Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện áp dụng thuật toán one rank cuckoo search để giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện ứng dụng thuật toán One Rank Cuckoo Search giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối hiệu quả.

• Tác giả: Lê Nghĩa
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Ngọc Điều
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Áp dụng thuật toán One Rank Cuckoo Search để giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Luận Văn Thạc Sĩ này tập trung vào việc áp dụng Thuật Toán One Rank Cuckoo Search (ORCS) để giải quyết Bài Toán Tái Cấu Trúc Lưới Điện Phân Phối. Mục tiêu chính là giảm tổn thất công suất tác dụng và cải thiện chất lượng điện áp trong Lưới Điện Phân Phối. Lưới Điện Phân Phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện đến hộ tiêu thụ, nhưng tổn thất điện năng trên lưới này thường cao hơn so với lưới truyền tải. Việc tái cấu trúc lưới điện không chỉ giảm tổn thất mà còn nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Thuật Toán ORCS được đề xuất như một giải pháp hiệu quả để giải quyết bài toán này, với khả năng tối ưu hóa và tốc độ hội tụ nhanh hơn so với các thuật toán truyền thống.

1.1 Lý do chọn đề tài

Lưới Điện Phân Phối hiện đang đối mặt với vấn đề tổn thất điện năng cao, đặc biệt là ở Việt Nam, nơi tổn thất điện năng đo được từ 7% đến 8%. Việc giảm tổn thất này không chỉ giúp giảm giá thành điện năng mà còn thúc đẩy kinh tế phát triển. Tái Cấu Trúc Lưới Điện là một phương pháp hiệu quả mà không cần đầu tư lớn, bằng cách đóng/mở các cặp khóa điện để cân bằng tải giữa các tuyến dây. Thuật Toán ORCS được chọn vì khả năng tối ưu hóa vượt trội so với các thuật toán khác như Genetic Algorithm (GA) và Particle Swarm Optimization (PSO).

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là áp dụng Thuật Toán ORCS để giải Bài Toán Tái Cấu Trúc Lưới Điện Phân Phối, nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng. Ngoài ra, luận văn cũng so sánh kết quả của ORCS với các thuật toán khác và đề xuất hướng phát triển trong tương lai. Tối Ưu Hóa Lưới Điện và Quản Lý Lưới Điện là hai khía cạnh quan trọng được đề cập trong nghiên cứu này.

II. Tổng quan về lưới điện phân phối

Lưới Điện Phân Phối là giai đoạn cuối cùng trong quá trình truyền tải điện từ nhà máy đến hộ tiêu thụ. Đặc điểm chính của Lưới Điện Phân Phối là cấu trúc hình tia, mặc dù được thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy. Tổn thất điện năng trên Lưới Điện Phân Phối thường cao hơn so với lưới truyền tải, do đó việc tái cấu trúc lưới là cần thiết để giảm tổn thất và nâng cao hiệu quả vận hành. Tái Cấu Trúc Hệ Thống Điện không chỉ giúp giảm tổn thất mà còn cải thiện chất lượng điện áp và độ tin cậy cung cấp điện.

2.1 Đặc điểm của lưới điện phân phối

Lưới Điện Phân Phối bao gồm hai phần chính: lưới trung áp và lưới hạ áp. Lưới trung áp có điện áp từ 6 kV đến 22 kV, trong khi lưới hạ áp cung cấp điện cho các phụ tải 380/220 V. Phân Phối Điện Năng đòi hỏi hệ thống phải đảm bảo cung cấp điện liên tục và ít gây ra mất điện nhất. Việc tái cấu trúc lưới điện giúp cân bằng tải giữa các tuyến dây, từ đó giảm tổn thất và nâng cao hiệu quả vận hành.

2.2 Thực trạng lưới điện phân phối tại Việt Nam

Theo số liệu từ Tập đoàn Điện lực Việt Nam, tổn thất điện năng trên Lưới Điện Phân Phối tại Việt Nam dao động từ 7% đến 8%. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tìm kiếm các giải pháp hiệu quả để giảm tổn thất. Tái Cấu Trúc Lưới Điện là một trong những phương pháp được ưu tiên vì không cần đầu tư lớn mà vẫn đem lại hiệu quả cao. Thuật Toán ORCS được đề xuất như một giải pháp tối ưu để giải quyết vấn đề này.

III. Bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối

Bài Toán Tái Cấu Trúc Lưới Điện Phân Phối là một bài toán tối ưu hóa phức tạp, với mục tiêu chính là giảm tổn thất công suất tác dụng và cải thiện chất lượng điện áp. Tái Cấu Trúc Hệ Thống Điện đòi hỏi việc đóng/mở các cặp khóa điện để cân bằng tải giữa các tuyến dây, từ đó giảm tổn thất và nâng cao hiệu quả vận hành. Thuật Toán ORCS được áp dụng để giải quyết bài toán này, với khả năng tối ưu hóa và tốc độ hội tụ nhanh hơn so với các thuật toán truyền thống.

3.1 Mô hình toán học của bài toán tái cấu trúc

Bài toán tái cấu trúc được mô hình hóa dưới dạng một bài toán tối ưu hóa với các ràng buộc kỹ thuật. Mục tiêu là tối thiểu hóa tổn thất công suất tác dụng trên Lưới Điện Phân Phối, đồng thời đảm bảo các điều kiện về điện áp và dòng điện. Thuật Toán ORCS được sử dụng để tìm ra giải pháp tối ưu, với khả năng xử lý các bài toán phức tạp và đa biến.

3.2 Giải thuật kiểm tra điều kiện hình tia

Một trong những yêu cầu quan trọng trong Tái Cấu Trúc Lưới Điện là đảm bảo cấu trúc hình tia của lưới điện. Giải thuật kiểm tra điều kiện hình tia được xây dựng để đảm bảo rằng các giải pháp tái cấu trúc không vi phạm nguyên tắc này. Thuật Toán ORCS được tích hợp với giải thuật này để đảm bảo tính khả thi của các giải pháp tái cấu trúc.

IV. Áp dụng thuật toán ORCS vào bài toán tái cấu trúc

Thuật Toán ORCS được áp dụng để giải Bài Toán Tái Cấu Trúc Lưới Điện Phân Phối, với mục tiêu giảm tổn thất công suất tác dụng và cải thiện chất lượng điện áp. ORCS là một phiên bản cải tiến của Thuật Toán Cuckoo Search (CS), với khả năng tối ưu hóa và tốc độ hội tụ nhanh hơn. Kết quả thử nghiệm trên các mạng điện chuẩn như IEEE 16 nút, 33 nút và 69 nút cho thấy ORCS đạt hiệu quả cao hơn so với các thuật toán truyền thống.

4.1 Thuật toán Cuckoo Search CS

Thuật Toán Cuckoo Search (CS) là một thuật toán metaheuristic lấy cảm hứng từ hành vi của loài chim Cuckoo. CS kết hợp với đặc tính Lévy flight để tìm kiếm giải pháp tối ưu. Tuy nhiên, CS có nhược điểm là tốc độ hội tụ chậm và không đảm bảo tìm được giải pháp tối ưu trong mọi trường hợp. Thuật Toán ORCS được phát triển để khắc phục những nhược điểm này.

4.2 Thuật toán One Rank Cuckoo Search ORCS

Thuật Toán ORCS là một phiên bản cải tiến của CS, với hai sự hiệu chỉnh quan trọng: sử dụng một rank duy nhất để cập nhật vị trí và tăng tốc độ hội tụ. ORCS đã được chứng minh là hiệu quả hơn CS trong việc giải quyết các bài toán tối ưu, đặc biệt là Bài Toán Tái Cấu Trúc Lưới Điện Phân Phối. Kết quả thử nghiệm cho thấy ORCS giảm tổn thất công suất đáng kể và cải thiện chất lượng điện áp.

V. Kết quả tính toán và đánh giá

Kết quả thử nghiệm Thuật Toán ORCS trên các mạng điện chuẩn như IEEE 16 nút, 33 nút và 69 nút cho thấy hiệu quả vượt trội so với các thuật toán truyền thống. ORCS không chỉ giảm tổn thất công suất mà còn cải thiện chất lượng điện áp và tốc độ hội tụ. Kết quả này khẳng định tính khả thi của ORCS trong việc giải quyết Bài Toán Tái Cấu Trúc Lưới Điện Phân Phối trong thực tế.

5.1 Kết quả trên mạng điện IEEE 16 nút

Kết quả thử nghiệm trên mạng điện IEEE 16 nút cho thấy Thuật Toán ORCS giảm tổn thất công suất tác dụng đáng kể so với các thuật toán khác. Điện áp tại các nút cũng được cải thiện, đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho hộ tiêu thụ. ORCS cũng cho thấy tốc độ hội tụ nhanh hơn, giúp tiết kiệm thời gian tính toán.

5.2 Kết quả trên mạng điện IEEE 33 nút

Trên mạng điện IEEE 33 nút, Thuật Toán ORCS tiếp tục thể hiện hiệu quả vượt trội. Tổn thất công suất giảm đáng kể, và điện áp tại các nút được cải thiện rõ rệt. Kết quả này khẳng định tính ưu việt của ORCS trong việc giải quyết Bài Toán Tái Cấu Trúc Lưới Điện Phân Phối trên các mạng điện có quy mô lớn hơn.

VI. Kết luận và hướng phát triển

Luận Văn Thạc Sĩ này đã chứng minh hiệu quả của Thuật Toán ORCS trong việc giải quyết Bài Toán Tái Cấu Trúc Lưới Điện Phân Phối. Kết quả thử nghiệm trên các mạng điện chuẩn và thực tế cho thấy ORCS giảm tổn thất công suất và cải thiện chất lượng điện áp đáng kể. Hướng phát triển trong tương lai là tiếp tục cải tiến ORCS và áp dụng vào các bài toán thực tế khác trong Hệ Thống Điện Phân Phối.

6.1 Tổng kết đề tài

Thuật Toán ORCS đã chứng minh là một giải pháp hiệu quả để giải Bài Toán Tái Cấu Trúc Lưới Điện Phân Phối. Kết quả thử nghiệm trên các mạng điện chuẩn và thực tế cho thấy ORCS giảm tổn thất công suất và cải thiện chất lượng điện áp đáng kể. Điều này khẳng định tính khả thi của ORCS trong việc áp dụng vào thực tế.

6.2 Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai là tiếp tục cải tiến Thuật Toán ORCS để tăng tốc độ hội tụ và khả năng tối ưu hóa. Ngoài ra, ORCS cũng có thể được áp dụng vào các bài toán khác trong Hệ Thống Điện Phân Phối, như tối ưu hóa vị trí đặt tụ bù hoặc quản lý tải điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Giới thiệu tổng quan về bài toán tái cấu trúc cũng như các phương pháp đã được áp dụng để giải quyết bài toán Chương 3: Bài toán tái cấu trúc LĐPP Chương 4: Giới thiệu giải thuật ORCS và áp dụng giải thuật này vào bài toán tái cấu trúc LĐPP Chương 5: Kết quả tính toán Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài GVHD: PGS. Võ Ngọc Điều 3 HVTH: Lê Nghĩa CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN 2. Giới thiệu Hiện nay, do cấu trúc của LĐPP không thay đổi nhưng phụ tải ngày càng tăng, dẫn đến tổn thất của LĐPP tăng lên. Do đó, để giảm tổn thất của LĐPP, người ta sẽ dùng các biện pháp như: đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lưới điện… Tuy nhiên trong thực tế, làm như vậy sẽ đòi hỏi sự đầu tư rất nhiều mà hiệu quả giảm tổn thất điện năng lại không đáng kể.

Chính vì vậy, để hệ thống phụ tải tăng trong giới hạn cho phép của LĐPP, và giảm tổn thất điện năng trên đường dây, phương pháp tái cấu trúc LĐPP là giải pháp hữu hiệu. Trong thời gian gần đây, sự tiến bộ vượt bậc của khoa học trong lĩnh vực trí thông minh nhân tạo đã liên tục đưa ra các thuật toán để giải bài toán tái cấu trúc LĐPP. Việc áp dụng một thuật toán mới để giải bài toán tái cấu trúc hiệu quả hơn là một nhu cầu cấp thiết. Trên cơ sở đó, tôi đề nghị áp dụng thuật toán One rank Cuckoo Search để giải lại bài toán tái cấu trúc LĐPP với hy vọng tìm ra một giải pháp tốt.

Lưới điện phân phối Hệ thống lưới phân phối có vai trò quan trọng trong cung cấp điện đến hộ tiêu thụ, vì lý do kỹ thuật nên luôn vận hành hình tia tuy được thiết kế mạch vòng để tăng độ tin cậy cung cấp điện. Tổn thất điện năng đo được là từ 7%- 8% so với 2%- 3% trên lưới điện truyền tải [1], do đó nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối luôn đem lại hiệu quả kinh tế cao. Có nhiều biện pháp để giảm tổn thất trong quá trình phân phối điện năng như: bù công suất phản kháng, nâng cao điện áp vận hành LĐPP hoặc tăng tiết diện dây dẫn. Tuy các biện pháp này đều mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật nhưng cũng cần phải có kinh phí đầu tư để nâng cấp, cải tạo lưới điện.

Trong khi đó biện pháp tái cấu trúc lưới thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng – mở các cặp khóa điện cũng giảm tổn thất đáng kể khi cân bằng tải giữa các tuyến dây mà không cần bất kỳ một chi phí cải tạo lưới điện nào. Không chỉ dừng lại mục tiêu giảm tổn thất điện GVHD: PGS. Võ Ngọc Điều 4 HVTH: Lê Nghĩa năng, tái cấu trúc LĐPP còn nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới và giảm thiểu số lượng hộ tiêu thụ mất điện khi sự cố hay sửa chữa đường dây. Trong thực tế vận hành, tái cấu trúc lưới điện giảm tổn thất năng lượng và thỏa các ràng buộc kỹ thuật với hàng trăm khóa điện có trên hệ thống điện phân phối luôn là điều khó khăn đối với các điều độ viên.

Tuy nhiên không thể giảm số lượng khóa điện có trên lưới để đơn giản vận hành được vì chi phí vận hành lưới điện sẽ tăng đáng kể. Do đó cần phải có một phương pháp phân tích phù hợp với LĐPP thực tế và sử dụng một giải thuật đủ mạnh để thoả mãn các ràng buộc kỹ thuật trong hệ thống điện phân phối, đồng thời hỗ trợ vận hành cho các điều độ viên. Đặc điểm của lưới điện phân phối Phân phối điện là giai đoạn cuối cùng trong việc truyền tải điện đến hộ tiêu dùng. LĐPP sẽ nhận điện từ hệ thống lưới truyền tải và chuyển nó đến hộ tiêu dùng điện năng.

Dòng công suất sẽ đi từ nguồn (hệ thống lưới truyền tải) qua LĐPP đến cung cấp cho phụ tải. Vì vậy, việc truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ sẽ sinh ra tổn hao trên lưới truyền tải và LĐPP (khoảng 7- 8% tổng công suất của hệ thống) [1]. Các đặc điểm của lưới điện phân phối [14]:  Hệ thống phân phối điện năng được xây dựng và lắp đặt phải đảm bảo nhận điện năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ.  LĐPP gồm có 2 phần:  Lưới phân phối trung áp có điện áp 6, 10, 15, 22 kV phân phối điện cho các trạm phân phối trung/hạ áp và các phụ tải trung áp.

 Lưới hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 380/220 V. Võ Ngọc Điều 5 HVTH: Lê Nghĩa Hình 2.1 - Lưới điện phân phối Cao thế/ Trung thế Hình 2.2 - Lưới điện Trung thế/ Hạ thế GVHD: PGS. Võ Ngọc Điều 6 HVTH: Lê Nghĩa  Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ ít gây ra mất điện nhất. Bằng các biện pháp cụ thể như có thể có nhiều nguồn cung cấp, có đường dây dự phòng, có nguồn thay thế như máy phát,…  LĐPP vận hành dễ dàng linh hoạt và phù hợp với việc phát triển lưới điện trong tương lai.

 Đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp. Độ biến thiên điện áp cho phép là  5% Uđm [1].  Đảm bảo chi phí tu dưỡng, bảo dưỡng là nhỏ nhất. Lưới phân phối cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải trong bán kính khoảng vài chục ki-lô-mét trở lại, có các đặc điểm chính sau:  Điện áp định mức từ 6kV đến 35kV, đôi khi lên đến 66kV – 100kV [1].

 Tổng chiều dài đường dây và số lượng máy biến áp chiếm tỉ lệ lớn trong toàn bộ hệ thống lưới điện.  Kết nối với lưới truyền tải thông qua các trạm trung gian hoặc các trạm khu vực.  Tổn thất công suất trên lưới phân phối chiếm 5 – 7% [1] tổng công suất của hệ thống điện. LĐPP có cấu trúc hình tia hoặc mạch vòng nhưng vận hành trong trạng thái hở trong mọi trường hợp.

Lý do của việc vận hành ở LĐPP:  Tổng trở của LĐPP vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận hành vòng kín nên dòng ngắn mạch bé khi có sự cố.  Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các loại relay đơn giản, rẻ tiền như relay quá dòng, thấp áp,… mà không nhất thiết phải trang bị các loại relay phức tạp như định hướng, khoảng cách, so lệch,… nên việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn và mức đầu tư cũng giảm xuống. Võ Ngọc Điều 7 HVTH: Lê Nghĩa  Chỉ cần dùng cầu chì tự rơi (FCO: Fuse Cut Out) hay cầu chì tự rơi kết hợp cắt có tải (LBFCO: Load Beak Fuse Cut Out) để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên cùng một đoạn trục và phối hợp với Recloser để tránh sự cố thoáng qua.  Khi có sự cố, do vận hành hở, nên sự cố không lan tràn qua các phụ tải khác.

 Do được vận hành hở nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây dễ dàng hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố.  Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới phân phối, thì phương án kinh tế là các lưới hình tia. Nhiệm vụ của lưới điện phân phối LĐPP có các nhiệm vụ sau:  Cung cấp phương tiện để truyền tải năng lượng điện đến hộ tiêu thụ.  Cung cấp phương tiện để các công ty điện lực phục vụ điện năng đến người tiêu thụ điện.

 Đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện.  Đảm bảo một số yêu cầu an toàn trong giới hạn cho phép. Võ Ngọc Điều 8 HVTH: Lê Nghĩa Hình 2.3 - Vị trí và vai trò của lưới điện phân phối Các loại sơ đồ của lưới điện phân phối [14]:  Hệ thống hình tia đơn giản.  Hệ thống vòng phía cao áp – hình tia phía hạ áp.

 Hệ thống chọn lọc phía cao áp – hệ thống chọn lọc phía hạ áp.  Hai nguồn phía cao áp – hệ thống chọn lọc phía hạ áp. Võ Ngọc Điều 9 HVTH: Lê Nghĩa  Hệ thống mạng hình nút. Những hệ thống này theo thứ tự có chi phí, tính linh hoạt và độ tin cậy tăng dần, do đó chúng được dùng cho những vùng có mật độ phụ tải tăng dần theo thứ tự trên.

Ở sơ đồ hình tia, điều thuận lợi là mạng lưới điện đơn giản, người sử dụng sẽ nhận điện năng tại một trong các trạm biến áp đơn sau khi đã hạ cấp điện áp. Thuận lợi cho việc lắp đặt các máy biến áp, thiết bị bảo vệ và dễ dàng quản lý lưới điện. Tuy nhiên, ở sơ đồ hình tia có độ sụt áp cao và hiệu quả sử dụng tương đối thấp bởi vì những đường dây cấp điện bên hạ áp là những nguồn cung cấp đơn. Khi có sự cố ở đường dây hạ áp, thiết bị bảo vệ sẽ cắt toàn bộ tải trên đường dây đó.

Thực trạng của LĐPP hiện nay của Việt Nam Do điều kiện địa lý cũng như lịch sử Việt Nam, hệ thống điện Việt Nam nói chung phân bố rộng với nhiều cấp điện áp. Sự tồn tại nhiều cấp điện áp buộc phải sử dụng nhiều loại thiết bị với xuất xứ khác nhau, điều đó gây trở ngại trong vận hành và khó có thể thiết lập được chế độ làm việc kinh tế; thêm vào đó quá trình cải tạo và quy hoạch cũng gặp nhiều trở ngại do thiếu các chỉ tiêu, định mức hợp lý,… dẫn đến thiếu chính xác trong dự báo, lựa chọn thiết bị và lãng phí vốn đầu tư, kèm theo đó là quá trình gia tăng tổn thất, giảm chất lượng điện. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh về kinh tế dẫn đến nhu cầu sử dụng điện năng tăng vượt bậc không những về số lượng phụ tải mà đòi hỏi chất lượng điện năng cung cấp cũng cao hơn. Điều này đòi hỏi điện lực Việt Nam phải đổi mới về cách thức quản lý – điều hành, về thiết bị, công nghệ, xây dựng nhiều nhà máy điện, xây dựng và nâng cấp LĐPP… Nhưng vẫn không đáp ứng kịp với nhu cầu sử dụng điện, đặc biệt LĐPP vẫn còn tồn tại một số hạn chế sau [15]:  Vẫn tồn tại nhiều cấp điện áp trên LĐPP (6,6 kV, 10 kV, 22 kV, 35 kV).

 Recloser và máy cắt có tải (LBS) không được điều khiển từ xa và có số lượng không đáng kể nên chi phí đóng/cắt lớn và thời gian chuyển tải lâu.