Áp Dụng Thuật Toán BBO Để Giảm Tổn Thất Công Suất Thực Trong Hệ Thống Điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích thiết bị mạng và nhà máy điện áp dụng thuật toán bbo cho bài toán giảm tổn thất công suất thực, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Lê Doãn Mỹ
• Người hướng dẫn: TS. Lê Kỷ
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Giảm Tổn Thất Công Suất Thực Trong Hệ Thống Điện Bằng Thuật Toán BBO
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Bài Toán Giảm Tổn Thất Công Suất Thực Trong Hệ Thống Điện

Bài toán giảm tổn thất công suất thực trong hệ thống điện có thể quy về bài toán tối ưu hóa phân phối công suất kháng (ORPD) với hàm mục tiêu là cực tiểu tổn hao công suất thực. ORPD là một bài toán con của bài toán tối ưu hóa phân bố công suất (Optimal Power Flow - OPF). Bài toán OPF thực hiện tối ưu hóa cả công suất kháng và công suất thực. Tối ưu hóa công suất thực, được xem như điều phối tải kinh tế (ELD) bằng cách tối ưu quy hoạch nguồn phát của các nguồn khả thi để cực tiểu chi phí máy phát, mục tiêu của ràng buộc hệ thống. Tối ưu hóa công suất kháng ORPD (công suất thực đã biết) liên quan đến cực tiểu tổn hao công suất thực, quy hoạch công suất kháng cũng như đảm bảo các yêu cầu vận hành hệ thống điện. Bài toán ORPD nhằm giảm tổn thất công suất thực thường đi kèm với các mục tiêu khác như cực tiểu độ lệch điện áp, cực tiểu chỉ số độ ổn định điện áp.

1.1. Bài Toán Tối Ưu Hóa Phân Bố Công Suất OPF Là Gì

Vấn đề tối ưu hóa phân bố công suất (OPF) đã được giới thiệu bởi Carpentier vào năm 1962 như một yêu cầu của bài toán điều độ kinh tế lưới điện. Từ đó, bài toán OPF ngày càng được đào sâu nghiên cứu và mở rộng, thực hiện tối ưu hóa cả công suất kháng và công suất thực.

1.2. Mối Quan Hệ Giữa OPF và Bài Toán ORPD trong Hệ Thống Điện

Bài toán tối ưu hóa phân phối công suất kháng ORPD nhằm giảm tổn hao công suất thực thường đi kèm với các mục tiêu khác như cực tiểu độ lệch điện áp, cực tiểu chỉ số độ ổn định điện áp. OPF bao gồm cả ORPD và điều phối tải kinh tế.

II. Thách Thức và Hạn Chế Của Các Phương Pháp Giảm Tổn Thất Điện

Tối ưu hóa công suất phản kháng bằng cách giảm thiểu tổn hao công suất thực đã được nghiên cứu từ lâu. Các nghiên cứu cổ điển cho bài toán ORPD như: lập trình tuyến tính (LP), lập trình phi tuyến, lập trình bậc 2, lập trình tổng hợp integer, phương pháp Newton… Các phương pháp này có nhược điểm là dựa trên mô hình tuyến tính xấp xỉ, do đó không thể tính toán kết quả tối ưu đối với những hàm mục tiêu phi tuyến như được dùng trong bài toán tối ưu hóa công suất kháng và rất khó để tính toán các biến gradient cho số lượng lớn các phép tính trong nghiên cứu. Những kỹ thuật tối ưu hóa thông thường dẫn đến một giải pháp tối ưu cục bộ hơn là đưa ra giải pháp tổng quát cho bài toán.

2.1. Nhược Điểm Của Phương Pháp Tuyến Tính Trong ORPD là Gì

Các phương pháp dựa trên mô hình tuyến tính xấp xỉ không thể tính toán kết quả tối ưu đối với những hàm mục tiêu phi tuyến như được dùng trong bài toán tối ưu hóa công suất kháng và rất khó để tính toán các biến gradient cho số lượng lớn các phép tính trong nghiên cứu.

2.2. Tại Sao Giải Pháp Tối Ưu Cục Bộ Không Đủ Cho Bài Toán ORPD

Những kỹ thuật tối ưu hóa thông thường dẫn đến một giải pháp tối ưu cục bộ hơn là đưa ra giải pháp tổng quát cho bài toán. Cần tìm giải pháp tối ưu toàn cục.

2.3. Vấn Đề Với Giả Định Toán Học Trong Các Thuật Toán Tối Ưu

Để đơn giản hóa vấn đề, các thuật toán tối ưu hóa thông thường này đưa ra nhiều giả định toán học như phân tích tính chất khác biệt của hàm mục tiêu và cho rằng tồn tại cực tiểu đặc biệt trong vùng bài toán dẫn đến kết quả không chính xác.

III. Thuật Toán BBO Giải Pháp Hiệu Quả Giảm Tổn Thất Điện Năng

Trong những năm gần đây, các thuật toán lấy cảm hứng từ sự quan sát những hiện tượng tự nhiên để giải quyết các bài toán tổ hợp phức tạp ngày càng được chú ý. Các thuật toán này được phát triển dựa trên meta-heuristics chứng minh được hiệu suất tốt hơn so với các phương pháp thông thường. Chúng tìm được những giải pháp tổng quát tốt nhất hoặc gần tổng quát tốt nhất để giải quyết những vấn đề kỹ thuật, nhiều phương pháp tìm kiếm ngẫu nhiên được phát triển cho bài toán tối ưu hóa tổng quát. Các phương pháp nổi bật như: Genetic Algorithm (GA), Simulated Annealing (SA), Tabu Search (TS), Evolutionary Programming (EP), Evolutionary Strategy (ES), Particle Swarm optimization (PSO), Biogeography-Based optimization (BBO)… được dùng để giải bài toán ORPD.

3.1. Ưu Điểm Của Thuật Toán BBO So Với Các Thuật Toán Khác

Thuật toán BBO là thuật toán về dân số, dựa trên sự di cư và đột biến của các loài trong môi trường sống để tìm ra các đặc tính tốt nhất nhằm tối ưu hóa các vấn đề được đề ra. Thuật toán BBO cho thấy sự tiện dụng, kết quả chính xác hơn và hội tụ nhanh hơn các phương pháp khác nhưng vẫn thỏa mãn được các yêu cầu ràng buộc mà bài toán đề ra.

3.2. Ứng Dụng Thực Tế Của BBO Trong Tối Ưu Hóa Công Suất Kháng

Thuật toán BBO được đề xuất bởi Dan Simon vào năm 2008 được dùng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau và đã được áp dụng để giải quyết vấn đề tối ưu hóa phân bố công suất kháng trên hệ thống điện tiêu chuẩn IEEE 30 nút và 57 nút để cực tiểu tổn hao công suất thực đem lại sự ổn định, an toàn và kinh tế trong vận hành hệ thống điện.

IV. Áp Dụng Thuật Toán BBO Để Giảm Tổn Thất Điện Năng Thực Tế

Trong luận văn này, tác giả áp dụng thuật toán BBO cho bài toán giảm tổn thất công suất thực trong hệ thống điện. Mục tiêu là cho thấy sự tiện dụng, kết quả chính xác hơn và hội tụ nhanh hơn các phương pháp khác nhưng vẫn thỏa mãn được các yêu cầu ràng buộc mà bài toán đề ra. So sánh kết quả sử dụng thuật toán BBO để giải bài toán giảm tổn thất công suất thực thông qua việc tối ưu hóa phân bố công suất kháng ORPD được so sánh với kết quả từ các nghiên cứu khác, trong các bài báo gần đây, để thấy được tính ưu việt do thuật toán BBO đem lại.

4.1. Mô Hình Toán Học Của Bài Toán Giảm Tổn Thất Điện Năng

Bài toán giảm tổn thất công suất thực thông qua việc tối ưu hóa phân bố công suất kháng ORPD là một bài toán quan trọng trong an ninh, vận hành và qui hoạch hệ thống điện. Mục đích chung của bài toán ORPD là xác định đúng giá trị các thông số điều khiển được như: điện áp các nút PV (nút nguồn), giá trị các tụ mắc shunt và nấc điều chỉnh MBA để tối thiểu tổn thất công suất thực trên lưới điện trong khi vẫn thỏa mãn các yêu cầu vận hành của hệ thống.

4.2. So Sánh Kết Quả BBO Với Các Thuật Toán Khác Trong Hệ Thống Điện

Kết quả sử dụng thuật toán BBO để giải bài toán giảm tổn thất công suất thực thông qua việc tối ưu hóa phân bố công suất kháng ORPD được so sánh với kết quả từ các nghiên cứu khác, trong các bài báo gần đây, để thấy được tính ưu việt do thuật toán BBO đem lại. So sánh này bao gồm các thông số như tốc độ hội tụ, độ chính xác và khả năng tìm kiếm giải pháp tối ưu toàn cục.

V. Kết Quả Thực Nghiệm Đánh Giá Hiệu Quả Thuật Toán BBO

Bài báo “Comparative Study of methods for Optimal reactive Power dispatch” (tác giả Tejaswini Sharma, Alka Yadav, Sangeeta Jamhoria và Ritu Chaturvedi) nêu ra những khái niệm cơ bản về bài toán ORPD cũng như những thuật toán được đề xuất trong những thập niên gần đây để giải quyết bài toán này. Bài toán ORPD được mô hình hóa với một mục tiêu duy nhất hoặc đa mục tiêu tùy theo yêu cầu vận hành. Các biến điều khiển cho bài toán ORPD như điện áp máy phát, nấc điều chỉnh điện áp, nguồn bù công suất kháng. Nguồn công suất...

5.1. Nghiên cứu so sánh các thuật toán với bài toán ORPD

Bài báo “Comparative Study of methods for Optimal reactive Power dispatch” (tác giả Tejaswini Sharma, Alka Yadav, Sangeeta Jamhoria và Ritu Chaturvedi) nêu ra những khái niệm cơ bản về bài toán ORPD cũng như những thuật toán được đề xuất trong những thập niên gần đây để giải quyết bài toán này

VI. Tổng Kết và Hướng Phát Triển Thuật Toán BBO Trong Tương Lai

Tóm lại, luận văn này đã trình bày một cách tiếp cận hiệu quả để giải quyết bài toán giảm tổn thất công suất thực trong hệ thống điện bằng cách sử dụng thuật toán BBO. Kết quả nghiên cứu cho thấy BBO có khả năng cung cấp các giải pháp tối ưu vượt trội so với các phương pháp truyền thống, đồng thời mở ra những hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực tối ưu hóa hệ thống điện. Cần tiếp tục khám phá các cải tiến và ứng dụng tiềm năng của BBO để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện trong tương lai.

6.1. Đánh giá kết quả khi sử dụng thuật toán BBO

Kết quả nghiên cứu cho thấy BBO có khả năng cung cấp các giải pháp tối ưu vượt trội so với các phương pháp truyền thống.

6.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục khám phá các cải tiến và ứng dụng tiềm năng của BBO để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay , cùng với việc gia tăng nhu cầu về công suấ t , lƣới điện ngày càng phát triển toàn diện, đƣờng dây truyền tải, thiết bị và phụ tải trên lƣới tăng nhanh theo chiều hƣớng phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế trong khi các nguồn phát chƣa đáp ứng đủ nhu cầu hiện tại. Sự thiếu hụt công suất phát và cơ sở truyền tải buộc các mạng lƣới hệ thống điện phải vận hành trong điều kiện căng thẳng. Sự an toàn trong vận hành hệ thống điện bị đe dọa khi nó phải hoạt động ở điều kiện căng thẳng và có thể dẫn đến sự mất ổn định điện áp. Tổ n thấ t công suấ t thƣ̣c trên đƣờng dây truyền tải cao, không có đủ công suất kháng hoặc không đƣợc tối ƣu hóa phân bố công suấ t kháng có thể dẫn đến một hệ thống điện vận hành không an toàn trong điều kiện tải nặng nề.

Do đó, việc cƣ̣c tiể u tổ n thất công suấ t thƣ̣c trên đƣờng dây truyề n tải cũng nhƣ phân bổ lại công suấ t kháng phát trong hệ thống là một vấn đề cần thiết và cấp bách. Tổn thất công suất thực của hệ thống có thể cực tiểu bằng cách tối ƣu hóa phân phối công suất kháng trong hệ thống. Một lƣợng lớn dòng công suất kháng trong hệ thống điện có thể làm gia tăng tổn thất công suất thực trong hệ thống. Do đó, cực tiểu tổn hao công suất thực đảm bảo tối ƣu hóa phân phối công suất kháng trên đƣờng dây.

Bài toán giảm tổn thất công suất thực trong hệ thống điện từ đó có thể qui về bài toán tối ƣu hóa phân phối công suất kháng (ORPD) với hàm mu ̣c tiêu là cƣ̣c tiể u tổ n hao công suấ t thƣ̣c. Nhiệm vụ chính của bài toán ORPD là giảm thiểu tổn hao công suất thực và biểu đồ điện áp đƣợc cải thiện trong khi vẫn thỏa mãn các thiết lập vận hành và ràng buộc vật lý. Bài toán ORPD đóng một vai trò quan trọng trong vận hành hệ thống điện, đảm bảo rằng các thông số mạng nhƣ điện áp và tải đƣờng dây đƣợc giữ trong những giới hạn cho phép, nâng cao chất lƣợng dịch vụ cho ngƣời tiêu dùng tại các điểm tải và vận hành kinh tế, an toàn trong hệ thống điện. Lê Kỷ HVTH: Lê Doãn Mỹ Trang 2 1.

Hƣớng tiếp cận của đề tài Tối ƣu hóa công suất phản kháng bằng cách giảm thiểu tổn hao công suấ t thƣ̣c trên thực tế đã đƣơ ̣c nghiên cƣ́u từ lâu. Các nghiên cứu cổ điển cho bài toán ORPD nhƣ: lập trình tuyến tính (LP), lập trình phi tuyến, lập trình bậc 2, lập trình tổng hợp integer, phƣơng pháp Newton… Các phƣơng pháp này có nhƣợc điểm là dựa trên mô hình tuyến tính xấp xỉ, do đó không thể tính toán kết quả tối ƣu đối với những hàm mục tiêu phi tuyến nhƣ đƣợc dùng trong bài toán tối ƣu hóa công suất kháng và rất khó để tính toán các biến gradient cho số lƣợng lớn các phép tính trong nghiên cứu. Những kỹ thuật tối ƣu hóa thông thƣờng dẫn đến một giải pháp tối ƣu cục bộ hơn là đƣa ra giải pháp tổng quát cho bài toán. Mặt khác, để đơn giản hóa vấn đề, các thuật toán tối ƣu hóa thông thƣờng này đƣa ra nhiều giả định toán học nhƣ phân tích tính chất khác biệt của hàm mục tiêu và cho rằng tồn tại cực tiểu đặc biệt trong vùng bài toán dẫn đến kết quả không chính xác.

Trong những năm gần đây, các thuật toán lấy cảm hứng từ sự quan sát những hiện tƣợng tự nhiên để giải quyết các bài toán tổ hợp phức tạp ngày càng đƣợc chú ý. Các thuật toán này đƣợc phát triển dựa trên meta-heuristics chứng minh đƣợc hiệu suất tốt hơn so với các phƣơng pháp thông thƣờng. Chúng tìm đƣợc những giải pháp tổng quát tốt nhất hoặc gần tổng quát tốt nhất để giải quyết những vấn đề kỹ thuật, nhiều phƣơng pháp tìm kiếm ngẫu nhiên đƣợc phát triển cho bài toán tối ƣu hóa tổng quát. Các phƣơng pháp nổi bật nhƣ: Genetic Algorithm (GA)[7], Simulated Annealing (SA), Tabu Search (TS), Evolutionary Programming (EP), Evolutionary Strategy (ES), Particle Swarm optimization (PSO), Biogeography-Based optimization (BBO)[17]… đƣợc dùng để giải bài toán ORPD.

Trong đó thuật toán BBO là thuật toán về dân số, dựa trên sự di cƣ và đột biến của các loài trong môi trƣờng sống để tìm ra các đặc tính tốt nhất nhằm tối ƣu hóa các vấn đề đƣợc đề ra. Thuật toán BBO đƣợc đề xuất bởi Dan Simon vào năm 2008 đƣợc dùng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau và đã đƣợc áp dụng để giải quyết vấn đề tối ƣu hóa phân bố công suất phản kháng trên hệ thống điện tiêu chuẩn IEEE 30 nút và 57 nút để cực tiểu tổn hao công suất thực đem lại sự ổn định, an toàn và kinh tế trong vận hành hệ thống điện. Lê Kỷ HVTH: Lê Doãn Mỹ Trang 3 Trong luận văn này, Tôi áp dụng thuật toán BBO cho bài toán giảm tổn thất công suất thực trong hệ thống điện vì thuật toán BBO cho thấy sự tiện dụng, kết quả chính xác hơn và hội tụ nhanh hơn các phƣơng pháp khác nhƣng vẫn thỏa mãn đƣợc các yêu cầu ràng buộc mà bài toán đề ra. Mục tiêu nghiên cứu Bài toán giảm tổ n hao công suấ t thƣ̣c thông qua viê ̣c tố i ƣu hóa phân bố công suấ t kháng ORPD là một bài toán quan trọng trong an ninh , vâ ̣n hành và qui hoa ̣ch hệ thống điện.

Mục đích chung của bài toán ORPD là xác định đúng giá trị các thông số điều khiển đƣợc nhƣ: điện áp các nút PV (nút nguồn), giá trị các tụ mắc shunt và nấc điều chỉnh MBA để tối thiểu tổn thất công suất thực trên lƣới điện trong khi vẫn thỏa mãn các yêu cầu vận hành của hệ thống. Nhiều thuật toán thông thƣờng và phƣơng pháp lập trình toán học khác nhau đã đƣợc đề xuất để giải quyế t vấn đề. Nhƣng bài toán ORPD ngày nay là một bài toán phi tuyến không lồi, kết quả là hầu hết các kỹ thuật tối ƣu hóa cổ điển có thể hội tụ về một tối ƣu địa phƣơng thay vì tiến tới tối ƣu tổ ng quát. Ngoài ra, các kỹ thuật cổ điển không thể giải quyết các hàm mục tiêu phức tạp mà không khả vi, đặc biệt là trong các vấn đề kích thƣớc lớn hoặc với những ràng buộc phức tạp.

Đối với những phƣơng pháp tìm kiếm ngẫu nhiên đƣợc đề xuất trong những năm gần đây cho thấy, những thuật toán này có thể tính toán đƣợc điểm tối ƣu hóa tổng quát trên những hàm mục tiêu không lồi và không liên tục. Nhƣng nhiều trong số đó không thể giải quyết bài toán tối ƣu hóa cho số nguyên và gián đoạn tự nhiên. Để giải quyết các vấn đề phức tạp trên, thuật toán BBO đƣợc đề xuất để giải bài toán ORPD với hàm mục tiêu là cực tiểu tổn hao công suất thực. Thuật toán BBO cho thấy khả năng tính toán trên các hàm phức tạp cũng nhƣ kết quả tối ƣu hơn các phƣơng pháp khác.

Kết quả sử dụng thuật toán BBO để giải bài toán giảm tổn thất công suấ t thƣ̣c thông qua viê ̣c tố i ƣu hóa phân bố công suấ t kháng ORPD đƣợc so sánh với kết quả từ các nghiên cứu khác, trong các bài báo gần đây, để thấy đƣợc tính ƣu việt do thuật toán BBO đem lại. Lê Kỷ HVTH: Lê Doãn Mỹ Trang 4 1. Đối tƣợng nghiên cứu - Tìm hiểu về lợi ích của bài toán giảm tổn hao công suất thực cho hệ thống điện. - Thực hiện áp dụng phƣơng pháp Biogeography-Based Optimization để giải bài toán giảm tổn thất công suấ t thƣ̣c trong hệ thống điện.

- Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng kết quả. Phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc áp dụng phƣơng pháp “Biogeography-Based Optimization” để giải bài toán tối ƣu hóa phân bố công suất kháng ORPD. Hàm mục tiêu đƣợc đặt ra trong đề tài là cực tiểu tổn thất công suất thực nhƣng phải thỏa mãn các ràng buộc về công suất phản kháng, nguồn bù Var, điện áp, nấc chuyển máy biến áp. Thuật toán đƣợc áp dụng trên mạng điện chuẩn IEEE – 30 nút và IEEE – 118 nút.

Nội dung luận văn Chƣơng 1: Giới thiệu chung. Chƣơng 2: Tổng quan về bài toán giảm tổn thất công suất thực trong hệ thống điện. Chƣơng 3: Thành lập bài toán giảm tổn thất công suất thực trong hệ thống điện. Chƣơng 4: Phƣơng pháp luận giải quyết bài toán.

Chƣơng 5: Kết quả tính toán. Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển của đề tài. Lê Kỷ HVTH: Lê Doãn Mỹ Trang 5 Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT THỰC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2. Giới thiệu chung Nhƣ đã đề cập ở chƣơng trƣớc, bài toán giảm tổn thất công suất thực trong hệ thố ng điê ̣n có thể qui về bài toán tối ƣu hóa phân phối công suất kháng (ORPD) với hàm mục tiêu là cực tiểu tổn hao công suất thực.

Bài toán ORPD lại là một bài toán con của bài toán tối ƣu hóa phân bố công suất (Optimal Power Flow-OPF). Để hiểu rõ hơn, ta cùng tìm hiểu từ bài toán OPF. Vấn đề tối ƣu hóa phân bố công suất (OPF) đã đƣợc giới thiệu bởi Carpentier [4] vào năm 1962 nhƣ một yêu cầu của bài toán điều độ kinh tế lƣới điện. Từ đó, bài toán OPF ngày càng đƣợc đào sâu nghiên cứu và mở rộng, bài toán OPF thực hiện tối ƣu hóa cả công suất kháng và công suất thực.

Đối với tối ƣu hóa công suất thực, đƣợc xem nhƣ điều phối tải kinh tế Economic Load Dispatch (ELD) bằng cách tối ƣu qui hoạch nguồn phát của các nguồn khả thi để cực tiểu chi phí máy phát, mục tiêu của ràng buộc hệ thống. Còn tối ƣu hóa công suất kháng ORPD (công suất thực đã biết) liên quan đến cực tiểu tổn hao công suất thực, qui hoạch công suất kháng cũng nhƣ đảm bảo các yêu cầu vận hành hệ thống điện. Bài toán tối ƣu hóa phân phối công suất kháng ORPD nhằm giảm tổn hao công suất thực thƣờng đi kèm với các mục tiêu khác nhƣ cực tiểu độ lệch điện áp, cực tiểu chỉ số độ ổn định điện áp… Trong thời gian qua đã có nhiều phƣơng pháp đƣợc áp dụng đề giải bài toán giảm tổn thất công suất thực, phần tiếp theo trình bày một số bài báo và nghiên cứu liên quan. Tóm lƣợc một số bài báo có liên quan đến đề tài:  “Comparative Study of methods for Optimal reactive Power dispatch” (tác giả Tejaswini Sharma, Alka Yadav, Sangeeta Jamhoria và Ritu Chaturvedi).