Mở rộng lưới truyền tải bằng giải thuật Meta-Heuristic
MỞ RỘNG LƯỚI TRUYỀN TẢI
BẰNG GIẢI THUẬT META-HEURISTIC
EXTEND THE TRANSMISSION GRID
USING THE META-HEURISTIC ALGORITHMTính1, Võ Ngọc
Điều2, Quyền Huy An
Ngô Hiếu Toàn
Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Quy hoạch mở rộng lưới điện truyền tải là một phần rất quan trọng trong quy hoạch mở rộng
hệ thống điện. Mục tiêu chính của quy hoạch mở rộng lưới điện truyền tải là xác định được nơi
nào cần quy hoạch và mở rộng, công suất cần phải mở rộng, xác định được tổng chi phí quy hoạch,
độ tin cậy của hệ thống phải được cải thiện…Quy hoạch mở rộng mạng lưới truyền tải là bài toán
tối ưu hóa phi tuyến rất phức tạp, tập trung chính vào việc tìm ra cấu trúc tối ưu để hệ thống điện
vận hành ổn định với chi phí đầu tư thấp nhất trong hệ thống điện. Trong luận văn này, việc mở
rộng lưới được thực hiện bằng cách xem xét thêm một hay một vài đường dây để loại bỏ nghẽn
mạch trên đường dây truyền tải. Đã có nhiều công bố về vấn đề này được đưa ra trong những năm
gần đây, nhiều phương pháp được áp dụng như các phương pháp GA kinh điển, phương pháp
Heuristic tiến , Heuristic lùi, PSO kinh điển … Các phương pháp này đều cho kết quả khả quan
khi áp dụng vào bài toán chống nghẽn mạch lưới truyền tải. Tuy nhiên, đây là vấn đề quan trọng
trong vận hành tối ưu hệ thống, nên vẫn cần thêm các phương pháp tối ưu khác để làm tham chiếu
đánh giá lựa chọn phương án hợp lý nhất cho một dự án lớn với chi phí cao như xây dựng đường
dây truyền tải điện. Bài báo này sẽ dùng giải thuật Meta-Heuristic với phương pháp PSO được đề
xuất áp dụng trong bài toán này. Để đánh giá kết quả đạt được, hệ thống điện IEEE 30 nút được
dùng để mô phỏng và ghi nhận kết quả trên phần mềm Matlab và PowerWorld. Qua kết quả thu
nhận được đã chứng minh phương pháp được đề xuất có tính khả thi cao khi áp dụng vào bài toán
tối ưu chi phí mở rộng lưới điện trong hệ thống điện được mô phỏng.
Từ khóa: Quy hoạch mở rộng truyền tải điện; phương pháp tối ưu hóa; độ tin cậy của hệ thống .
ABSTRACT
Transmission expansion planning (TEP) is a very important part of power system expansion
planning. The main TEP decided the local to be planed and expanded, the expanded power,
investment cost, the reliability index to be improved…Transmission network expansion planning
(TNEP) is an extremely complex nonlinear optimization problem. Its main focus is to find the
optimal structure for the stable operation of the system with the minimum cost transmission
investment in the power system. In this thesis, network expansion is performed by considering
adding one or few lines to eliminate congestion on the transmission line. There have been many
publications on this issue in recent years, many methods are applied such as GA classic, forward
heuristic, backward heuristic, PSO classic and so on. These methods create the satisfactory results
when applied to the problem of congestion eliminated of transmission network. However, this is
an important issue in the optimal operation of the system, so it is still necessary to add other optimal
methods, reference to evaluate and select the most reasonable planning for a large project with
high costs like the construction of power transmission line. This article will use the Meta-Heuristic
algorithm with the PSO method is considered to apply to this problem. To evaluate achieved results,
IEEE 30 bus test system is used to simulate and record results on MATLAB and PowerWorld
software. The obtained results show that the proposed method is highly feasible when applying to
the cost of optimal problem of power network expansion in the simulated power system.
Key words: Transmission expansion planning; optimition methods; reliability of the system.
Nó không chỉ giải quyết được tắc nghẽn cục bộ
mà còn có thể tiết kiệm chi phí đầu tư và vận
hành, giảm tổn thất điện năng, nâng cao tính
ổn định của hệ thống. Trong bài toán TEP, mở
rộng hệ thống điện bằng cách thêm thiết bị
Facts, tăng khả năng truyền tải của hệ thống
điện. Trong [4], thiết bị Facts được lựa chọn để
khắc phục vấn đề điện áp thấp và nghẽn mạch
đường dây; Việc quy hoạch mở rộng mạng lưới
dưới điều kiện không chắn chắn và vai trò
Facts trong việc cung cấp chế độ vận hành linh
hoạt [5] đề xuất phương pháp quy hoạch mở
rộng trong đó đánh giá và đưa ra so sánh việc
lựa chọn đầu tư đường dây truyền tải với việc
đầu tư thiết bị Facts;
1. Giới thiệu
Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng đang
đặt ra sức ép lên hệ thống điện, việc phát triển
ngành điện phải gắn liền với chiến lược phát
triển kinh tế - xã hội và phải đảm bảo cung cấp
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. Hiện nay vấn đề các nguồn sản xuất
điện thường ở xa khu tiêu thụ, vì vậy cần phải
Truyền tải điện từ nơi này đi nơi khác.
Tương xứng với nhu cầu tiêu thụ điện ngày
một tăng, thị trường điện ra đời đã mang lại
nhiều phúc lợi xã hội. Tuy nhiên, sự nghẽn
mạch trên hệ thống điện xảy ra thường xuyên
hơn. Vì vậy, việc cấp thiết đặt ra của ngành
điện là phải đầu tư mở rộng hệ thống Truyền
tải nhằm đáp ứng nhu cầu cung cấp đầy đủ điện
năng đến tâm phụ tải. Việc mở rộng này nên
được thực hiện một cách kịp thời đáp ứng các
tiêu chí như: tối ưu hóa về kỹ thuật, kinh tế vận
hành và đáp ứng độ tin cậy.
2.3. Tổng quan phương pháp thêm đường
dây mới:
Việc xây dựng mới các đường dây truyền tải
để loại trừ nghẽn mạch thường được thực hiện
trong bài toán TEP. Tuy nhiên, điều này thường
gặp nhiều khó khăn từ chi phí đầu tư và môi
trường. Trong [6], đề xuất tìm ra cấu trúc tối
ưu với chi phí đầu tư thấp nhất, loại bỏ nghẽn
mạch đường dây; Quy hoạch mở rộng hệ thống
truyền tải sử dụng giải thuật heuristic [7], với
mục tiêu là cực tiểu chi phí kéo thêm đường
dây mới do sự phát triển của phụ tải trong
tương lai, đề xuất sử dụng giải thuật heuristic
để giải quyết bài toán.
2. Tổng quan các công trình nghiên cứu
2.1. Tổng quan phương pháp quy hoạch
nguồn:
Quy hoạch mở rộng nguồn phát là bước
quan trọng đầu tiên trong các bài toán quy
hoạch dài hạn. Trong [1], đề xuất việc quy
hoạch mở rộng nguồn tích hợp nguồn năng
lượng tái tạo sử dụng mô hình cây quyết định,
mô hình này có đủ tính linh hoạt, có khả năng
mô phỏng sự không chắc chắn của bài toán;
Trong [2], quy hoạch mở rộng dài hạn nguồn
phát sử dụng hệ thống động và giải thuật di
truyền; Bài báo trình bày phương pháp giúp
người quản lý thị trường phát triển các kế
hoạch đầu tư nguồn phát dài hạn. Nghiên cứu
ứng dụng và so sánh các kỹ thuật Meta-
heuristic vào bài toán quy hoạch mở rộng
nguồn phát [3] đề xuất quy trình lập bản đồ ảo
và hệ số phạt để cải thiện hiệu quả của các kỹ
thuật Meta-heuristic.
3. Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO
PSO là một kỹ thuật tối ưu hóa ngẫu nhiên
dựa trên một quần thể và sau đó tìm nghiệm tối
ưu bằng cách cập nhật các thế hệ, được phát
triển bởi Dr.Eberhart và Dr.Kennedy, phỏng
theo hành vi của các bầy chim hay các đàn cá
[8].
PSO (Particles Swarm Optimization) thuộc
lĩnh vực nghiên cứu quần thể thông minh
(Swarm Intelligence SI), nằm trong tính toán
tiến hóa – Evolution computation. Những ý
tưởng nghiên cứu trong quần thể thông minh
dựa trên quan hệ, cách ứng xử của các cá thể
trong quần thể, và cách thức tự tổ chức, hoạt
động của quần thể. Những ý tưởng này đều
xuất phát từ việc quan sát các quần thể sinh vật
trong tự nhiên. Như cách thức mà đàn chim tìm
kiếm nguồn thức ăn, nguồn nước, cách mà đàn
kiến tìm đường đi tới nguồn thức ăn.
2.2. Tổng quan phương pháp dùng thiết bị
Facts:
Việc cân bằng lại công suất giữa các đường
dây bằng cách sử dụng thiết bị FACTS kết hợp
với quy hoạch lại nguồn phát (GEP) để đáp
ứng nhu cầu phụ tải có một ý nghĩa quan trọng.
5.1. Kết quả phân bố công suất tại 100% tải:
Hệ thống điện được đánh giá phân bố công
suất với lưới điện truyền tải hiện tại, kết quả
ghi nhận được về điện áp cũng như luồng công
suất trên các nút và nhánh được thể hiện qua
các bảng và biểu đồ sau:
Hình 3.1: Khái niệm về sự thay đổi điểm
tìm kiếm của PSO
Ưu điểm của phương pháp này so với các
phương pháp tối ưu toàn cục khác như mô
phỏng tôi luyện (Simulated Annealing), di
truyền (Genetic Algorithm) là với số lượng lớn
cá thể có thể giúp giải thuật vượt qua được các
cực trị cục bộ.
Hình 5.1: Biểu đồ phân bố công suất tại
100% tải trong lưới điện hiện tại
Qua hình 5.1 thể hiện kết quả phân bố công
suất trên các nhánh của hệ thống điện hiện tại.
Kết quả cho thấy rằng nhánh 6-8 đã bị quá tải
hơn 7%. Đây là vấn đề quan trọng cần phải giải
quyết. Tình trạng quá tải sẽ gây ra các bất ổn
trên hệ thống điện, đe dọa nghiêm trọng đến độ
tin cậy và ổn định hệ thống điện.
4. Phương pháp luận
4.1. Mô tả bài toán với giải thuật PSO:
5.2. Thực thi chương trình mở rộng lưới
điện truyền tải:
Hình 4.1: Mã hóa đường dây
Để giải quyết bài toán nghẽn mạch trên hệ
thống điện truyền tải có nhiều phương pháp
được đề xuất, trong bài này đề xuất phương án
mở rộng lưới điện truyền tải bằng cách xây
dựng thêm đường dây mới
Để giải bài toán thì phải mã hóa đường dây
để có thể thực hiện trong quá trình mô phỏng.
Với các nhánh có giá trị =0 thì không thêm
đường dây vào, các nhánh có giá trị =1 thì có
1 đường dây được thêm vào.
Bảng 5.1: Các đường dây được thêm vào hệ
thống điện
4.2. Mô hình hệ thống thử nghiệm:
Để chứng minh cho giải thuật tối ưu được
đề xuất, mô hình hệ thống IEEE 30 nút được
sử dụng làm mô hình đánh giá.
5. Kết quả mô phỏng:
Dùng phần mềm Matlab và PowerWorld để
mô phỏng cho lưới điện hiện tại và lưới điện
với cấu hình mới sau khi được mở rộng, giải
pháp quy hoạch hệ thống điện bằng phương án
xây dựng thêm đường dây được đề xuất trong
luận văn sẽ được kiểm tra kết quả đạt được
thông qua tính toán trên phần mềm Matlab cho
nút 30 nút tiêu chuẩn của IEEE. Các kết quả
thu được sau quá trình tính toán, mô phỏng sẽ
được thể hiện cụ thể bên dưới để chứng minh
hiệu quả của phương pháp được đề xuất. Ngoài
ra, bài toán cũng phân tích đánh giá trong các
trường hợp phụ tải tăng lên từng giai đoạn
trong tương lai.
Thực hiện mở rộng lưới điện truyền tải với
thời gian dự báo trong 10 phụ tải tăng khoảng
45%. Vì phụ tải tăng dần theo thời gian nên để
giảm chi phí đầu tư cũng như thời gian thực
hiện ta sẽ tính toán để xây dựng lần lượt đưa
07 đường dây vào hệ thống như sau:
Giả thuyết tải tăng theo đồ thị
trước), với chi phí thấp mà hệ thống không bị
quá tải là nhánh số 6-8, 26-28. Kết quả được
chứng minh bằng PowerWorld với hình 6.4
Hình 5.2: Đồ thị tăng tải trong 10 năm
Trình tự thực hiện chạy chương trình
Matlab để chọn phương án thêm lần lược các
đường dây thực hiện như sau:
Bước 1: Chạy chương trình với tải 145%
(năm thứ 10) và xác định được 07 tuyến dây
cần thêm vào hệ thống.
Hình 5.4: Phân bố công suất trên các nhánh
tại 110% tải
Bước 2: Giảm tải xuống 140% (năm thứ 08)
loại bỏ dần các đường dây có chi phí lớn mà
không gây ra quá tải.
5.4. Kết quả phân bố công suất tại 120% tải:
Tiếp tục tăng tải lên 20% thì thêm tiếp
đường dây thứ 03 vào hệ thống với chi phí thấp
mà hệ thống không bị quá tải là nhánh số 5-16.
Bước 3: Tiếp tục bước 2 trở về thời gian
hiện tại.
Bước 4: Xây dựng biểu đồ tăng tải theo thời
gian và trình tự xây dựng các đường dây theo
năm.
5.5. Kết quả phân bố công suất tại 130% tải:
Tiếp tục tăng tải lên 30% thì thêm tiếp
đường dây thứ 04 vào hệ thống với chi phí thấp
mà hệ thống không bị quá tải là nhánh số 1-4.
Kết quả được thể hiện qua hình 5.5
Xây dựng biểu đồ tăng tải theo thời gian và
trình tự xây dựng các đường dây theo năm, để
xác định các đường dây lần lượt sẽ đưa vào hệ
thống sao cho chi phí thấp nhất mà hệ thống
không bị quá tải
Hình 5.3: Trình tự xây dựng các đường dây
trong 10 năm
5.3. Kết quả phân bố công suất tại 110% tải
sau lhi mở rộng:
Sau khi chạy chương trình Matlab cho tăng
tải lên 10% thì cho kết quả thêm vào 02 đường
dây mới (trong số 07 đường dây được chọn
Hình 6.6: Phân bố công suất trên các nhánh
tại 145% tải
Hình 5.5: Phân bố công suất trên các nhánh
tại 130% tải
nhánh 4-6 mới quá tải 106% công suất định
mức.
5.6. Kết quả phân bố công suất tại 140% tải:
Vì phụ tải tăng dần theo thời gian nên để
giảm chi phí đầu tư cũng như thời gian thực
hiện việc mở rộng lưới, chương trình ta sẽ tính
toán để đưa ra phương án xây dựng lần lượt
các đường dây (trong số 07 đường dây mới
được chon) vào hệ thống 30 nút bằng cách xây
dựng biểu đồ tăng tải theo thời gian và trình tự
xây dựng các đường dây theo năm, để xác định
các đường dây ưu tiên lần lượt sẽ đưa vào hệ
thống sao cho chi phí thấp nhất mà hệ thống
không bị quá tải.
Tiếp tục tăng tải lên 40% thì thêm tiếp
đường dây thứ 05 và 06 vào hệ thống với chi
phí thấp mà hệ thống không bị quá tải là nhánh
số 2-4 và 25-30.
5.7. Kết quả phân bố công suất tại 145% tải:
Tiếp tục tăng tải lên 45% thì thêm tiếp
đường dây thứ 07 là đường dây sau cùng trong
07 đường dây được chọn để thêm vào hệ thống
là nhánh số 9-22. Kết quả được thể hiện qua
hình 6.6
Hệ thống sau khi mở rộng lưới bằng phương
pháp thêm đường dây mới có hiệu quả rõ rệt
khi chống được tình trạng nghẽn mạch xảy ra
cho lưới điện hiện tại cũng như trong tương lai
khi có sự gia tăng phụ tải.
Khi mở rộng lưới bằng phương pháp thêm
đường dây mới, công suất truyền tải sẽ tăng lên
cao trên toàn lưới. với việc công suất các phụ
tải có thể vận hành tốt khi công suất phụ tải
tăng 45%.
7. Kết luận
Qua các kết quả mô phỏng của hệ thống 30
nút trước và sau khi mở rộng trong các phần
trên, có một số nhận xét được rút ra như sau:
Khi chưa mở rộng lưới hệ thống đã có hiện
tượng giảm điện áp tại 100% tải ở nút số 8
bằng 0.94 pu và nhánh 6-8 đã quá tải 106,09%
công suất định mức. Sau khi thực hiện kéo
thêm 07 đường dây để mở rộng lưới thì phụ tại
145% trong thời gian dự báo là 10 năm tải thì
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S . a. farghal, M. roehdy abdel aziz. Generation expansion planning including the renewable
energy sources. IEEE transactions on power systems. Vol. 3, no. 3, august 1988.
[2] Adelino J.C. Pereira a, João Tomé Saraiva b,*. Generation expansion planning (GEP) e A long-
term approach using system dynamics and genetic algorithms (GAs). Energy. 36 (2011) 5180-
5199.
[3] S. Kannan, S. Mary Raja Slochanal, and Narayana Prasad Padhy. Application and Comparison
of Metaheuristic Techniques to Generation Expansion Planning Problem. IEEE transactions on
power systems. VOL. 20, NO. 1, FEBRUARY 2005.
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
7 trang
09/01/2024
19780
Free
Bạn đang xem tài liệu "Mở rộng lưới truyền tải bằng giải thuật Meta-Heuristic", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- mo_rong_luoi_truyen_tai_bang_giai_thuat_meta_heuristic.pdf
