Tài liệu Quy hoạch mở rộng lưới truyền tải sử dụng thuật toán mặt cắt tối thiểu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

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

PHẠM VĂN LỚI

QUY HOẠCH MỞ RỘNG LƯỚI TRUYỀN TẢI
SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MẶT CẮT TỐI THIỂU

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 9 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

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

PHẠM VĂN LỚI

QUY HOẠCH MỞ RỘNG LƯỚI TRUYỀN TẢI
SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MẶT CẮT TỐI THIỂU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 9 năm 2016


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS TRƯƠNG VIỆT ANH
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 25 tháng 9 năm 2016
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)

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

PGS. TS. Đồng Văn Hướng

Chủ tịch

2

TS. Nguyễn Hùng

Phản biện 1

3

PGS. TS. Quyền Huy Ánh

Phản biện 2

4

TS. Võ Công Phương

Ủy viên

5

TS. Võ Viết Cường

Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 23 tháng 01 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHẠM VĂN LỚI

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 28/11/1976

Nơi sinh: Quảng Bình

Chun ngành: Kỹ thuật điện.

MSHV: 1441830046

I- Tên đề tài:
Quy hoạch mở rộng lưới truyền tải sử dụng thuật toán mặt cắt tối thiểu.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tìm hiểu các bài tốn quy hoạch và phương pháp giải.
- Tìm hiểu thuật toán mặt cắt tối thiểu và áp dụng thuật toán trong quy hoạch lưới
điện truyền tải nhằm giảm thiểu khơng gian tìm kiếm.
- Ứng dụng trên các ví dụ mẫu và trên sơ đồ thực tế.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
23/01/2016
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
30/6/2016
V- Cán bộ hướng dẫn:
PGS. TS TRƯƠNG VIỆT ANH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Số 515/QĐ-ĐKC

TP. HCM, ngày 23 tháng 01 năm 2016

QUYẾT ĐỊNH
Về việc Giao đề tài luận văn thạc sĩ cho học viên Phạm Văn Lới
HIỆU TRƯỞNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Căn cứ Quy chế đào tạo trình độ thạc sĩ ban hành theo Thơng tư số 15/2014/TTBGDĐT, ngày 15 tháng 5 năm 2014 của Bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo;
Căn cứ quyết định số 3408/QĐ-ĐKC ngày 22 tháng 11 năm 2014 của Hiệu trưởng
về việc công nhận trúng tuyển học viên cao học đợt 2 năm 2014;
Xét đề nghị của Trưởng phòng Quản lý khoa học và Đào tạo sau đại học,
QUYẾT ĐỊNH:
Điều 1. Giao đề tài luận văn thạc sĩ cho:
Họ tên học viên: PHẠM VĂN LỚI

Ngày sinh: 28/11/1976

MSHV: 1441830046

Lớp: 14SMĐ21

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện.

MSHV: 60520202

Tên đề tài luận văn: Quy hoạch mở rộng lưới truyền tải sử dụng thuật toán mặt cắt
tối thiểu.
Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Trương Việt Anh
Điều 2. Học viên Phạm Văn Lới và Cán bộ hướng dẫn có quyền và nghĩa vụ theo
Quy chế đào tạo Thạc sĩ ban hành theo Thông tư số 15/2014/TT-BGDĐT, ngày 15 tháng
5 năm 2014 của Bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo.
Điều 3. Cán bộ hướng dẫn, học viên có tên tại Điều 1 và các đơn vị liên quan chịu
trách nhiệm thi hành quyết định này.
Nơi nhận:

HIỆU TRƯỞNG

-Như điều 3;
-Lưu: P. TC-HC, P. QLKH – ĐTSĐH.

Hồ Đắc Lộc


i

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.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Phạm Văn Lới


ii

LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian học tập tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM, được
sự giúp đỡ và hướng dẫn của q thầy cơ, tơi đã hồn thành luận văn tốt nghiệp
này.
Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng quản lý khoa học – Đào tạo
sau đại học của Trường Đại học Công nghệ TP. HCM đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi cho tôi học tập, nghiên cứu và thực hiện tốt đề tài trong thời gian qua.
Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS Trương Việt Anh, Thầy đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi trong suốt q trình thưc hiện luận văn tốt nghiệp.
Chân thành cảm ơn quý thầy, cô đã tận tâm chỉ dẫn, truyền đạt kiến thức
cho tôi trong quá trình học tại Trường.
Xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên Hội đồng phản biện đã góp ý để tơi
hồn thiện luận văn của mình.
Cảm ơn các bạn học viên trong lớp cao học Kỹ thuật điện 14SMĐ21 đã
cùng nhau đoàn kết, giúp đỡ trong suốt thời gian học tập tại Trường.
Trân trọng.

T.P Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 6 năm 2016
Học viên
Phạm Văn Lới


iii

TÓM TẮT
Tên đề tài: ‘‘Quy hoạch mở rộng lưới truyền tải sử dụng thuật toán mặt cắt tối
thiểu”
Thời gian thực hiện: Từ tháng 01 năm 2016.
Nội dung luận văn gồm có:
Chương 1. Mở đầu
Giới thiệu chung về vai trị, u cầu, mục tiêu chính của cơng tác quy hoạch mở rộng
lưới điện và các phương pháp đã dùng cho quy hoạch lưới điện.
Đề xuất phương pháp mới để thực hiện quy hoạch mở rộng lưới điện cũng như nêu
mục tiêu, nhiệm vụ, giới hạn và các nội dung chính của luận văn.
Chương 2. Tổng quan quy hoạch mở rộng lưới điện
Giới thiệu, phân loại bài toán quy hoạch toán học và trình bày chi tiết các phương
pháp quy hoạch lưới điện truyền tải như phương pháp tối ưu hóa tốn học (mơ hình
AC, DC, phân tích Bender và thuật tốn nhánh biên), phương pháp meta-heuristic
(tìm kiếm Tabu, thuật tốn di truyền, tối ưu hóa bầy đàn).
Chương 3. Cơ sở lý thuyết mặt cắt tối thiểu
Trình bầy cơ sở lý thuyết thuật toán mặt cắt tối thiểu, xây dựng giải thuật mặt cắt tối
thiểu để áp dụng vào lưới điện và thực hiện tính tốn trên sơ đồ điển hình lưới điện
Garver 6 bus.
Chương 4. Áp dụng trên ví dụ mẫu và sơ đồ thực tế
Áp dụng thuật toán min-cut max-flow trên sơ đồ lưới điện 14 bus IEEE và lưới điện
truyền tải 220/500 kV Miền Trung Việt Nam.
Chương 5. Kết luận

Nhận xét, kết luận các kết quả nghiên cứu đã đạt được và hướng nghiên cứu tiếp theo
của đề tài.


iv

ABSTRACT
Topic name: “Transmission Expansion Planning Using Min Cut Algorithm”.
Duration: from January, 2016.
This thesis consists of the following parts:
Chapter 1. Introduction
General introduction about the role, requirements and goals of transmission
expansion planning and methods used for transmission expansion planning.
Proposing new method to solve the transmission expansion planning problem as well
as specified the objectives, tasks and the main content of this thesis.
Chapter 2. Overview transmission expansion planning
Introduction and classification of mathematical programming problems and
presentation detailed about planning methods to solve the transmission expansion
planning problem such as Mathematical optimization methods (DC model, AC
model, and The branch and bound algorithm and Benders decomposition), metaheuristic methods (Tabu Search, Genetic Algorithm, Particle Swarm Optimization).
Chapter 3. Theoretical basis min-cut algorithm
Presented the theoretical basis of min-cut algorithm and built min-cut max-flow
algorithm to apply to the electric system and calculate on Garver 6 bus diagram.
Chapter 4. Application on the standard system and the actual system
Apply min-cut max-flow algorithm on the 14-bus IEEE system and 220/500kV
transmission system in Central of Vietnam.
Chapter 5. Conclusion
Comments and conclusions of the research results achieved and the next research.

v

MỤC LỤC
TỰA

TRANG

Quyết định giao đề tài
LỜI CAM ĐOAN ………………………………………………………... i
LỜI CẢM ƠN …………………………………………………………… ii
TÓM TẮT ……………………………………………………………….. iii
MỤC LỤC ……………………………………………………………….. v
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT …………………………………... viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ………………………………………………. ix
DANH SÁCH CÁC BẢNG ……………………………………………... xi
Chương 1 MỞ ĐẦU ……………………………………………………... 1
1.1. Đặt vấn đề …………………………………………………………. 1
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ ……………………………………………... 3
1.3. Phương pháp nghiên cứu ………………………………………….. 3
1.4. Giới hạn đề tài …………………………………………………….. 3
1.5. Điểm mới của luận văn ……………………………………………. 4
1.6. Phạm vi ứng dụng …………………………………………………. 4
1.7. Bố cục của luận văn ……………………………………………….. 4
Chương 2 TỔNG QUAN QUY HOẠCH LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI … 5
2.1. Bài toán quy hoạch toán học ……………………………………… 5
2.1.1. Bài toán tối ưu tổng quát ……………………………………… 5
2.1.2. Phân loại các bài toán tối ưu ……………………………..…… 5
2.2. Một số phương pháp quy hoạch lưới điện truyền tải ……...……… 7
2.2.1. Phương pháp tối ưu hóa tốn học ………………...……...…… 7
2.2.1.1. Mơ hình DC ………………………………………………. 7

2.2.1.2. Mơ hình AC ………………………………………………. 10
2.2.1.3. Phân tích Benders và thuật tốn nhánh và biên…………… 12
2.2.2. Tối ưu hóa meta-heuristic ……………………………………. 16
2.2.2.1. Tìm kiếm Tabu TS ……………………………………….. 16


vi
2.2.2.2. Thuật toán di truyền GA …………………………………. 22
2.2.2.3. Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO ………………………. 25
2.2.2.4. Kết hợp CHA và PSO giải bài toán STEP ……………….. 28
2.3. Tổng kết chương ………………………………………...………… 31
2.3.1. Phương pháp tối ưu hóa tốn học ……...……………………… 32
2.3.1.1. Thuận lợi ………………………………………………….. 32
2.3.1.2. Khó khăn ………………………………………………….. 32
2.3.2. Phương pháp meta-heuristic …………………………………... 32
2.3.2.1. Thuận lợi ………………………………………………….. 32
2.3.2.2. Khó khăn ………………………………………………….. 32
2.3.3. Phương pháp đề xuất ………………………………………….. 32
Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MẶT CẮT TỐI THIỂU ……………..... 34
3.1. Giới thiệu chung ………………………………………..…………. 34
3.2. Thuật toán "min cut" của Mechtild Stoer và Frank Wagner ……… 34
3.2.1. Thuật toán ……………………………..………………………. 34
3.2.2. Ví dụ …………………………………..………………………. 35
3.2.3. Nhận xét ………………………………..…………………….. 37
3.3. Giải thuật "min-cut max-flow" áp dụng cho hệ thống điện ……….. 38
3.3.1. Giải thuật "min-cut max-flow" ………………..………………. 38
3.3.2. Mơ hình hóa hệ thống điện ……………..……………………... 41
3.3.3. Trình tự các bước quy hoạch mở rộng lưới điện ……………… 43
3.3.3.1. Xác định các vị trí tắc nghẽn bằng thuật tốn Min-Cut ….. 43
3.3.3.2. Định hướng quy hoạch mở rộng …………………………. 44

3.3.4. Áp dụng trên sơ đồ điển hình …………………………………. 45
3.3.4.1. Kịch bản 1 ………………………………………………… 47
3.3.4.2. Kịch bản 2 ………………………………………………… 53
3.4. Tổng kết chương …………………………………………………... 56
Chương 4 ÁP DỤNG TRÊN VÍ DỤ MẪU VÀ SƠ ĐỒ THỰC TẾ …….. 57
4.1. Lưới điện 14 bus IEEE …………………………………………..... 57
4.1.1. Lưới điện 14 bus IEEE cơ bản ……………………………….. 57


vii
4.1.2. Lưới điện 14 bus IEEE mở rộng .......………………………… 59
4.1.2.1. Xác định các điểm thắt cổ chai …………………………… 60
4.1.2.2. Định hướng quy hoạch mở rộng …………………………. 61
4.2. Lưới điện 220-500kV Miền Trung Việt Nam …………………….. 64
4.2.1. Lưới điện 220-500kV Miền Trung Việt Nam tháng 02/2016 … 69
4.2.2. Lưới điện 220-500kV Miền Trung Việt Nam mở rộng ……….. 72
4.2.2.1. Xác định các điểm nghẽn mạch …………………………… 72
4.2.2.2. Định hướng quy hoạch mở rộng …………………………. 75
4.3. Tổng kết chương …………………………………………………... 77
Chương 5 KẾT LUẬN …………………………………………………... 79
5.1. Những kết quả đạt được ………………………………………....... 79
5.2. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài ………..….………………… 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………….. 81


viii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
- AC-OPF (AC optimal power flow): Phân bố tối ưu luồng công suất AC.
- AUGMECON (The augmented 𝜀 -constraint method): Phương pháp ràng buộc 𝜀 mở

rộng.
- BPSO (Binary Particle Swarm Optimization): Tối ưu hóa bầy đàn nhị phân.
- CHA (Constructive Heuristic Algorithm): Thuật toán heuristic xây dựng.
- DSM (Demand-Side Management): Quản lý nhu cầu sử dụng điện năng.
- DTEP (Dynamic transmission expansion planning): Quy hoạch động mở rộng lưới
điện.
- DPSO (Dicrete Particle Swarm Optimization): Tối ưu hóa bầy đàn rời rạc.
- GA (Genetic Algorithm): Giải thuật di truyền.
- GEP (Generation expansion planning): Quy hoạch mở rộng nguồn phát.
- HS hoặc EA (Harmony search algorithm hoặc Evolutionary Algorithm): Giải thuật
tiến hóa.
- IC (Investment Cost): Chi phí đầu tư.
- IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers): Viện kỹ nghệ điện – điện
tử.
- NLP (Non-linear Programming): Bài toán phi tuyến.
- NLIMP (Non-linear Integer Mixed Problem): Bài toán hỗn hợp số nguyên phi tuyến.
- LP (Linear Programming): Bài toán tuyến tính.
- OC (Operation Cost): Chi phí vận hành.
- PL (Power Losses): Tổn thất công suất.
- PSO (Particle Swarm Optimization): Tối ưu hóa bầy đàn.
- STEP (Static transmission expansion planning): Quy hoạch tĩnh mở rộng lưới điện.
- TEP (Transmission expansion planning): Quy hoạch mở rộng lưới điện.
- TS (Tabu Search): Tìm kiếm Tabu.


ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1. Phân tích Bender cho bài tốn đầu tư và vận hành

15

Hình 2.2. Lưu đồ thuật tốn Tabu Search với bộ nhớ trung-dài hạn

22

Hình 2.3. Lưu đồ thuật tốn di truyền Chu và Beasley (GACB)

25

Hình 2.4. Lưu đồ tính tốn DPSO cho lưới kiểm tra an ninh N – 1

28

Hình 2.5. Lưu đồ thuật tốn CHA

30

Hình 2.6. Lưu đồ thuật tốn PSO

31

Hình 2.7. Lưu đồ thuật tốn kết hợp CHA và PSO

32

Hình 3.1. Đồ thị vơ hướng 8 nút

35

Hình 3.2. Đỉnh t(1) và s(5) và lát cắt đầu tiên đi qua t(1)-a(2), t(1)-s(5)

36

Hình 3.3. Lát cắt thứ 2 đi qua t(8)-e(4), t(8)-s(7)

36

Hình 3.4. Lát cắt thứ 3 đi qua t(7,8)-d(3), t(8)-s(4)

36

Hình 3.5. Lát cắt thứ 4 đi qua t(4,7,8)-c(6), t(4,7,8)-s(3); lát cắt thứ 5 đi qua

36

t(3,4,7,8)-s(6), t(3,4,7,8)-a(2)
Hình 3.6 Lát cắt thứ 6 đi qua t(1,5)-a(2), t(1,5)-s(3,4,6,7,8); lát cắt thứ 7 đi

36

qua t(V\2)-s(2)
Hình 3.7. Lưu đồ giải thuật xác định luồng cơng suất cực đại

41

Hình 3.8. Sơ đồ lưới điện hai thanh cái và mơ hình đại diện theo đồ thị

42

Hình 3.9. Các lát cắt sơ đồ lưới điện hai thanh cái

42

Hình 3.10. Lát cắt cực tiểu trên sơ đồ mơ hình

43

Hình 3.11. Sơ đồ Garver 6 bus

48

Hình 3.12. Mơ phỏng lưới điện Garver 6 bus sau khi mở rộng mặt cắt 3-5, 4- 51

6
Hình 3.13. Mơ phỏng lưới điện Garver 6 bus sau khi mở rộng mặt cắt 3-5, 52
4-6 và lắp đặt TCSC mặt cắt 1-2, 2-4
Hình 3.14. Mơ phỏng lưới điện Garver 6 bus sau khi mở rộng mặt cắt 3-5, 4- 53

6 và mở rộng nguồn G1
Hình 3.15. Mơ phỏng phương án quy hoạch thứ nhất lưới điện Garver 6 bus

56

Hình 3.16. Mơ phỏng phương án quy hoạch thứ hai lưới điện Garver 6 bus

56

Hình 3.17. Mơ phỏng phương án quy hoạch thứ ba lưới điện Garver 6 bus

57


x
Hình 4.1. Sơ đồ lưới điện 24 bus IEEE

58

Hình 4.2. Mô phỏng phương án quy hoạch thứ nhất lưới điện 14 bus IEEE

63

Hình 4.3. Mơ phỏng phương án quy hoạch thứ hai lưới điện 14 bus IEEE

64

Hình 4.4. Sơ đồ hiện hành lưới điện 220/500kV Miền Trung Việt Nam

65

Hình 4.5. Mơ phỏng lưới điện Miền Trung Việt Nam tháng 02/2016

72

Hình 4.6. Mô phỏng lưới điện Miền Trung Việt Nam phát tăng tối đa cơng suất

75

Hình 4.7. Mơ phỏng lưới điện Miền Trung Việt Nam sau khi mở rộng

78


xi

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 3.1. Vị trí và dung lượng của các lát cắt sơ đồ lưới điện hai thanh cái

44

Bảng 3.2. Các trường hợp xảy ra tại vị trí lát cắt

45

Bảng 3.3. Các thông số nguồn và phụ tải sơ đồ Garver 6 bus

47

Bảng 3.4. Các thông số đường dây sơ đồ Garver 6 bus

47

Bảng 3.5. Kịch bản được đặt ra cho hệ thống lưới điện Garver 6 bus

48

Bảng 3.6. Ma trận thông lượng lưới Garver 6 bus

49

Bảng 3.7. Tập hợp các mặt cắt lưới Garver 6 bus hiện trạng

49

Bảng 3.8. Tập hợp các mặt cắt lưới Garver 6 bus mở rộng

50

Bảng 3.9. Đối chiếu với một số nghiên cứu về số lượng mạch mở rộng

53

Bảng 3.10. Phụ tải điện cho kịch bản 2

54

Bảng 3.11. Tập hợp các mặt cắt lưới Garver 6 bus theo kịch bản 2

54

Bảng 3.12. Lát cắt ứng với từng trường hợp quy hoạch lưới Garver 6 bus

54

Bảng 3.13. Phương án quy hoạch mở rộng lưới điện Garver 6 bus

55

Bảng 4.1. Bảng 4.1. Nguồn và phụ tải lưới điện 14 bus IEEE

59

Bảng 4.2. Thông số đường dây lưới điện 14 bus IEEE

59

Bảng 4.3. Tập hợp mặt cắt 14 bus IEEE

61

Bảng 4.4. Lát cắt ứng với từng trường hợp quy hoạch lưới 14 bus IEEE

62

Bảng 4.5. Phương án quy hoạch mở rộng lưới 14 bus IEEE

63

Bảng 4.6. Các nghiên cứu về số lượng mạch mở rộng lưới điện 14 bus

64

IEEE
Bảng 4.7. Công suất tải, nguồn lưới điện Miền Trung Việt Nam 02/2016

66

Bảng 4.8. Thông số đường dây lưới điện Miền Trung Việt Nam 02/2016

68

Bảng 4.9. Ma trận thông lượng lưới điện 220/500kV Miền Trung 02/2016

71

Bảng 4.10. Ma trận thông lượng lưới 220/500kV Miền Trung tăng công

74

suất
Bảng 4.11. Nhánh dự kiến mở rộng lưới 220/500kV Miền Trung Việt Nam

76

Bảng 4.12. Ma trận thông lượng lưới 220/500kV Miền Trung sau mở rộng

77


1

Chương 1

MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, việc phát triển ngành điện phải gắn liền với chiến lược phát triển
kinh tế - xã hội và phải đảm bảo cung cấp đủ điện cho nền kinh tế quốc dân và đời
sống xã hội với chất lượng điện năng ngày càng cao, đồng thời phải sử dụng có hiệu
quả nguồn tài nguyên năng lượng, đa dạng hóa các nguồn năng lượng sơ cấp cho sản
xuất điện, bảo tồn nhiên liệu và đảm bảo an ninh năng lượng cho tương lai.
Vì vậy đặt ra yêu cầu cần phải quy hoạch mở rộng, sử dụng hợp lý nguồn tài
nguyên, ứng dụng khoa học kỹ thuật vào xây dựng, quản lý và vận hành hệ thống
điện với mục tiêu cực tiểu hóa tổng chi phí (chi phí đầu tư xây dựng, chi phí sản xuất,
chi phí vận hành, bảo dưỡng sửa chữa…) nhưng vẫn phải đảm bảo cung cấp điện liên
tục cho phụ tải với chất lượng điện năng trong phạm vi cho phép.
Quy hoạch mở rộng lưới điện TEP (Static transmission expansion planning)
là một phần quan trọng của quy hoạch hệ thống điện, gắn liền với quy hoạch mở rộng
nguồn phát GEP (Generation expansion planning) và sự tăng trưởng của phụ tải. Sau
khi có vị trí địa lý của các nhà máy điện và trung tâm phụ tải, cần phải quy hoạch lưới
điện với nguyên lý cơ bản là cực tiểu cấu trúc lưới điện và chi phí vận hành nhằm
thỏa mãn yêu cầu phân phối điện năng an toàn, liên tục và tin cậy.
Các giải pháp quy hoạch cơ bản khi nghiên cứu TEP được đề cập bao gồm:
(i) Xây dựng các đường dây truyền tải và trạm biến áp mới song song tại vị trí
nghẽn mạch;
(ii) Xây dựng các đường dây truyển tải và trạm biến áp mới trên các hướng tuyến
mới để chia sẻ luồng công suất tại điểm nghẽn mạch;
(iii) Lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng để giảm lượng công suất ảo trên
lưới điện;


2
(iv) Lắp đặt TCSC (Thyristor controlled series capacitor) để phân bố lại công
suất qua điểm nghẽn mạch;

(v) Điều chỉnh công suất nguồn phát nhằm thay đổi luồng công suất qua điểm
nghẽn mạch.
Tùy thuộc vào mục tiêu quy hoạch (nâng cao độ tin cậy, ổn định của hệ thống,
hiệu quả thị trường điện, hoặc chi phí đầu tư thấp, …) mà có thể chọn biện pháp quy
hoạch ưu tiên phù hợp.
Đồng thời, TEP phải thỏa mãn các yêu cầu về độ tin cậy nhằm đảm bảo phát
huy công suất của các máy phát điện mới xây dựng trong khi giảm thiểu các chi phí
đầu tư, vận hành và ngừng cấp điện; độ tin cậy bao gồm:
 Các yêu cầu vận hành bình thường: Khi các thiết bị của hệ thống năng lượng
được vận hành trong những điều kiện tốt, đảm bảo các tiêu chuẩn vận hành khác
nhau. Ví dụ như cơng suất truyền tải của đường dây, công suất phát, cấp điện áp, dự
trữ nóng và trong phạm vi giá cả đã cho.
 Yêu cầu vận hành trong điều kiện ngẫu nhiên: Khi một thiết bị hư hỏng hay
khi tải xuất hiện các dao động, độ tin cậy cung cấp điện phải được thỏa mãn. Chi phí
lưới điện bao gồm đầu tư mua sắm thiết bị máy biến áp, thiết bị truyền tải và chi phí
vận hành thiết bị.
Bài tốn TEP khá phức tạp vì quy hoạch phải căn cứ trên sơ đồ thực tế đang
có sẵn và các ràng buộc cần phải thỏa mãn khá lớn, bao gồm các phương trình phi
tuyến (như là các ràng buộc về cấp điện áp) và phương trình vi phân (như là các vấn
đề ổn định). Vì vậy khó có thể có một mơ hình tốn học và phương pháp giải trọn
vẹn cho bài tốn TEP.
Để khắc phục khó khăn trên, bài tốn TEP thường được chia làm hai bước, lập
sơ đồ và đánh giá sơ đồ. Lập sơ đồ nhằm xác định một hay nhiều phương án có chi
phí thấp thỏa mãn khả năng tải của các thiết bị truyền tải và đánh giá sơ đồ là đánh
giá tồn bộ đặc tính kinh tế kỹ thuật của sơ đồ đã cho, bao gồm dịng tải, phân tích
ổn định, dịng ngắn mạch, độ tin cậy và tính tốn kinh tế để đi đến quyết định một sơ


3
đồ tối ưu cuối cùng. Và qua việc đánh giá sơ đồ, cấu hình của lưới điện có thể được

cải thiện.
Bài toán TEP [3] [4] đã được nghiên cứu rộng rãi, phân tích từ quan điểm và
các khía cạnh khác nhau như: Phương pháp giải quyết, độ an tồn, tính ổn định, thị
trường điện, sự phân bố máy phát phân tán, vấn đề tác động tới môi trường, thời gian
và mức đầu tư xây dựng, khả năng truyền tải, quy hoạch công suất phản kháng và
quản lý nhu cầu sử dụng điện năng DSM (Demand-Side Management)…
Với các nghiên cứu trước đây, bài toán TEP được giải bằng các phương pháp
tối ưu hóa tốn học, tối ưu hóa heuristic và meta-heuristic đã cho những kết quả khả
quan nhưng với bản chất phức tạp của bài tốn các phương pháp trên có những bất
lợi như: Việc quản lý công thức trong mô hình tối ưu hóa khá khó; khi thêm những
ràng buộc mới, mơ hình phải được cấu hình lại; miền khơng gian tìm kiếm rộng, thời
gian mơ phỏng lớn.
Trên cơ sở kết quả của các cơng trình nghiên cứu trước đây đã đạt được, đề tài
“Quy hoạch mở rộng lưới truyền tải sử dụng thuật toán mặt cắt tối thiểu” với
mục đích nghiên cứu, áp dụng thuật tốn mặt cắt tối thiểu "Maximum flow – Min
cut" nhằm giới hạn không gian tìm kiếm, rút ngắn thời gian mơ phỏng trong bài toán
quy hoạch mở rộng lưới điện truyền tải.1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ
 Tìm hiểu các bài tốn trong quy hoạch lưới điện truyền tải và phương pháp
giải.
 Tìm hiểu thuật toán mặt cắt tối thiểu và áp dụng thuật toán trong quy hoạch
lưới điện truyền tải nhằm giảm thiểu khơng gian tìm kiếm.
 Ứng dụng thuật tốn mặt cắt tối thiểu trong quy hoạch mở rộng lưới điện
truyền tải trên các ví dụ mẫu và trên sơ đồ thực tế.
1.3. Phương pháp nghiên cứu
 Ứng dụng lý thuyết giải tích và mơ phỏng tốn học trong quy hoạch lưới điện
truyền tải.
 Sử dụng phần Matlab và PowerWorld để tính toán và kiểm chứng kết quả.


4

1.4. Giới hạn đề tài
 Chỉ xét bài toán quy hoạch tĩnh lưới điện truyền tải khi sử dụng thuật tốn mặt
cắt tối thiểu.
 Chỉ xét ổn định tĩnh khơng xét đến ổn định động của hệ thống điện.
1.5. Điểm mới của luận văn
Áp dụng thuật toán mặt cắt tối thiểu vào quy hoạch mở rộng lưới điện truyền tải.
1.6. Phạm vi ứng dụng
 Ứng dụng thuật toán mặt cắt tối thiểu vào quy hoạch mở rộng lưới điện truyền
tải cho các lưới điện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) mẫu.
 Ứng dụng thuật toán mặt cắt tối thiểu vào quy hoạch mở rộng lưới điện truyền
tải cho các mơ hình hay lưới điện thực tế bất kỳ.
 Là tài liệu tham khảo cho môn học cung cấp điện, quy hoạch hệ thống điện.
1.7. Bố cục của luận văn
 Chương 1. Mở đầu
 Chương 2: Tổng quan về quy hoạch lưới điện truyền tải
 Chương 3: Cơ sở lý thuyết mặt cắt tối thiểu
 Chương 4: Áp dụng trên ví dụ mẫu và sơ đồ thực tế
 Chương 5: Kết luận


5

Chương 2
TỔNG QUAN QUY HOẠCH LƯỚI ĐIỆN
2.1. Bài toán quy hoạch toán học
2.1.1. Bài toán tối ưu tổng quát
Bài toán tối ưu tổng qt có dạng như sau: Tìm tập hợp các biến số
x = (x1 , x1 , … , xn ) ∈ Rn thỏa mãn f(x) = f(x1 , x1 , … , xn ) → min (hay max)

(2.1)

Với các điều kiện:
{

gi (x1 , x1 , … , xn ) ≤ 0, i = 1,2, … , m,
hi (x1 , x1 , … , xn ) = 0, i = 1,2, … , p,

x = (x1 , x1 , … , xn ) ∈ X ∈ Rn ,

(2.2)
(2.3)

Trong đó f, các gi (i = 1, … , m), hj (j = 1, … , p) là những hàm số cho trước, X
là tập hợp cho trước nào đó. Bài tốn (2.1)-(2.3) cịn được gọi là bài tốn quy hoạch
toán học, hàm f(x) được gọi là hàm mục tiêu, các hàm gi (i = 1, … , m), hj (j = 1, … , p)
được gọi là các hàm ràng buộc.
Tập hợp D={x ∈ X: g i (x) ≤ 0, i = 1, … , m; hi (x) = 0, j = 1, … , p}

(2.4)

Được gọi là miền ràng buộc hay miền chấp nhận được. Mỗi điểm x ∈ D được
gọi là một phương án hay điểm chấp nhận được. Một phương án x ∈ D đạt cực tiểu
(hay cực đại) của hàm mục tiêu, cụ thể là: f(x ∗ ) ≤ f(x), ∀x ∈ D đối với bài toán min,
f(x ∗ ) ≥ f(x), ∀x ∈ D đối với bài toán max.

Được gọi là một phương án tối ưu hay lời giải của bài tốn. Khi đó f(x ∗ ) được
gọi là giá trị tối ưu của bài toán.
2.1.2. Phân loại các bài toán tối ưu
Để tiện cho việc nghiên cứu (dựa vào tính chất của hàm mục tiêu, các hàm
ràng buộc, các hệ số, các biến số…), thơng thường bài tốn tối ưu thường chia ra một

số lớp sau đây [1]:


6
 Quy hoạch tuyến tính nếu hàm mục tiêu f(x) và tất cả các hàm ràng buộc
gi (x), i = 1, … , m, hj (x), j = 1, … , p, đều là tuyến tính và X là một tập hợp lồi đa điện.

Bài tốn có dạng

f(x) = ∑nj=1 cj xj → min (hay max)

(2.5)

Các ràng buộc

∑nj=1 aij xj (≤; =; ≥)bi , i = 1,2, … m

(2.6)

Với xj ≥ 0, j = 1,2, … m; cj , aij , bi là các hằng số; bất đẳng thức ≤ đối với bài toán max
và ≥ đối với bài toán min.
 Quy hoạch tham số nếu các hệ số trong biểu thức của hàm mục tiêu hay trong
các hàm ràng buộc phụ thuộc vào một hay nhiều tham số. Đơn giản nhất là bài tốn
quy hoạch tuyến tính tham số với các hệ số ở hàm mục tiêu hay ở vế phải các ràng
buộc phụ thuộc vào một tham số.
 Quy hoạch động nếu đối tượng được xét là các q trình có thể chia ra thành
nhiều giai đoạn hoặc các quá trình phát triển theo thời gian. Trong nhiều trường hợp
bài tốn quy hoạch động lại có thể diễn đạt như một bài toán tĩnh và thường đưa được
về dạng bài tốn quy hoạch tuyến tính với kích thước lớn.
 Quy hoạch phi tuyến nếu hàm mục tiêu f(x) hay một trong các hàm ràng buộc

gi (x), hj (x) khơng phải là tuyến tính hay nếu X khơng phải là một tập hợp lồi đa diện

(chẳng hạn khi X là tập hợp các điểm rời rạc hay X là một tập hợp khơng lồi). Do
tính chất của bài tốn TEP, việc sử dụng bài toán quy hoạch phi tuyến là khá phù hợp,
tuy nhiên hiện nay chưa có phương pháp chung hiệu quả nào để giải, mà thường sử
dụng các phương pháp lặp (tuyến tính hóa, Gradient, nhân tử Lagrange…) để giải.
 Quy hoạch lồi nếu hàm mục tiêu cần tìm cực tiểu là lồi (hay hàm cần tìm cực
đại là lõm) và miền ràng buộc D là một tập lồi. Đây là lớp bài toán quy hoạch phi
tuyến được nghiên cứu nhiều nhất. Một trường hợp riêng quan trọng của quy hoạch
lồi là quy hoạch toàn phương, trong đó xét bài tốn tìm cực tiểu của một hàm lồi bậc
hai với các ràng buộc tuyến tính.
 Quy hoạch lõm nếu hàm mục tiêu cần tìm cực tiểu là lõm và miền ràng buộc
D là một tập lồi.


7
 Quy hoạch phân thức nếu hàm mục tiêu là thương của hai hàm số cho trước
và miền ràng buộc D là một tập lồi.
 Quy hoạch rời rạc nếu miền ràng buộc D là một tập hợp rời rạc. Trường hợp
khi các biến chỉ nhận giá trị nguyên, ta có một quy hoạch nguyên. Một số trường hợp
riêng quan trọng của quy hoạch nguyên là quy hoạch với biến Boole (các biến số chỉ
nhận giá trị 0 hoặc 1) và quy hoạch tuyến tính nguyên (quy hoạch tuyến tính với các
biến số chỉ lấy giá trị nguyên).
 Quy hoạch đa mục tiêu nếu trên cùng một miền ràng buộc D ta xét đồng thời
hai hay nhiều mục tiêu khác nhau (tuyến tính hoặc khơng tuyến tính).
Các phương pháp quy hoạch phi tuyến có nhược điểm chung là khơng đảm bảo
chắc chắn sự hội tụ, để đạt được sự hội tụ, thông thường cần chọn giá trị đầu gần với
lời giải tối ưu; mặt khác không đảm bảo tối ưu toàn cục, nhược điểm này càng tăng
khi số lượng biến càng tăng. Vì vậy bài tốn quy hoạch phi tuyến thường được đưa
về bài tốn quy hoạch tuyến tính.

2.2. Một số phương pháp quy hoạch lưới điện truyền tải
Về cơ bản, dựa trên chiến lược quy hoạch, quy hoạch lưới điện truyền tải có
thể chia làm hai dạng, quy hoạch tĩnh STEP và quy hoạch động DTEP. Trong đó,
STEP được áp dụng trong ngắn hạn, một giai đoạn, nhằm xác định ở đâu và bao nhiêu
đường dây mới được xây dựng để đáp ứng kế hoạch chiến lược; còn DTEP được áp
dụng trong dài hạn, nhiều giai đoạn và là bài toán phức tạp, đa biến. Tuy nhiên nếu
STEP được chia thành nhiều giai đoạn, bài toán sẽ trở thành DTEP. Trong phạm vi
luận văn này chỉ xem xét STEP với các phương pháp giải tối ưu hóa tốn học, tối ưu
hóa heuristic và meta-heuristic [2]:
2.2.1. Phương pháp tối ưu hóa tốn học
Các kỹ thuật lập trình tuyến tính là một trong những phương pháp tối ưu hóa
tốn học đầu tiên áp dụng để giải bài toán TEP, với các mơ hình AC, DC, giải thuật
tối ưu hóa cổ điển như phân tích Benders và các thuật tốn nhánh và biên.
2.2.1.1. Mơ hình DC
Sử dụng mơ hình DC, bài tốn STEP được viết dưới dạng sau:


8
𝒎𝒊𝒏 𝒗 = ∑𝒊𝒋 𝒄𝒊𝒋 𝒏𝒊𝒋 + 𝜶 ∑𝒔∈𝜴𝒌 𝒓𝒔

(2.7)

Với các điều kiện ràng buộc:
𝐵(𝒏 + 𝑛0 )𝜃 + 𝒈 + 𝒓 = 𝒅

(2.8)

̅ 𝑖𝑗
(𝑛𝑖𝑗 + 𝑛0𝑖𝑗 )|𝜃𝑖 − 𝜃𝑗 | ≤ (𝑛𝑖𝑗 + 𝑛0𝑖𝑗 )𝚽

(2.9)

̅
0≤𝒈≤𝒈
0≤𝒓≤𝒅
̅𝑖𝑗
0 ≤ 𝑛𝑖𝑗 ≤ 𝐧
Hàm 𝜃𝑖 không bị chặn, 𝑛𝑖𝑗 số nguyên, ∀(𝑖, 𝑗) ∈ 𝛺.
Trong đó 𝑐𝑖𝑗 là chi phí của một mạch mà có thể bổ sung vào nhánh i-j, B(.) là
ma trận điện dẫn, 𝜃 là vector góc thanh cái, 𝑛0 là vector các mạch hiện thời trong cấu
trúc cơ bản với các phần tử 𝑛0𝑖𝑗 , 𝒏 là vector các mạch được thêm vào để đạt được cấu
̅ 𝑖𝑗 = 𝒇̅ 𝑖𝑗 /𝛾̅ 𝑖𝑗 là dòng cực đại của
chúc hiện hành với các phần tử 𝑛𝑖𝑗 trong nhánh i-j, 𝚽
một mạch trong nhánh i-j và 𝛾̅ 𝑖𝑗 là điện dẫn của một mạch, 𝒅 là vector nhu cầu, 𝒈 là
vector máy phát, 𝒈
̅ là vector dung lượng máy phát, 𝒓 là vector sa thải phụ tải và 𝛼 là
thông số phạt mất tải do đường dây không đủ dung lượng. 𝛺 là tập các phần tử (i, j)
tại vị trí các đường dây truyền tải có thể được thêm vào và 𝛺𝑠 là tập các thanh cái
trong hệ thống điện.
Hàm mục tiêu của STEP (2.7) thể hiện các chi phí đầu tư cho một nhánh mới
(đường dây mới, máy biến áp mới…) cộng với một hàm phạt do tổn thất và sa thải
phụ tải. Hàm phạt phải đủ lớn để đảm bảo rằng sự cắt giảm tải bằng không (hoặc gần
bằng không) tại giải pháp tối ưu. Thông thường, thông số phạt mất tải do đường dây
không đủ dung lượng 𝛼 được xác định bằng cách thống kê các tác động gây ra cho
người tiêu dùng do thiếu điện, thông số này thể hiện giá tối đa mà người tiêu dùng
sẵn sàng trả cho việc liên tục cung cấp điện.
Ta thấy rằng, ràng buộc (2.8) thể hiện cân bằng công suất tại mỗi nút, đại diện
cho định luật Kirchhoff dòng (KCL) trong mạng DC tương ứng. Điều kiện (2.9) đại
diện cho định luật Kirchhoff áp (KVL) và các ràng buộc phi tuyến. Như vậy, bài toán

9
STEP viết dưới dạng trên trở thành bài toán hỗn hợp số nguyên phi tuyến NLIMP.
Đây là một bài toán tổ hợp phức tạp, có thể dẫn đến một bùng nổ tổ hợp các lựa chọn.
Tuy nhiên, nếu toàn bộ ràng buộc của biến 𝑛𝑖𝑗 được giản lược với 𝑛𝑖𝑗 ≥ 0, mơ hình
DC trở thành một bài tốn phi tuyến NLP.
Mặt khác, theo [5] nếu như đã biết cấu hình lưới (biết vector điện dẫn 𝒏𝑘 ,
tương ứng với trường hợp đường dây mới đã được xây dựng) hàm mục tiêu của STEP
(2.7) trở thành bài tốn tuyến tính LP:
𝒎𝒊𝒏 𝒘 = 𝜶 ∑𝒔 𝒓𝒔

(2.10)

Với các điều kiện ràng buộc:
𝐵(𝒏𝑘 + 𝒏0 )𝜃 + 𝒈 + 𝒓 = 𝒅

(2.11)

̅ 𝑖𝑗
(𝑛𝑘𝑖𝑗 + 𝑛0𝑖𝑗 )|𝜃𝑖 − 𝜃𝑗 | ≤ (𝑛𝑘𝑖𝑗 + 𝑛0𝑖𝑗 )𝚽

(2.12)

̅
0≤𝒈≤𝒈
0≤𝒓≤𝒅
̅𝑖𝑗
0 ≤ 𝑛𝑖𝑗 ≤ 𝐧
Hàm 𝜃𝑖 không bị chặn, 𝑛𝑖𝑗 số ngun, ∀(𝑖, 𝑗) ∈ 𝛺.
Mơ hình DC được sử dụng rộng rãi trong các bài toán quy hoạch lưới truyền

tải do tính đơn giản. Tuy nhiên, mơ hình DC có các bất lợi như khơng thể xét tổn hao
công suất cũng như phân bố công suất phản kháng, đồng thời với các hệ thống lớn và
phức tạp mô hình DC chưa đề cập nhiều. Vì vậy mơ hình DC thường được:
 Xem xét trong giai đoạn đầu với sự đáp ứng các điều kiện cơ bản, sau đó được
phân tích sâu hơn bằng các cơng cụ lập kế hoạch mở rộng lưới như phân bố công suất
AC và các công cụ liên quan đến đánh giá an ninh khác như phân tích ngắn mạch,
phân tích ổn định tĩnh và ổn định động.
 Kết hợp với các kỹ thuật tối ưu hóa có sẵn như là thuật tốn nhánh và biên,
thuật tốn heuristic (trở thành các mơ hình lai, meta-heuristic) như tìm kiếm Tabu,
tối ưu hóa bầy đàn PSO, giải thuật di truyền GA, giải thuật tiến hóa HS hoặc EA…