithm

PF

Power Factor

PFC

Power Factor Correction

PLI

Power Loss Index

PSGA

Plant Growth Simulation Algorithm

PSGA

Plant Growth Simulation Algorithm

PSO

Particle Swarm Optimization

SA

Simulated Annealing

SC

Shunt Capacitor

SOS

Symbiotic Organisms Search

SQI

Simple Quadratic Interpolation

STATCOM

Static Compensator

SVC

Static VAR Compensator

TLBO

Teaching-Learning Based Optimization

TS

Tabu Search


v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Giá trị hệ số kq phụ thuộc vào hệ số cosφ1 hiện tại và hệ số cosφ2 mong
muốn………………………………………………………………………………………………………23
Bảng 4.1. Biểu giá cho năng lượng, mua sắm, vận hành và bảo dưỡng tụ bù………………. …73

Bảng 4.2. Các tham số cài đặt cho giải thuật HSOS và ràng buộc bất đẳng thức… ………….75
Bảng 4.3. Vị trí và dung lượng tối ưu của tụ bù lắp đặt cho hệ thống IEEE-33 nút với các mức
phụ tải khác nhau…………………………………………………………………..............................76
Bảng 4.4. So sánh kết quả trước và sau bù của hệ thống IEEE-33 nút với các mức tải khác
nhau………………………………………………………………………………….……………………77
Bảng 4.5. Vị trí và dung lượng tối ưu của tụ bù lắp đặt cho hệ thống IEEE 69 nút với các mức
phụ tải khác nhau…………………………………………………………………… ………………….81
Bảng 4.6. So sánh kết quả trước và sau bù của hệ thống 69 nút với các mức tải khác
nhau………………………………………………………………………………………… …………....82
Bảng 5.1. Các tham số cài đặt cho giải thuật HSOS và ràng buộc bất đẳng thức khi tính bù tối
ưu cho phát tuyến Trung Lập Hạ…………………………………………………………… ………..88
Bảng 5.2. Vị trí và dung lượng tối ưu của tụ bù lắp đặt cho phát tuyến 22 kV Trung Lập
Hạ……………………………………………………………………………….……………………..….89
Bảng 5.3. So sánh kết quả trước và sau bù của phát tuyến 22 kV Trung Lập Hạ………..…….90


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 2.1. Sơ đồ vector dịng điện và cơng suất trong hệ thống điện………….... ............…….....5
Hình 2.2. Mối quan hệ giữa các loại cơng suất điện…………………………….… ….…………..13
Hình 2.3. Đồ thị vector khi cosφ = 1 và khi cosφ = 0.8 (vượt trước)…………… ….…….….…20
Hình 2.4. Cấu trúc cơ bản của bộ lọc tích cực shunt……………………………………..…….….21
Hình 2.5. Phân bố dịng điện trên đường dây khi có tụ bù………………………… .………….…22
Hình 2.6. Vector dịng điện và cơng suất trước và sau khi bù…………………… …….…….…..22
Hình 2.7. Sơ đồ vị trí lắp đặt tụ bù trong lưới điện phân phối…………………… ……..............24
Hình 2.8. Sơ đồ lắp tụ bù trực tiếp…………………………………………………… ……………...24
Hình 2.9. Sơ đồ bù ngang trên lưới điện…………………………………………… …………….…30
Hình 2.10. Sơ đồ mạng bù theo điều kiện điều chỉnh điện áp…………………… …………….…31
Hình 2.11. Sơ đồ tính bù cơng suất phản kháng……………………………………… …….……...32

Hình 2.12. Sơ đồ tính vị trí và dung lượng bù theo điều kiện tối đa hóa các tiết kiệm… …..…35
Hình 3.1. Lưu đồ giải thuật dựa trên CSA và bố trí tụ bù……………………………………… …47
Hình 3.2. Lưu đồ của FPA……………………………………………………………………………..53
Hình 3.3. Khái niệm Tabu search………………………………………………………………….…65
Hình 4.1. Pseudocode của thuật tốn SOS. …………………………………………………… …...66
Hình 4.2. Pseudocode của giải thuật HSOS…………………………………………………..….....68
Hình 4.3. Lưu đồ của giải thuật HSOS để giải bài toán OCP………………………………….…72
Hình 4.4. Đường đặc tuyến hội tụ tổng chi phí của hệ thống IEEE-33 nút……………… .…....78
Hình 4.5. Biên độ điện áp các nút trước và sau khi bù tối ưu của hệ thống IEEE-33 nút… ....78
Hình 4.6. Hệ số cơng suất của lưới IEEE-33 nút trước và sau khi bù bằng HSOS………….…79
Hình 4.7. Điện áp lưới hệ thống IEEE-33 nút trước và sau khi bù bằng HSOS…………….….79
Hình 4.8. Tổn thất công suất của hệ thống IEEE-33 nút trước và sau khi bù bằng
HSOS………………………………………………………………………….…………………… .……80
Hình 4.9. Đường đặc tuyến hội tụ tổng chi phí của hệ thống IEEE-69 nút………………… .….83
Hình 4.10. Biên độ điện áp các nút trước và sau khi bù tối ưu của hệ thống IEEE-69
nút……………………………………………………………………………………………………..…..83
Hình 4.11. Điện áp thấp nhất của hệ thống IEEE-69 nút trước khi bù và sau khi bù bằng
HSOS, có so sánh với các giải thuật khác………………………………………………………...…84


vii

Hình 4.12: Tổn thất cơng suất tác dụng của hệ thống IEEE-69 nút trước khi bù và sau khi bù
bằng HSOS, có so sánh với các giải thuật khác………………………………………………… .…84
Hình 4.13. Hệ số công suất của hệ thống IEEE-69 nút trước khi bù và sau khi bù bằng HSOS,
có so sánh với các giải thuật khác…………………………………………..……………………......85
Hình 5.1. Đường đặc tuyến hội tụ tổng chi phí của phát tuyến 22 kV Trung Lập Hạ…… ……89
Hình 5.2. Tổn thất cơng suất thực trước và sau khi bù bằng giải thuật HSOS của phát tuyến 22
kV Trung Lập Hạ………………………………………………………………………………………..91
Hình 5.3. Giá trị điện áp trước và sau khi bù bằng giải thuật HSOS của phát tuyến 22 kV

Trung Lập Hạ……………………………………………………………………………………… ……91
Hình 5.4. Hệ số công suất trước và sau khi bù bằng giải thuật HSOS của phát tuyến 22 kV
Trung Lập Hạ……………………………………………………………………………………… ……92


1

Chương 1. MỞ ĐẦU
1.1. Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển kinh tế - xã hội ngày càng mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng điện cho
tiêu dùng, sản xuất, kinh doanh cũng ngày càng tăng. Đặc biệt là các phụ tải lớn tại các
khu cơng nghiệp có mức tiêu thụ công suất phản kháng rất lớn (do các phụ tải này đều
mang tính chất điện cảm), và điều này đã làm gia tăng tổn thất điện năng, tổn thất cơng
suất và chi phí truyền tải điện năng, làm giảm hệ số công suất cosφ, giảm hiệu quả sử
dụng điện và chất lượng điện năng. Chính vì lẽ đó, các đơn vị bán điện phải áp dụng hệ
số phạt đối với các hộ tiêu thụ có hệ số cosφ thấp hơn quy định. Bên cạnh đó, hầu hết
cấu trúc lưới phân phối đều được vận hành ở dạng hình tia, cung cấp cho phụ tải đa
dạng như thương mại, công nghiệp, dân dụng,…nhu cầu phụ tải sẽ dao động theo thời
gian và có thể gây ra sự mất cân bằng phân bố công suất trên đường dây, tạo nên hiện
tượng sụp đổ điện áp đối với lưới điện hạ áp. Khi tổn thất công suất thực trong mạng
phân phối quá nhiều, điện áp tại các nút có thể phá vỡ ràng buộc điện áp. Điều này có
thể sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cung cấp điện và sự ổn định của hệ thống. Sự sụt
giảm điện áp tại các nút và tổn thất công suất là do thiếu hụt công suất phản kháng. [1]
Có khá nhiều cách thức để giảm tổn thất công suất và nâng cao chất lượng điện
áp như tái cấu trúc lưới điện, lắp đặt tụ bù, cân bằng phụ tải, nâng cấp điện áp,… Trong
đó, bù công suất phản kháng (CSPK) là một giải pháp được sử dụng khá rộng rãi để
duy trì an ninh và độ tin cậy cung cấp điện trong mạng phân phối cấu trúc hình tia.
Điều này có thể thực hiện được bằng cách tối ưu vị trí đặt tụ bù tại các nút khác nhau
trên lưới điện.
Đề tài áp dụng giải thuật Tìm kiếm sinh vật cộng sinh lai (Hybrid Sympiosis

Organisms Search - HSOS) để giải bài toán tối ưu vị trí đặt tụ bù (Optimal Capacitors
Placement - OCP) trong lưới điện phân phối với nhiều mức phụ tải khác nhau.


2

1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
Bài toán tối ưu vị trí đặt tụ bù trong lưới điện phân phối đã được sử dụng khá
phổ biến với nhiều giải thuật được áp dụng. Nó có ý nghĩa rất quan trọng trong sản
xuất và kinh doanh điện năng. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các phương pháp bù
tối ưu công suất phản kháng trong lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất và nâng cao
chất lượng điện năng. Cụ thể luận văn cần thực hiện các nhiệm vụ sau:
Dựa vào thuật tốn HSOS để tìm kiếm vị trí và dung lượng tối ưu của tụ bù
trong lưới điện phân phối cấu trúc hình tia nhằm giảm thiểu chi phí vận hành và gia
tăng giá trị tiết kiệm rịng hàng năm của hệ thống điện;
Xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu của lưới điện thực tế có xét đến nhiều
mức phụ tải khác nhau.
1.3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu, áp dụng thuật tốn HSOS để xây dựng mơ hình tốn học cho
bài tốn xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu trong lưới điện phân phối chuẩn của
IEEE với nhiều mức phục tải khác nhau và lưới phân phối thực tế. Đồng thời so sánh
với các phương pháp khác để thấy được sự nổi bật của phương pháp HSOS. Đề tài sẽ
sử dụng phần mềm MATLAB để xây dựng thuật tốn giải bài tốn tối ưu hóa vị trí đặt
tụ bù trong lưới phân phối. Thơng số kỹ thuật vận hành của lưới điện thực tế được khai
thác từ dữ liệu quản lý của Công ty Điện lực Củ Chi - Tổng công ty Điện lực Thành
phố Hồ Chí Minh, làm cơ sở cho bài tốn OCP.
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Bù công suất phản kháng là bài toán tối ưu đa mục tiêu, được chia làm hai bài
toán nhỏ là (1) xác định vị trí đặt tụ bù tối ưu và (2) xác định dung lượng tối ưu của tụ
bù. Đối với các phụ tải tại hộ tiêu thụ, giá trị hệ số công suất cosφ được quy định phải

lớn hơn hoặc bằng 0.9 [2], tức là công suất phản kháng yêu cầu tại các nút tải không
được quá lớn. Thông thường đối với các điểm tải này, tụ bù sẽ được lắp ngay tại phụ
tải để bù công suất phản kháng cho thiết bị điện. Đối với đường dây phân phối, số


3

lượng nút rất lớn nên rất khó để xác định được vị trí nút nào thích hợp nhất để lắp đặt
tụ bù. Về lý thuyết, các nút thích hợp để lắp đặt tụ bù là các nút thuộc các nhánh có tổn
thất cơng suất tác dụng theo thành phần tác dụng hoặc thành phần phản kháng của
dòng điện là tốt nhất [3]. Bài tốn bù tối ưu cơng suất phản kháng trong lưới điện phân
phối là bài toán xác định vị trí và dung lượng bù cần thiết của tụ bù để lắp vào lưới
điện sao cho tổn thất công suất là nhỏ nhất, chất lượng điện áp ổn định nhất và chi phí
hàng năm của lưới điện thấp nhất.
Có rất nhiều kỹ thuật được áp dụng để giải quyết vấn đề tối ưu vị trí đặt tụ bù.
Các đề xuất phương pháp giải thường chia thành 3 nhóm: Nhóm phương pháp giải tích
(Analytical), nhóm phương pháp quy hoạch tối ưu (Programming) và nhóm phương
pháp tìm kiếm thơng minh (Heuristics). Trên lưới điện thực tế, tổn thất điện năng phụ
thuộc vào cấu trúc của lưới điện và phụ tải, và các yếu tố này lại dễ bị thay đổi theo
thời gian và vị trí. Hiện nay việc tính tốn, xác định vị trí và dung lượng tụ bù tại các
Cơng ty Điện lực ở Việt Nam chủ yếu dựa vào quy tắc 2/3 (vị trí lắp đặt tụ ở 2/3
khoảng cách đường dây tính từ tải về nguồn, và dung lượng bù bằng 2/3 công suất
phản kháng lớn nhất của lưới điện). Đây là nhóm phương pháp giải tích. Ưu điểm của
nhóm này là các phép tính đơn giản, nhưng nhược điểm là kết quả khơng có độ chính
xác cao do bài toán phải đi kèm với các giả thuyết kém thực tế như: Phụ tải đường dây
phân bố đều, dung lượng bù có giá trị liên tục, tiết diện đường dây đồng nhất.
Nhóm phương pháp thứ hai là phương pháp quy hoạch tối ưu. Phương pháp này
sử dụng kỹ thuật lặp để cực đại hoặc cực tiểu hóa hàm mục tiêu của các biến quyết
định trong bài toán xác định vị trí và dung lượng tụ bù (hàm mục tiêu gồm tổng tổn
thất công suất của lưới hoặc tổng chi phí tiết kiệm được nhờ vào việc giảm tổn thất; các

biến quyết định bao gồm điện áp nút, dòng nhánh, vị trí, dung lượng tụ bù). Nhóm
phương pháp này có thể xét đến như quy hoạch nguyên hỗn hợp (mixed integer
programming) và quy hoạch toàn phương (quadratic programming). Nhược điểm của
phương pháp này là khó hội tụ, đặc biệt là các bài tốn có kích cỡ lớn, nhiều biến số.


4

Nhóm phương pháp thứ ba là phương pháp tìm kiếm thông minh. Phương pháp
này giúp cho việc giải các bài toán tối ưu tốt hơn các phương pháp kể trên, bằng cách
thu hẹp khơng gian tìm kiếm nhưng vẫn cho ra kết quả cuối cùng của hàm mục tiêu đạt
gần đến giá trị tối ưu tổng thể. Trong các phương pháp heuristics sử dụng trí thơng
minh nhân tạo, việc nghiên cứu tính tốn xác định vị trí và dung lượng bù trong lưới
điện phân phối dựa vào thuật toán HSOS có thể cung cấp giải pháp tốt hơn so với các
phương pháp khác. Đây chính là tầm quan trọng của thuật tốn HSOS để tìm ra lời giải
tối ưu. Luận văn này sẽ áp dụng thuật toán HSOS để xác định vị trí đặt tụ bù cơng suất
phản kháng tối ưu cho lưới điện phân phối IEEE 33 nút và 69 nút, đồng thời so sánh
với các thuật tốn trí tuệ nhân tạo khác để thấy được ưu điểm của phương pháp. Dựa
trên kết quả đạt được, đề tài sẽ xây dựng thuật toán HSOS trên nền MATLAB để tối ưu
hóa vị trí đặt tụ bù trên một xuất tuyến của lưới điện huyện Củ Chi.


5

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
2.1. Giới thiệu
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công
nghiệp sản xuất, các phụ tải công nghiệp được đưa vào sử dụng với công suất rất lớn.
Cụ thể, các máy biến áp, các động cơ không đồng bộ và các phụ tải mang tính cảm sẽ
tiêu thụ cơng suất phản kháng từ lưới điện trong quá trình vận hành. Theo thống kê,

trong mạng điện xí nghiệp, lượng tiêu thụ cơng suất phản kháng do động cơ khơng
đồng bộ chiếm khoảng 60 ÷ 65 %, máy biến áp khoảng 20 ÷ 25 % và các thiết bị khác
là 10 ÷ 20 %.
Trong hệ thống điện xoay chiều, dòng điện I gồm 2 thành phần: Thành phần tác
dụng IR cùng pha với điện áp U và thành phần phản kháng IX vng góc với điện áp U.
Góc lệch giữa điện áp U và dịng điện I là φ. Hệ số cosφ được gọi là hệ số công suất, là
hệ số biểu thị cho sự chuyển đổi công suất biểu kiến sang các dạng năng lượng hữu
cơng khác. [4].

Hình 2.1. Sơ đồ vector dịng điện và công suất trong hệ thống điện.
Hệ số công suất (tức thời) được xác định bởi tỷ số giữa công suất tác dụng (P)
và công suất biểu kiến (S):

cos 

IR P
P
 
I
S
3UI

(2.1)

Trên thực tế, hệ số công suất thường được xác định theo giá trị trung bình:

costb 

Ap
Ap2  Aq2

(2.2)


6

Trong đó, Ap và Aq lần lượt là điện năng tác dụng và điện năng phản kháng xác
định qua công tơ đo đếm điện năng.
Giữa công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, công suất biểu kiến S và hệ
số công suất cosφ liên hệ với nhau bằng tam giác cơng suất.

Hình 2.2. Mối quan hệ giữa các loại công suất điện.
Công suất biểu kiến S (hay công suất tồn phần) đặc trưng cho cơng suất thiết
kế của thiết bị điện. Cùng một công suất S, nếu cosφ lớn (tức góc φ nhỏ) thì cơng suất
P lớn, cơng suất Q nhỏ, thiết bị được khai thác hiệu quả. Ngược lại, nếu cosφ nhỏ (góc
φ lớn) thì P sẽ nhỏ và Q sẽ lớn, phụ tải sẽ yêu cầu cơng suất phản kháng từ nguồn lớn,
từ đó làm giảm các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của mạng điện, cụ thể như sau:
 Làm tăng tổn thất công suất
Tổn thất công suất trong mạng điện được xác định theo biểu thức:

P2  Q2
P2
Q2
P 
 R  2  R  2  R  P( P )  P(Q )
U2
U
U

(2.3)

Từ biểu thức (2.3) ta nhận thấy công suất phản kháng tăng sẽ làm cho tổn thất
công suất tăng.
 Làm giảm chất lượng điện áp
Tăng công suất phản kháng sẽ làm cho tổn thất điện áp tăng, làm giảm chất
lượng điện. Tổn thất điện áp trên lưới điện được xác định như sau:

U 

PR  QX PR QX


 U ( P )  U (Q )
U
U
U

(2.4)

Thành phần tổn thất phản kháng ∆U(Q) tỷ lệ với công suất phản kháng Q. Khi
công suất phản kháng Q tăng sẽ làm tăng tổn thất điện áp ∆U. Sụt áp quá lớn sẽ làm


7

thay đổi chế độ làm việc của các phần tử trong mạng điện, đặc biệt đối với các phụ tải
đòi hỏi điện áp đầu vào phải gần bằng với điện áp định mức. Ví dụ đối với động cơ,
điện áp làm việc yêu cầu chỉ dao động quanh điện áp định mức ở một mức độ nhất
định. Khi khởi động động cơ, dịng điện khởi động có giá trị từ 5 đến 7 lần dòng định
mức. Nếu sụt áp của lưới điện quá lớn, khi động cơ khởi động thì điện áp cung cấp cho

động cơ sẽ giảm gấp 5 đến 7 lần độ sụt áp của lưới và như vậy làm cho động cơ đứng
yên không khởi động do moment điện từ khơng lớn hơn moment tải, do đó dịng điện
chạy trong động cơ khơng thể chuyển hóa thành cơ năng nên chuyển thành nhiệt năng
đốt nóng động cơ và động cơ tăng tốc chậm, do vậy kéo dài thời gian khởi động, dòng
tải lớn tồn tại trong thời gian lâu dài làm đốt nóng dây dẫn và gây giảm áp trên các
thiết bị khác.
 Làm giảm khả năng tải của máy biến áp, dây dẫn, cáp hay thiết bị đóng
cắt
Dịng điện chạy qua máy biến áp, dây dẫn hay thiết bị đóng cắt được xác định:

I

S
3U



P2  Q2
3U

(2.5)

Từ biểu thức (2.5) ta thấy nếu giữ nguyên công suất P trong cùng một điều kiện
đốt nóng nhất định của đường dây và máy biến áp, nếu công suất phản kháng Q tăng
thì dịng điện phản kháng sẽ tăng, khi đó đường dây vừa phải truyền tải dịng điện tác
dụng vừa phải truyền tải dịng điện phản kháng. Khi đó đường dây cần phải có tiết diện
đủ lớn để đảm bảo khả năng tải, làm tăng chi phí đầu tư mạng điện.
 Làm giảm khả năng truyền tải công suất tác dụng
Từ biểu thức (2.5), nếu giữ giá trị I bằng hằng số thì khi Q tăng, P sẽ giảm để
đảm bảo điều kiện đốt nóng cho phép của các phần tử trong mạng điện. Nếu vẫn giữ

nguyên công suất P thì cơng suất tồn phần S phải tăng. Điều này sẽ gây quá tải cho
thiết bị. Khi công suất tác dụng giảm sẽ làm giảm hiệu suất của mạng điện.


8

Từ các phân tích nêu trên, nhận thấy rằng để giảm tổn thất công suất, nâng cao
chất lượng điện và giảm chi phí vận hành mạng điện, cần phải nâng cao hệ số cơng
suất cosφ, hay cịn gọi là điều chỉnh hệ số công suất (Power Factor Correction – PFC).
2.1.1. Điều chỉnh hệ số công suất
Nguyên tắc của điều chỉnh hệ số công suất là bù công suất phản kháng, tức là
cung cấp tại chỗ cho phụ tải một lượng công suất phản kháng bằng cách đấu song song
với tải một thiết bị bù có tổng dẫn phản kháng đơn thuần (-jBc) [4].
Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp một công
suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra của
thiết bị. Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi hiệu ứng cảm ứng hay
điện dung tương ứng được tạo ra. Động cơ có tính cảm ứng có thể được bù bằng các tụ
lọc, lị hồ quang điện có tính điện dung có thể bù bằng các cuộn dây.
Khi thêm vào hay lấy ra các thiết bị bù công suất phản kháng có thể tạo ra sự
biến động điện áp hay tạo ra các méo hài, trong trường hợp xấu nhất các thành phần bù
cơng suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệ thống được bù, làm
cho điện áp tăng cao và gây mất ổn định cho hệ thống. Do vậy việc điều chỉnh hệ số
PFC không thể đơn giản là việc thêm hay bớt các thành phần, mà nó cần được tính tốn
kỹ phù hợp với từng mức công suất tải trên thiết bị.
Để tránh trường hợp trên, ứng dụng việc điều chỉnh hệ số công suất PFC bằng
các thiết bị bù tự động. Thiết bị này bao gồm nhiều tụ điện được đóng hay ngắt ra khỏi
thiết bị được bù cơng suất phản kháng bằng các công tắt. Các công tắt này lại được
điều khiển bằng một thiết bị điều khiển trung tâm có khả năng đo hệ số cơng suất bằng
việc đo dòng tải và điện áp của thiết bị qua các cảm biến dòng được gắn trên đường
truyền dẫn điện năng, trước khi vào thiết bị. Tuỳ thuộc vào tải và hệ số công suất của

thiết bị, bộ điều khiển sẽ đấu nối tuần tự các tụ bù vào mạch sao cho giá trị hệ số công
suất luôn ở trên giá trị được chọn.


9

Một cách khác để điều chỉnh hệ số công suất là dùng động cơ đồng bộ, động cơ
đồng bộ cung cấp một cơng suất phản kháng có chiều nghịch với chiều cơng suất phản
kháng của thiết bị, tính chất tiêu thụ công suất phản kháng của động cơ đồng bộ được
xem là một tính chất đặt biệt của loại động cơ này, nó được xem tương đương như một
tụ đồng bộ. Ngồi ra trong ngành cơng nghiệp điện cịn có nhiều phương pháp để điều
chỉnh hệ số công suất khác như bằng các thiết bị điện tử sử dụng Thyristor chẳng hạn
[5].
2.1.2. Định nghĩa bù công suất phản kháng
Một số phụ tải có nhu cầu được cung cấp cơng suất phản kháng, mặc dù không
sinh ra công, nhưng công suất phản kháng cần thiết để tạo ra từ trường, một yếu tố
trung gian trong q trình chuyển hố điện năng. Để giảm truyền tải công suất phản
kháng trong mạng điện, có thể đặt các thiết bị bù nhằm cung cấp thêm công suất phản
kháng cho mạng điện tại các vị trí gần phụ tải gọi là bù cơng suất phản kháng. [4]
Bù công suất phản kháng được định nghĩa là quản lý công suất phản kháng để
cải thiện hiệu suất của hệ thống điện xoay chiều. Khái niệm về bù công suất phản
kháng bao trùm rộng rãi và đa dạng của cả vấn đề hệ thống và khách hàng, đặc biệt liên
quan đến các vấn đề về chất lượng điện, vì hầu hết vấn đề chất lượng điện năng có thể
bị suy giảm hoặc được giải quyết với việc kiểm sốt đầy đủ cơng suất phản kháng [5].
Bù cơng suất phản kháng là một kỹ thuật hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng của lưới
điện, có thể được thực hiện hoặc với bộ máy tụ đồng bộ, bộ bù công suất kháng tĩnh
(SVC) hoặc bộ bù đồng bộ tĩnh (STATCOM).
2.1.3. Các dạng bù cơng suất phản kháng
Thơng thường có 2 dạng bù công suất phản kháng là bù theo phương pháp tự
nhiên và bù công suất phản kháng Q (sau khi phương pháp bù tự nhiên không đạt yêu

cầu).


10

2.1.3.1. Bù theo phương pháp tự nhiên
Bù theo phương pháp tự nhiên có nghĩa là nâng cao hệ số cơng suất của phụ tải
bằng các biện pháp để các hộ tiêu thụ giảm lượng công suất phản kháng cần cung cấp
từ nguồn, cụ thể như sau:
- Thay những động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng những động cơ có
cơng suất nhỏ hơn. Khi làm việc bình thường động cơ tiêu thụ công suất phản kháng:

Q  Qkt  Qm k pt2

(2.6)

Công suất phản kháng khi không tải (chiếm tỷ lệ 60 ÷ 70 % so với Qđm) và có
thể xác định theo cơng thức:

Qkt  3U đm I kt

(2.7)

Trong đó, Qkt là cơng suất phản kháng khi khơng tải; Ikt là dịng điện khơng tải
của động cơ; kpt là hệ số mang tải của động cơ và được xác định:

k pt 

P
Pđm

(2.8)

∆Qđm là lượng gia tăng công suất phản kháng khi động cơ mang tải định mức so
với khi không tải, được xác định như sau:

Qđm  Qđm  Qkt 

Pđm

đm

tg đm  3U đm I kt

(2.9)

Với ηđm là hiệu suất của động cơ khi mang tải định mức
Hệ số cosφ được xác định như sau:

cos 

P

S

P
P2  Q2



1
 Qkt  Qđm k pt2 

1 


k pt Pđm



Từ (2.7) ta thấy khi kpt giảm thì cosφ cũng giảm.

(2.10)


11

- Giảm điện áp đặt vào động cơ thường xuyên làm việc non tải: Thực hiện giảm
áp khi khơng có điều kiện thay thế động cơ công suất nhỏ hơn. Công suất phản kháng
cho động cơ KĐB xác định như sau:

Qk

U2



f .V

(2.11)

Trong đó: k là hằng số; U là điện áp đặt vào động cơ; μ là hệ số dẫn từ của mạch
từ; f là tần số dòng điện; V là thể tích mạch từ.
Giảm điện áp đặt vào động cơ thông thường được thực hiện theo 3 cách: Thay
đổi tổ đấy dây từ tam giác sang đấu sao; Thay đổi cách phân nhóm dây quấn stator;
Thay đổi đầu phân áp của máy biến áp.
- Hạn chế động cơ không đồng bộ chạy không tải hoặc non tải: Động cơ khơng
đồng bộ khi chạy khơng tải sẽ có cosφ rất thấp. Do đó, hạn chế việc động cơ chạy
khơng tải sẽ góp phần nâng cao hệ số cosφ.
- Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ: Đối với các thiết bị
có cơng suất khơng q lớn như máy bơm, máy quạt, máy nén khí,…nên sử dụng động
cơ đồng bộ để thay thế cho động cơ không đồng bộ bởi những ưu điểm như sau:
+ Động cơ đồng bộ có hệ số cơng suất cao. Khi làm việc ở chế độ quá kích
thích, động cơ đồng bộ có thể trở thành máy bù sản sinh ra cơng suất phản kháng cung
cấp cho lưới điện.
+ Momen quay của động cơ đồng bộ chỉ tỷ lệ bậc nhất với điện áp nên ít bị ảnh
hưởng khi có sự thay đổi điện áp. Mặt khác, tốc độ của động cơ đồng bộ khơng phụ
thuộc vào phụ tải khi có thay đổi tần số của lưới điện. Do đó năng suất làm việc của
máy sẽ cao.
- Thay các máy biến áp làm việc non tải thường xuyên bằng các máy biến áp có
cơng suất nhỏ hơn, phù hợp với nhu cầu phụ tải: Máy biến áp là thiết bị điện tiêu thụ
công suất phản kháng khá lớn, chỉ sau động cơ khơng đồng bộ. Do đó, đối với các máy
biến áp non tải (hệ số phụ tải dưới 0,3) thì nên thay bằng các máy biến áp có dung