(Luận văn thạc sĩ) ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến nhằm phân bố tối ưu công suất trong lưới điện phân phối

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHẠM TRUNG TIẾN

---------------------------------------

PHẠM TRUNG TIẾN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƢU BẦY ĐÀN CẢI
TIẾN NHẰM PHÂN BỐ TỐI ƢU CÔNG SUẤT TRONG
LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

C
C

R
L

T

U
D

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOÁ K37
Đà Nẵng – Năm 2020

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

PHẠM TRUNG TIẾN

ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƢU BẦY ĐÀN CẢI
TIẾN NHẰM PHÂN BỐ TỐI ƢU CÔNG SUẤT TRONG
LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

C
C

R
L

T

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự Động Hóa
Mã số: 8520216

U
D

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN KHÁNH QUANG

Đà Nẵng – Năm 2020

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác và các thơng tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

C
C

R
L

U
D

T

Phạm Trung Tiến


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................1

2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................ 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................2

C
C

4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..................................................................................2

R
L

6. Cấu trúc của đề tài ....................................................................................................2

T

CHƯ NG 1: T NG QUAN VỀ PHÂN BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT TRONG LƯỚI
ĐIỆN PHÂN PHỐI .........................................................................................................4

U
D

1.1. Tổng quan về lưới điện phân phối ........................................................................4
1.1.1. Đặc điểm của lưới điện phân phối ..................................................................4
1.1.2. Cấu trúc lưới điện phân phối ..........................................................................6
1.2. Tổng quan về các phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân bố tối ưu công suất
nhằm giảm tổn thất trong LĐPP ..................................................................................7
1.2.1. Các bài toán tái cấu trúc LĐPP trong vận hành ..............................................7
1.2.2. Các nghiên cứu khoa học về tái cấu trúc lưới điện phân phối ........................8
1.2.2.1. Thuật tốn kỹ thuật vịng kín của Merlin và Back ......................................8

1.2.2.2. Kỹ thuật đổi nhánh của Civanlar và các cộng sự ......................................10
1.2.2.3 Thuật toán di truyền (Genetic algorithm - GA) ..........................................12
1.2.2.4 Thuật toán đàn kiến (Ant colony algorithm - ACS) ...................................13
1.2.2.5. Thuật tốn dựa trên trí tuệ nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN). 15
1.2.2.6. Phương pháp tìm kiếm TABU (Tabu Search Method - TS) ....................15
1.3. Nhận xét ..............................................................................................................17
CHƯ NG 2: T NG QUAN VỀ THUẬT TỐN TỐI ƯU BẦY ĐÀN CẢI TIẾN ....18
2.1. Thuật tốn tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization-PSO) ....................18
2.2. Các phương pháp tối ưu bầy đàn cải tiến ............................................................ 21


2.1.1 Phương pháp sử dụng đạo hàm giả ................................................................22
2.1.2. Phương pháp cải tiến với hệ số quán tính thời gian .....................................22
2.2. Ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến cho bài toán tối ưu ........................ 25
CHƯ NG 3: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU BẦY ĐÀN CẢI TIẾN PHÂN
BỐ TỐI ƯU CÔNG SUẤT TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI .................................28
3.1. Bài tốn phân bố tối ưu cơng suất trong lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất
điện năng ....................................................................................................................28
3.1.1 Mơ hình lưới điện phân phối .........................................................................28
3.1.2. Hàm mục tiêu của bài tốn phân bố tối ưu cơng suất nhằm giảm tổn thất. ..29
3.1.3. Điều kiện ràng buộc ......................................................................................30
3.2. Ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến phân bố tối ưu công suất trong
LĐPP .......................................................................................................................... 31
CHƯ NG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .............................................33

C
C

4.1. Đối tượng mô phỏng ........................................................................................... 33
4.1.1. Đặc điểm của lưới điện .................................................................................33

R
L

4.2. Mô phỏng và đánh giá kết quả trên lưới điện .....................................................39
4.2.1. Mô phỏng ......................................................................................................39
4.2.2. Kết quả mô phỏng .........................................................................................40
4.2.3. Đánh giá kết quả ...........................................................................................44

T

U
D

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................46
1. Đánh giá .................................................................................................................46
2. Đề xuất ...................................................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................47


ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƢU BẦY ĐÀN CẢI TIẾN NHẰM PHÂN BỐ
TỐI ƢU CÔNG SUẤT TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Học viên:

Phạm Trung Tiến

Chuyên ngành:

Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 8520216

Khóa: K37. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Trước yêu cầu ngày càng cao về giảm tổn thất điện năng trong hệ thống
điện. Với đặc điểm lưới điện phân phối có phụ tải phân bố rải rác, tỉ trọng công
nghiệp chưa cao, tỉ trọng tiêu dùng dân cư lớn nên lưới điện phân phối có tỷ lệ tổn
thất điện năng cao trong hệ thống điện. Vì vậy giảm tổn thất điện năng trên lưới
điện phân phối có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm tổn thất điện năng của toàn bộ
hệ thống điện. Với mục tiêu trên, nhiều thuật toán tối ưu đã được nghiên cứu và ứng
dụng để phân bố tối ưu công suất trong lưới điện phân phối bằng cách thay đổi trạng
thái đóng/mở các thiết bị đóng cắt để tái cấu trúc lại lưới điện. Thuật toán tối ưu bầy
đàn cải tiến (IPSO) được đề xuất và trình bày trong đề tài nhằm tối thiểu hóa tổn
thất điện năng cũng như cải thiện điện áp trên lưới điện. Thuật toán đề xuất đã được
mô phỏng kiểm chứng với lưới điện tỉnh Kon Tum và được đánh giá so sánh với
thuật toán tối ưu bầy đàn truyền thống. Kết quả đã cho thấy giải pháp đưa ra là rất
hiệu quả và có khả năng ứng dụng trong thực tế.

C
C

R
L

T

Từ khóa – PSO, IPSO, phân bố tối ưu cơng suất, tái cấu hình lưới điện, giảm tổn
thất

U

D

APPLICATION OF IMPROVED PARTICLE SWARM
OPTIMIZATION TO OPTIMAL POWER DISTRIBUTION
Abstract - In the face of increasing requirements for power losses reduction in
power system. Due to the distribution system with scattered load, the low proportion
of electricity consumption in industry, the high proportion of consumers, so the
distribution system has a high rate of power loss in power system. Therefore, power
loss reduction on the distribution system is important in reducing the real loss of the
entire power system. To achieve this goal, many optimization algorithms have been
studied and applied to optimize the distribution of power in the distribution system
by changing tie and sectionalizing switches to reconfigure the network. An
Improved Particle Swarm Optimization (IPSO) algorithm has been proposed and
presented in this study for power loss minimization and voltage profile
improvement. The proposed algorithm has been simulated and verified with the
distribution system of Kon Tum province and its result has been compared with the
traditional PSO algorithm. The simulation results have shown that the proposed
solution is very effective and applicable in realworld applications.
Key words - PSO, IPSO, Optimal power distribution, distribution system
reconfiguration, power loss reduction


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Nhóm chữ viết tắt

Định nghĩa

DS (Distance Switch)

Dao cách ly

LBS (Load Breaker Switch)

Máy cắt phụ tải

GA (Genetic Algorithm)

Giải thuật di truyền

ACS (Ant Colony Algorithm)

Giải thuật đàn kiến

ANN (Artificial Neural Network)

Mạng trí tuệ nhân tạo

TS (Tabu Search Method)

Phương pháp tìm kiếm TABU

PSO ( Particle Swarm Optimization)

R
L

C
C

T

Phương pháp tối ưu bầy đàn

IPSO ( Improve Particle Swarm Optimization) Phương pháp t ố i ư u bầy đàn cải tiến

U
D


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Phạm vi ứng dụng của các bài tốn tái cấu trúc
lưới

8

4.1

Thơng số nút

34

4.2

Thơng số đường dây

36

4.3

Công suất trên các xuất tuyến và tổn thất ở
phương thức kết lưới hiện tại trước khi thực hiện
phân bố tối ưu công suất

39

4.4

Kết quả thực hiện bằng thuật toán PSO và IPSO

4.5

So sánh kết quả giữa thuật toán PSO và IPSO

C
C

R
L

U
D

T

44
44


DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu
hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.6
1.7
2.1
2.2
2.3
3.1
3.2

Mơ hình hệ thống điện
Mơ hình lưới điện phân phối
Sơ đồ lưới điện hình tia
Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở
Thuật tốn của Merlin và Back được Shirmohammadi và
Hong cải tiến

Lưu đồ thuật tốn của Civanlar và các cộng sự
Mơ phỏng thuật tốn đàn kiến
Sơ đồ minh họa một điểm tìm kiếm bằng PSO
Lưu đồ thuật toán PSO
Lưu đồ thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến
Sơ đồ của một xuất tuyến hình tia
Sơ đồ thay thế đường dây phân phối

3.3

Lưu đồ thuật toán IPSO cho bài toán phân bố tối ưu công suất

32

4.1

Sơ đồ kết nối lưới trước khi phân bố tối ưu
Sơ đồ kết nối lưới sau khi phân bố tối ưu cơng suất bằng
thuật tốn PSO
Đồ thì điện áp của thuật tốn PSO
Kết quả tính tổn thất của thuật toán PSO

39

1.1
1.2
1.3
1.4
1.5

4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8

C
C

R
L

T

U
D

Sơ đồ kết nối lưới sau khi phân bố tối ưu cơng suất bằng
thuật tốn IPSO
Đồ thì điện áp của thuật tốn IPSO
Kết quả tính tổn thất của thuật tốn IPSO
Kết quả tính tổn thất trong 20 vịng lặp của thuật toán PSO và
IPSO

4
5
7
7

9
11
14
19
21
27
28
29

40
41
41
42
43
43
45


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Lưới điện phân phối (LĐPP) đóng vai trị quan trọng trong việc cung cấp điện từ
nơi sản xuất điện năng đến các hộ tiêu thụ điện, LĐPP có thể được thiết kế có cấu trúc
mạch vịng hoặc cấu trúc hình tia, tuy nhiên vì lý do kỹ thuật và điều kiện vận hành
nên nó được vận hành theo cấu trúc hình tia. Theo thống kê của Tập đồn Điện lực
Việt Nam thì tổng tổn thất điện năng trong đó LĐPP chiếm 5-7%. Do đó việc nghiên
cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên LĐPP là một nhu cầu cần thiết, mang
lại nhiều lợi ích kinh tế. Hệ thống LĐPP là một hệ thống lớn có đặc điểm trải rộng trên
tồn bộ lãnh thổ quốc gia, gồm nhiều phần tử, nhiều thông số, do đó các bài tốn tính

tốn và phân tích cho LĐPP có số lượng nghiệm lớn, u cầu độ chính xác và thời gian
tính tốn xử lý nhanh nên cần phải có các phương pháp hiện đại để giúp giải quyết các bài

C
C

toán này một cách hiệu quả. Bài toán giảm tổn thất cống suất trên LĐPP là một bài toán
được nghiên cứu nhiều và mang lại giá trị kinh tế trong sản xuất và vận hành hệ thống
điện.

R
L

T

Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất công suất trên LĐPP như:
nâng cao điện áp vận hành LĐPP, tăng tiết diện dây dẫn, hoặc giảm truyền tải công

U
D

suất phản kháng trên lưới điện bằng cách lắp đặt tụ bù. Tuy các biện pháp này đều
mang tính khả thi về kỹ thuật nhưng lại tốn các chi phí đầu tư và thời gian lắp đặt thiết
bị. Trong khi đó, biện pháp tái cấu trúc lưới thơng qua việc chuyển tải bằng cách
đóng/mở các cặp khố điện có sẵn trên lưới cũng có thể giảm tổn thất điện năng đáng
kể khi đạt được cân bằng công suất giữa các tuyến dây mà khơng cần nhiều chi phí để
cải tạo lưới điện. Không chỉ dừng lại ở mục tiêu giảm tổn thất điện năng, tái cấu trúc
LĐPP cịn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới.
Trong quá trình vận hành, thực tế việc tái cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất công
suất và nâng cao độ tin cậy trong điều kiện phải thoả mãn các ràng buộc kỹ thuật với

hàng trăm khoá điện trên hệ thống điện phân phối là điều vô cùng khó khăn đối với các
điều độ viên. Do đó ln cần một phương pháp phân tích phù hợp với LĐPP thực tế
một thuật toán đủ mạnh để tái cấu trúc lưới trong điều kiện thoả mãn các mục tiêu điều
khiển trong vận hành lưới điện phân phối hiện nay.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài là:
Đánh giá, khảo sát các phương pháp


2
- Tái cấu trúc lưới điện nhằm phân bố tối ưu công suất để giảm tổn thất điện năng
và nâng cao chất lượng điện áp trên LĐPP.
- Nghiên cứu, cải tiến thuật toán tối ưu bầy đàn (IPSO) và ứng dụng thuật tốn để
phân bố tối ưu cơng suất trong LĐPP.
- Thuật tốn đề xuất được kiểm chứng mơ phỏng trên bộ công cụ
Matpower/Matlab với LĐPP tỉnh Kon Tum.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là Bài toán tái cấu trúc lưới phân bố tối ưu
công suất trong LĐPP nhằm giảm tổn thất công suất và nâng cao chất lượng điện
áp.
- Phạm vi nghiên cứu của để tài là: Khảo sát, đánh giá các phương pháp tái cấu
trúc lưới; Xây dựng và ứng dụng thuật toán tối bầy đàn cải tiến nhằm phân bố tối

C
C

tối ưu công suất cho LĐPP tỉnh Kon Tum.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu

R

L

- Phân tích, tổng hợp tài liệu có liên quan đến vấn đề tái cấu trúc lưới phân bố tối
ưu công suất trong lưới điện.

T

- Khảo sát và đánh giá các phương pháp tái cấu trúc lưới điện nhằm phân bố tối
ưu công suất và nâng cao chất lượng điện áp.
- Kiểm chứng thuật toán đề xuất bằng mô phỏng trên phần mềm
Matpower/Matlab với LĐPP tỉnh Kon Tum.

U
D

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Đề tài là một nguồn tài liệu tham khảo hữu ích cho các giải
pháp phân bố tối ưu công suất trong LĐPP nhằm giảm tổn thất điện năng và nâng
cao chất lượng điện áp.
- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng nhằm đưa ra
các giải pháp tối ưu công suất cho các LĐPP thực tế.
6. Cấu trúc của đề tài
Đề tài được tổ chức gồm có các chương, các phần như sau:
- Phần mở đầu giới thiệu về lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và
phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
- Chương 1: Tổng quan về phân bố tối ưu công suất trong lưới điện phân phối
- Chương 2: Tổng quan về thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến


3

- Chương 3: Ứng dụng thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến phân bố tối ưu công suất
trong lưới điện phân phối
- Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả
- Kết luận và đề xuất

C
C

R
L

U
D

T


4

CHƢƠNG 1: T NG QUAN VỀ PHÂN BỐ TỐI ƢU CÔNG
SUẤT TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
1.1. Tổng quan về lƣới điện phân phối
1.1.1. Đặc điểm của lưới điện phân phối
Trong hệ thống điện gồm có các thành phần chính là nhà máy điện, lưới điện
truyền tải, LĐPP và phụ tải. LĐPP có nhiệm vụ chuyển tải điện năng trực tiếp từ các
trạm biến áp trung gian đến các phụ tải dùng điện. Trong khi lưới điện truyền tải
thường được vận hành mạch vịng hay mạch tia, cịn LĐPP có thể được thiết kế có cấu
trúc mạch vịng hoặc cấu trúc hình tia nhưng do yêu cầu về kỹ thuật LĐPP luôn được
vận hành hở. Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng loại
relay q dịng. Để khơi phục việc cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết

các tuyến đường dây đều có các mạch vịng liên kết với các đường dây kế cận được
cấp điện từ một trạm biến áp trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đường dây

C
C

R
L

bị sự cố. Việc khơi phục lưới được thực hiện thơng qua các thao tác đóng/cắt các cặp
khố điện nằm trên các mạch vịng, do đó trên LĐPP có rất nhiều khố điện.

T

U
D

Hình 1.1: Mơ hình hệ thống điện


5
Một đường dây phân phối ln có nhiều loại phụ tải khác nhau (sinh hoạt, thương
mại dịch vụ, công nghiệp) và các phụ tải này phân bố không đồng đều giữa các đường
dây. Mỗi loại phụ tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày,
trong tuần và theo từng mùa. Vì vậy, trên các đường dây, đồ thị phụ tải không bằng
phẳng và luôn có sự chênh lệch cơng suất tiêu thụ. Điều này gây ra quá tải đường dây
và làm tăng tổn thất trên LĐPP.
Để chống quá tải trên đường dây và giảm tổn thất, các điều độ viên sẽ thay đổi
cấu trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/mở các cặp khố điện hiện có trên
lưới. Vì vậy, trong q trình thiết kế, các loại khố điện (Recloser, LBS,…) sẽ được

lắp đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng/ mở các khố này có thể giảm tổn
thất điện năng. Hay nói cách khác, hàm mục tiêu trong quá trình vận hành lưới điện
phân phối là cực tiểu tổn thất năng lượng. Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển, phụ
tải liên tục thay đổi, vì vậy xuất hiện nhiều mục tiêu vận hành LĐPP để phù hợp với
tình hình cụ thể. Tuy nhiên, các điều kiện vận hành LĐPP phải thoả mãn các điều kiện
sau:

C
C

R
L

- Cấu trúc vận hành hở.
- Tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện.

T

- Điện áp tại các nút phải nằm trong phạm vi cho phép.
- Các hệ thống bảo vệ relay phải thay đổi phù hợp.

U
D

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị q tải.

Hình 1.2: Mơ hình lưới điện phân phối


6

Trong Hình 1.2 là sơ đồ LĐPP đơn giản gồm có 2 nguồn và nhiều khố điện.
Khố SW1, SW5 và RC3 ở trạng thái mở để đảm bảo lưới điện vận hành hở. Các đoạn
tải LN2 và LN6 nằm ở cuối lưới của nguồn điện SS2. Để cải thiện chất lượng điện
năng ở cuối lưới, bộ tụ bù được lắp giữa LN4 và SW2 và máy biến áp điều áp được lắp
giữa LN3 và LN4. Tất nhiên, các thiết bị này đều có thể được vận hành ở chế độ thông
số không đổi trong thời gian vận hành hay thông số thay đổi bằng cách điều khiển từ
xa hay tại chỗ.
Khi vận hành LĐPP như trên Hình 1.2 có thể có tổn thất cao nhưng có thể giảm
tổn thất cơng suất bằng cách chuyển một số tải từ nguồn SS2 sang nguồn SS1, ví dụ:
đóng RC3 và mở SW2 để chuyển các đoạn tải LN5 và LN6 từ nguồn SS2 sang SS1.
Việc phân tích lựa chọn các giải pháp chuyển tải này là nội dung của các thuật toán
phân bố tối ưu công suất trong LĐPP. Trong LĐPP thực tế có hàng trăm khố điện,
việc tìm ra giải pháp chuyển tải tốt nhất trong tổ hợp các khoá điện khi chuyển tải sẽ
cần một thời gian rất dài và còn phải xem xét đến các điều kiện ràng buộc kỹ thuật. Vì
vậy cần thiết phải có một thuật tốn tìm điểm mở trên LĐPP để có thể nhanh chóng

C
C

R
L

tìm ra phương thức vận hành tốt nhất cho lưới điện theo các mục tiêu điều khiển.

T

1.1.2. Cấu trúc lưới điện phân phối

Cấu trúc LĐPP đa dạng, phức tạp, các phụ tải đa dạng, đan xen và phát triển

U
D

nhanh. Số lượng nút, nhánh rất nhiều do đó việc tính tốn các chỉ tiêu kinh tế - kỹ
thuật gặp rất nhiều khó khăn, mặc dù trên thực tế đã có khá nhiều phần mềm áp dụng
để quản lý kể cả trong khâu kỹ thuật cũng như khâu kinh doanh.
Chế độ vận hành bình thường LĐPP là vận hành hở. Các sơ đồ lưới điện thường
gặp là: hình tia hay hình tia có nguồn dự phịng. Các sơ đồ trên có những ưu điểm như:
vận hành đơn giản; trình tự phục hồi lại kết lưới sau sự cố dễ dàng hơn. Tuy LĐPP
được vận hành hở nhưng để nâng cao độ tin cây cung cấp điện, giữa các đường dây
thường có các khóa điện thường mở có khả năng kết nối đến các đường dây khác, giúp
chuyển tải hay chuyển nguồn cung cấp điện cho phụ tải khi có sự cố.
Một số sơ đồ cung cấp điện thường được sử dụng trong vận hành:


7

Hình 1.3: Sơ đồ lưới điện hình tia

C
C

R
L

T

U
D

Hình 1.4: Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở
1.2. Tổng quan về các phƣơng pháp tái cấu trúc lƣới điện phân bố tối ƣu công
suất nhằm giảm tổn thất trong LĐPP
1.2.1. Các bài toán tái cấu trúc LĐPP trong vận hành
Các bài toán vận hành LĐPP chủ yếu tập trung vào giải quyết các vấn đề sau:
giảm tổn thất công suất của lưới điện, cải thiện thời gian tái lập cấu trúc, cải thiện các
hệ số tin cậy của hệ thống, cải thiện khả năng tải của lưới điện, cải thiện tình trạng
không cân bằng tải, tối thiểu công suất tổn thất, giảm thiểu tổn thất của hệ thống lưới
điện không cân bằng, tối đa điện áp vận hành. Từ những mục tiêu cơ bản trên, chúng
ta có thể tạm phân chia bài toán tái cấu trúc LĐPP thành các bài toán nhỏ như sau:
- Bài toán 1: Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải trong một khoảng
thời gian để chi phí vận hành bé nhất.


8
- Bài toán 2: Xác định cấu trúc lưới điện theo đồ thị phụ tải trong một khoảng
thời gian để tổn thất điện năng là bé nhất.
- Bài toán 3: Xác định cấu trúc lưới điện tại một thời điểm để tổn thất cơng suất
bé nhất.
- Bài tốn 4: Tái cấu trúc lưới điện cân bằng tải (giữa các đường dây, máy biến
áp nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của lưới điện.
- Bài toán 5: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa.
- Bài toán 6: Xác định cấu trúc lưới theo nhiều mục tiêu như: tổn thất công suất
bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối lưới
bé nhất cùng đồng thời xảy ra (hàm đa mục tiêu).
- Bài toán 7: Xác định cấu trúc lưới điện để đảm bảo mục tiêu giảm năng lượng
ngừng cung cấp hay nâng cao độ tin cây cung cấp điện.

C
C

Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của một LĐPP cực tiểu tổn thất điện

R
L

năng thoả mãn các điều kiện kỹ thuật vận hành ln là bài tốn quan trọng và kinh

T

điển trong vận hành hệ thống điện.

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

U
D

Đặc điểm lƣớI điện

Tên bài tốn

1

2

3

4

5

6


Khố điện được điều khiển từ xa







Chi phí chuyển tải thấp, không mất













Lưới điện thường xuyên bị quá tải





Lưới điện ít bị quá tải













7



điện khi chuyển tải
Chi phí chuyển tải cao, mất điện



khi chuyển tải

Lưới điện hầu như không quá tải









1.2.2. Các nghiên cứu khoa học về tái cấu trúc lưới điện phân phối
1.2.2.1. Thuật toán kỹ thuật vịng kín của Merlin và Back
Thuật tốn của Merlin và Back [1]. Trong nghiên cứu này, kỹ thuật tối ưu nhánh
và biên được sử dụng để tìm cấu hình lưới có tổn thất điện năng là bé nhất. Ban đầu


9
đóng tất cả các khố điện lại tạo thành một lưới kín, sau đó giải bài tốn phân bố cơng
suất và tiến hành mở lần lượt các khố có dịng chạy qua bé nhất cho đến khi lưới điện
dạng hình tia.
Ở đây Merlin và Back cho rằng với mạch vòng, lưới điện phân phối ln có mức
tổn thất cơng suất bé nhất. Vì vậy để có lưới điện phân phối vận hành hình tia, Merlin
và Back lần lượt loại bỏ những nhánh có tổn thất cơng suất nhỏ nhất, q trình sẽ
chấm dứt khi lưới điện đạt được trạng thái vận hành hở. Các thuật tốn tìm kiếm nhánh
và biên ứng dụng luật heuristic này mất rất nhiều thời gian do có khả năng xảy ra đến
2n cấu trúc nếu có n đường dây được trang bị khố điện.
Đọc dữ liệu lưới và khóa điện

C
C

Đóng tất cả khố điện

R
L

Giải bài tốn phân bố cơng suất và
thay thế tải bằng các nguồn dịng

T

U
D

Giải bài tốn phân bố
cơng suất tối ưu

Mở khóa điện cho dịng bé nhất

Vi phạm
Các điều kiện
vận hành

Có

Đóng khóa điện vừa mở
mở khóa điện có dịng bé
nhất tiếp theo

Khơng
Khơng

Lưới điện hình tia

Có
Xuất kết quả

Hình 1.5: Thuật tốn của Merlin và Back được Shirmohammadi và Hong cải tiến
Trong Hình 1.5 trình bày thuật tốn của Merlin và Back đã được Shirmohammadi
và Hong [2] cải tiến. Thuật toán này chỉ khác so với giải thuật nguyên thủy của Merlin


10
và Back ở chỗ có xét đến điện áp ở các trạm trung gian và yếu tố liên quan đến dòng
điện.
Shirmohammadi là tác giả đầu tiên sử dụng kỹ thuật bơm vào và rút ra một lượng
công suất không đổi để mô phỏng thao tác chuyển tải của LĐPP vận hành hở về mặt
vật lý nhưng về mặt toán học là một mạch vịng. Dịng cơng suất bơm vào và rút ra là
một đại lượng liên tục. Sau khi chỉnh sửa, kỹ thuật này vẫn còn bộc lộ nhiều nhược
điểm, có thể liệt kê như sau:
-

Mặc dù đã áp dụng các luật heuristics, thuật toán này vẫn cần quá nhiều thời

gian để tìm ra được cấu trúc giảm tổn thất cơng suất.
-

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

-

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

C

C

1.2.2.2. Kỹ thuật đổi nhánh của Civanlar và các cộng sự

Thuật toán của Civanlar [3] dựa trên heuristics để tái cấu trúc lưới điện phân
phối, lưu đồ mơ tả thuật tốn được trình bày tại Hình 1.6. Thuật tốn của Civanlar
được đánh giá cao nhờ:

R
L

T

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

U
D

- Nguyên tắc chọn khóa đóng: việc giảm tổn thất chỉ có thể đạt được nếu như có
sự chênh lệch đáng kể về điện áp tại khố đang mở.
- Ngun tắc chọn khóa mở: việc giảm tổn thất chỉ đạt được khi thực hiện
chuyển tải ở phía có độ sụt áp lớn sang phía có sụt áp bé hơn.
Xây dựng được hàm số mơ tả mức giảm tổn thất công suất tác dụng khi có sự thay
đổi trạng thái của một cặp khóa điện trong quá trình tái cấu trúc.
* 

P(t)  Re
2  I i E M  E N     R loop  I i
i


D
iD




2

Trong đó:
ΔP(t) : Tổn thất công suất tác dụng
D

: Tập các nút tải được dự kiến chuyển tải

Ii

: Dòng điện tiêu thụ của nút thứ i

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

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

(1.1)


11
Rloop : Tổng các điện trở trên vịng kín khi đóng khố điện đang mở.
Biểu thức (1.1) được rút ra từ phân tích mơ hình tải phân bố tập trung. Biểu thức
này tỏ ra chính xác khi ứng dụng cho các lưới mẫu nhỏ nhưng chưa được kiểm chứng

ở lưới điện lớn.

Giảm số lần thao tác khóa điện
bằng cách xem xét các luật heuristic

Tính tốn tổn thất cơng suất cho
các thao tác đóng cắt được đề nghị

Các tháo tác
đóng cắt làm giảm tổn
thất cơng suất
Có

C
C

Khơng

R
L

T

Thực hiện thao tác đóng/cắt có
mức độ giảm tổn thất công suất nhất

U
D

Phân bố công suất cho lưới điện mới

Không

Kiểm tra
quá tải và độ sụt áp
cho phép

Hệ thống được
xem là tối ưu

Có
Chọn thao tác đóng/cắt kế tiếp
Hình 1.6: Lưu đồ thuật tốn của Civanlar và các cộng sự
Kỹ thuật đổi nhánh thể hiện ở quá trình thay thế một khóa mở bằng một khố
đóng trong cùng một vịng để phân bố cơng suất trong lưới điện giảm tổn thất cơng
suất. Vịng được chọn để đổi nhánh là vịng có cặp khố đóng/mở có mức giảm tổn
thất cơng suất lớn nhất. Q trình được lặp lại cho đến khi không thể giảm được tổn
thất nữa.


12
Thuật tốn Civanlar có ưu điểm sau:
- Nhanh chóng xác định phương án tái cấu trúc có mức tổn thất nhỏ hơn bằng
cách giảm số liên kết đóng cắt nhờ qui tắc heuristics và sử dụng công thức thực
nghiệm để xác định mức độ giảm tổn thất tương đối.
- Việc xác định dịng tải tương đối chính xác.
Tuy nhiên, thuật tốn cịn nhiều nhược điểm cần khắc phục:
- Mỗi bước tính tốn chỉ xem xét một cặp khóa điện trong một vòng.
- Chỉ đáp ứng được nhu cầu giảm tổn thất, chứ chưa giải quyết được bài tốn
cực tiểu hóa hàm mục tiêu.

- Việc tái cấu trúc hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc xuất phát ban đầu.
1.2.2.3 Thuật toán di truyền (Genetic algorithm - GA)

C
C

Thuật toán di truyền được lập dựa trên cơ sở lý thuyết Darwin và đã được giới
thiệu lần đầu tiên bởi Holland năm 1975 [4], sau này được phát triển bởi L.Davis và
Z.Michalevicz. Đây là thuật tốn hình thành từ việc nhận xét thế giới tự nhiên: Q
trình tiến hố tự nhiên là q trình tối ưu nhất, hoàn hảo nhất.

R
L

T

Đây được xem như một tiên đề đúng, không chứng minh được, phù hợp với thực
tế khách quan. Tư tưởng chính của thuật tốn di truyền là ban đầu phát ra một lúc
nhiều lời giải khác nhau song song. Sau đó những lời giải được tạo ra, chọn những lời

U
D

giải tốt nhất để làm cơ sở phát sinh ra những lời giải sau với nguyên tắc càng về sau
càng tốt hơn. Q trình đó cứ tiếp diễn cho đến khi tìm được lời giải tối ưu trong thời
gian cho phép. Mục tiêu chính của thuật tốn di truyền khơng nhằm đưa ra lời giải
chính xác mà đưa ra lời giải tương đối chính xác trong thời gian cho phép. Thuật toán
di truyền tuy dựa trên tính ngẫu nhiên nhưng ngẫu nhiên có sự điều khiển. Tính tối ưu
của q trình tiến hố thể hiện ở chỗ thế hệ sau bao giờ cũng tốt hơn thế hệ trước.
Thuật tốn di truyền thích hợp cho việc tìm kiếm các bài tốn có khơng gian

nghiệm lớn như: Bài tốn tìm kiếm mật mã khóa có 30 chữ số. Bên cạnh đó, bài tốn
tái cấu trúc LĐPP với số lượng khóa vơ cùng lớn nên khơng gian nghiệm của bài tốn
này rất lớn, bài tốn này địi hỏi phải tìm ra được cấu trúc tối ưu trong thời gian nhanh
nhất. Như vậy thuật tốn di truyền đều mơ phỏng bốn q trình tiến hố cơ bản: lai
ghép, đột biến, sinh sản, chọn lọc tự nhiên. Từ ý tưởng và đặc điểm của giải thuật di
truyền, ta nhận xét thuật tốn này rất thích hợp để giải bài tốn tái cấu trúc lưới.
Các bước quan trọng trong việc áp dụng thuật toán di truyền vào bài toán tái cấu
trúc lưới:


13
- Bước 1: Chọn ra một số cấu trúc ngẫu nhiên có thể tìm được trong mạng phân
phối điện.
- Bước 2: Kí hiệu các khóa đóng (sectionalize switches) trong mạng phân phối
là 0; các khóa thường mở (tie switches) là 1.
- Bước 3: Tìm hệ số thích nghi và hàm mục tiêu cho từng cấu trúc đã được tạo
ra ban đầu.
- Bước 4: Chọn ra được cấu trúc tốt nhất dựa vào hàm mục tiêu, tiếp theo đem
cấu trúc này thay đổi một số vị trí hay cịn gọi là đột biến để tạo ra cấu trúc mới.
- Bước 5: Tính các hệ số thích nghi và hàm mục tiêu cho các cấu trúc vừa mới
tạo ra và loại bỏ các cấu trúc có hàm mục tiêu nhỏ hơn.
- Bước 6: Nếu chưa hết thời gian cho phép thì lập lại bước 4 để tìm cấu trúc
mới.

C
C

- Bước 7: Nếu thời gian cho phép chấm dứt thì dừng chương trình tìm kiếm và
báo cáo kết quả tính được.

R
L

T

Ưu điểm của phương pháp:

- Lời giải không phụ thuộc vào trạng thái khóa điện ban đầu của mạng.

U
D

- Do xét khơng gian tìm kiếm rộng và bao quát, nhờ quá trình chọn lọc, lai hóa và
đột biến nên kết quả đạt được thường là tối ưu toàn cục.
- Đây là một phương pháp giải đầy tiềm năng. Trong tương lai nếu cải tiến được
thuật tốn mạnh hơn và tốc độ tính tốn của máy tính nhanh hơn thì hồn tồn có
thể áp dụng vào thực tế vận hành.
Khuyết điểm: Cũng do không gian tìm kiếm có lời giải lớn nên hiện tại phương
pháp này có tốc độ giải cịn khá chậm.
1.2.2.4 Thuật toán đàn kiến (Ant colony algorithm - ACS)
Ban đầu, số con kiến bắt đầu từ tổ kiến để đi tìm đường đến nơi có thức ăn. Từ tổ
kiến sẽ có rất nhiều con đường khác nhau để đi đến nơi có thức ăn, nên một con kiến
sẽ chọn ngẫu nhiên một con đường đi đến nơi có thức ăn. Quan sát lồi kiến, người ta
nhận thấy chúng tìm kiếm nhau dựa vào dấu chân mà chúng để lại trên đường đi (hay
còn gọi là dấu chân kiến để lại). Sau một thời gian lượng dấu chân (pheromone) của
mỗi chặng đường sẽ khác nhau. Do sự tích lũy dấu chân của mỗi chặng đường cũng
khác nhau đồng thời với sự bay hơi của dấu chân ở đoạn đường kiến ít đi. Sự khác
nhau này sẽ ảnh hưởng đến sự di chuyển của những con kiến sau đi trên mỗi đoạn

14
đường. Nếu dấu chân để lại trên đường đi nhiều thì sẽ có khả năng thu hút các con
kiến khác di chuyển trên đường đi đó, những chặng đường cịn lại do không thu hút
được lượng kiến di chuyển sẽ có xu hướng bay hơi dấu chân sau một thời gian qui
định.
Điều đặc biệt trong cách hành xử loài kiến là lượng dấu chân trên đường đi có sự
tích lũy càng lớn thì cũng đồng nghĩa với việc đoạn đường đó là ngắn nhất từ tổ kiến
đến nơi có thức ăn. Từ khi thuật toán kiến trở thành một lý thuyết vững chắc trong việc
giải các bài tốn tìm kiếm tối ưu tồn cục đã có nhiều ứng dụng thực tế cho thuật tốn
này như: Tìm kiếm các trang web cần tìm trên mạng, kế hoạch sắp xếp thời khóa biểu
cho các y tá trong bệnh viện, cách hình thành các màu khác nhau dựa vào các màu tiêu
chuẩn có sẵn, tìm kiếm đường đi tối ưu cho những người lái xe hơi. Nói tóm lại
phương pháp này đưa ra để giải quyết các bài tốn có khơng gian nghiệm lớn để tìm ra
lời giải có nghiệm là tối ưu nhất trong khơng gian nghiệm đó với thời gian cho phép
hay khơng tìm ra cấu trúc tối ưu hơn thì dừng. Phương pháp này cũng rất thích hợp để
giải bài tốn tái cấu trúc mạng để có thể tìm ra trong các cấu trúc có thể của mạng

C
C

R
L

phân phối có một cấu trúc có tổn thất cơng suất là nhỏ nhất.

T

U
D

Hình 1.7: Mơ phỏng thuật tốn đàn kiến
Các bước để tạo ra thuật toán kiến áp dụng cho bài toán tái cấu trúc:
- Bước 1: Một số cấu trúc mạng phân phối sẽ được tạo ra ban đầu.
- Bước 2: Mỗi cấu trúc tượng trưng cho đoạn đường mà kiến đã đi sẽ được tính
tốn hàm mục tiêu (giảm tổn thất công suất, cân bằng tải).
- Bước 3: Mỗi cấu trúc này sẽ được cập nhật vào ma trận dấu chân (ban đầu các
ma trận dấu chân này sẽ bằng nhau). Sau khi các cấu trúc ban đầu tạo ra đã cập


15
nhật vào ma trận dấu chân, ta sẽ chọn ra được cấu trúc tốt nhất trong số các cấu
trúc ban đầu, các cấu trúc cịn lại thì sẽ làm bay hơi dấu chân của các cấu trúc
này.
- Bước 4: Dựa vào ma trận dấu chân ta sẽ xây dựng danh sách các cấu trúc được
chọn.
- Bước 5: Nếu thời gian cho phép vẫn còn và các cấu trúc được chọn vẫn cịn thì
ta quay lại bước 2.
- Bước 6: Nếu thời gian cho phép chấm dứt hay cấu trúc được chọn khơng cịn
thì ta dừng chương trình và xuất ra kết quả.
1.2.2.5. Thuật tốn dựa trên trí tuệ nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN)
Trí tuệ nhân tạo tỏ ra đặc biệt hữu dụng để thực hiện tái cấu trúc lưới vì chúng có
thể mơ phỏng mối liên hệ giữa tính chất phi tuyến tính của tải với tính chất của mạng
lưới Topo nhằm cực tiểu hóa tổn thất trên dây. Mặc dù ANN làm giảm đáng kể thời

C
C

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

R
L

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

T

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

U
D

- Các số liệu mẫu phải thật chính xác để đảm bảo kết quả tính tốn có ý nghĩa.
Kim và các cộng sự [5] đã đề xuất một thuật toán gồm hai giai đoạn dựa trên
ANN trong nỗ lực tái cấu trúc hệ thống nhằm cực tiểu hóa tổn thất. Nhằm tránh những
khó khăn liên quan đến khối lượng lớn các dữ liệu, Kim đã đề nghị chia hệ thống phân
phối thành nhiều vùng phụ tải. Tại mỗi vùng phụ tải, một hệ thống gồm hai ANN sẽ
được sử dụng để phân tích mức độ tải và sau đó thực hiện tái cấu trúc tuỳ theo điều
kiện của tải. Việc ứng dụng ANN trong phương pháp này mang lại các kết quả tính
tốn nhanh vì khơng cần xem xét trạng thái đóng cắt riêng rẽ trong giải thuật tổng thể.
Tuy nhiên, ANN cũng chỉ có thể tìm ra được trạng thái lưới sau tái cấu trúc tốt như tập
số liệu huấn luyện. Chính vì vậy cấu trúc lưới đề nghị dùng ANN cũng không thể chỉ
ra được trạng thái cực tiểu của tổn thất cơng suất ΔP.
1.2.2.6. Phương pháp tìm kiếm TABU (Tabu Search Method - TS)
Khái niệm đầu tiên về bảng tìm kiếm (Tabu search) được dùng trong trí tuệ nhân
tạo. Khơng giống như một số thuật toán khác chẳng hạn như thuật tốn gen di truyền
hay giải thuật luyện kim, nó khơng liên quan đến những hiện tượng sinh học hay vật

16
lý. Thuật tốn tra bảng tìm kiếm được đề cập bởi Fred Glover đầu những năm 1980 [6]
và đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Trong lĩnh
vực hệ thống điện hiện đại dùng để giải quyết các vấn đề của bài toán tái cấu trúc
LĐPP cực tiểu tổn thất trong các điều kiện vận hành bình thường, trong bài tốn tái
cấu trúc. Tabu Search là phương pháp tối ưu sử dụng cho các bài toán tối ưu tổ hợp.
So sánh với giải thuật luyện kim và thuật gen di truyền, phương pháp Tabu
Search có khơng gian tìm kiếm và quản lý tích cực hơn. Thuật toán Tabu Search được
khởi tạo với một cấu hình cơ bản và nó sẽ trở thành cấu hình hiện tại. Tại mỗi bước lặp
của giải thuật, một cấu trúc kề bên sẽ được định nghĩa cho cấu trúc hiện tại, mỗi bước
di chuyển tiếp theo sẽ chọn ra cấu trúc tốt nhất liền kề.
Thuật tốn tìm kiếm này đã và đang được áp dụng rộng rãi trong xử lý một số
vấn đề của mạng điện và mang lại một số kết quả rất khả quan. Thuật toán tìm kiếm

C
C

Tabu Search được ứng dụng để tính tốn các phương án tối ưu và gần tối ưu đối với
bài toán tái cấu trúc lưới bởi các bước sau đây:

R
L

- Bước 1: Nhập dữ liệu nhánh, tải và nút của một hệ thống phân phối bao gồm
cả các điều kiện ràng buộc khi vận hành.

T

- Bước 2: Lựa chọn một phương án ngẫu nhiên từ khơng gian tìm kiếm: S0 ϵ Ω.
Các nghiệm này được thể hiện bởi số lượng khóa điện sẽ được mở trong suốt q

trình tái cấu trúc.

U
D

- Bước 3: Thiết lập kích thước của danh sách Tabu, số lần lặp lớn nhất và đặt chỉ
số lần lặp m = 1.
- Bước 4: Để phương án ban đầu thu được trong bước 2 là phương án hiện tại và
phương án tốt nhất: Sbest = S0 và Scurrent = S0
- Bước 5: Chạy phân bố công suất để xác định tổn thất công suất, các điện áp
nút và các dịng điện nhánh.
- Bước 6: Tính tốn hàm mục tiêu và kiểm tra phương án hiện tại có thỏa mãn
các điều kiện ràng buộc. Một hệ số phạt được thêm vào đối với sự vi phạm ràng
buộc.
- Bước 7: Tính mức độ mong muốn của Sbest: fbest = f(Sbest). Mức độ mong muốn
là tổng của hàm mục tiêu và hàm phạt.
- Bước 8: Tạo ra một hệ các phương án trong miền lân cận của phương án hiện
tại Scurrent bằng cách thay đổi các khóa phải được mở ra. Hệ các phương án này
được ký hiệu là Sneighbor.