Chương 1 TỔNG QUAN VỀ QUY HOẠCH HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Giới thiệu chung Quy hoạch năng lượng là bài toán được quan tâm đối với mọi quốc gia để có thể cung cấp năng lượng một cách có hiệu quả cho phát triển kinh tế cũng như phục vụ cho xã hội. Quy hoạch hệ thống điện được tiến hành dưới sự chỉ đạo của quy hoạch kinh tế quốc gia và chính sách năng lượng quốc gia. Mối quan hệ đó được thể hiện qua hình sau: Quy ho¹ch kinh tÕ nhµ níc & ChÝnh s¸ch n¨ng lîng Quy ho¹ch n¨ng lîng Quy ho¹ch ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn Quy Quy Dù b¸o ho¹ch ho¹ch phô t¶i líi nguån Hình 1.1 Cấu trúc của quy hoạch hệ thống điện Quy hoạch kinh tế quốc gia và chính sách năng lượng sẽ xác định kế hoạch quy hoạch và phát triển nguồn năng lượng nhằm sử dụng hiệu quả, 9 phối hợp và thay thế các nguồn năng lượng sơ cấp như than đá, dầu khí, thủy điện và điện nguyên tử. Hệ thống điện là một hệ thống con rất quan trọng trong hệ thống kinh tế quốc gia.
Sự phát triển của hệ thống điện chịu ảnh hưởng của những yếu tố như vốn đầu tư, nguồn năng lượng sơ cấp, nhu cầu về điện năng trong tương lai. Quy hoạch hệ thống điện gồm dự báo phụ tải, quy hoạch nguồn, quy hoạch lưới. Dự báo phụ tải tạo nên cơ sở cho việc quy hoạch hệ thống điện, nó cung cấp thông tin về nhu cầu tiêu thụ điện năng, hình dáng của đường cong phụ tải và việc phân bố tải. Ngược lại kết quả của việc quy hoạch nguồn và lưới có thể ảnh hưởng đến đường cong phụ tải và phân bố tải qua tác động của giá.
Sơ đồ nguồn và sơ đồ lưới điện là những đặc trưng phụ thuộc trong hệ thống điện. Tuy nhiên hiện tại quy hoạch nguồn và quy hoạch lưới vẫn được giải quyết riêng rẽ như là hai bài toán độc lập. Mặt khác cũng rất khó để giải hai bài toán đồng thời trong cùng một mô hình tổng hợp. Tùy thuộc vào tình hình kinh tế của mỗi nước mà mức độ quan tâm đối với các bài toán quy hoạch năng lượng có thể khác nhau.
Ở nước ta, bài toán quy hoạch năng lượng nói chung và bài toán quy hoạch phát triển nguồn điện nói riêng đã được quan tâm và phát triển vào những năm 70 của thế kỷ trước. Cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này ở các cơ quan nhà nước và các trường đại học. Để có thể truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến các hộ tiêu thụ điện và phân phối điện năng cho chúng cần thiết phải có lưới truyền tải và lưới phân phối. Người ta gọi lưới truyền tải là lưới điện có cấp điện áp danh định từ 220kV trở lên còn lưới phân phối là lưới từ 110kV trở xuống.
Các nhà máy điện thường đặt xa các trung tâm phụ tải. Đó là vì nhiều lý do: Đối với nhà máy nhiệt điện đặt gần nguồn nhiên liệu vì vận tải điện 10 năng rẻ và thuận tiện hơn nhiều so với vận tải nhiên liệu; nhà máy còn phải đặt gần nguồn nước làm mát và xa khu dân cư để tránh các tác hại của việc gây ô nhiễm môi trường v.v… Ví dụ ở nước ta các nhà máy nhiệt điện Uông Bí và Phả Lại nằm gần vùng than Đông Bắc nhưng lại rất xa các trung tâm phụ tải. Còn đối với nhà máy thuỷ điện buộc phải đặt ở những nơi mà điều kiện địa lý cho phép như nguồn nước dồi dào, có độ dốc lớn và có thể ngăn đập để tạo hồ chứa ở phía thượng lưu v.v… mà những nơi đó thường rất xa các trung tâm phụ tải. Nhà máy điện tuabin khí phải đặt ở những nơi thuận tiện cho việc cấp khí còn nhà máy điện nguyên tử thì phải đặt xa các khu dân cư cũng như các khu công nghiệp vì lý do an toàn.
Muốn xác định vị trí tối ưu của các nhà máy điện cần phải giải bài toán kinh tế kỹ thuật rất phức tạp.2 Khái niệm về bài toán quy hoạch 1.1 Bài toán quy hoạch tổng quát Bài toán quy hoạch tổng quát được phát biểu như sau: Xác định tập giá trị các biến : X = { x 1 , x2 ,., xn } Sao cho hàm f(X) → min (max) (1.1) đồng thời thoả mãn các điều kiện gi(X) (≤; =; ≥) bi (i = 1,2,.,n) được gọi là 1 bài toán quy hoạch. Hàm f(X) gọi là hàm mục tiêu.,m) được gọi là các ràng buộc. Tập hợp D = {xj∈ X; gi(X) (≤;=;≥) bi} (i = 1.,n) gọi là miền ràng buộc. xn }∈ D gọi là 1 phương án (PA).
Một PA có : X*∈ D đạt cực đại hay cực tiểu của hàm mục tiêu. ∀X ∈ D (đối với bài toán max) được gọi là lời giải tối ưu. Khi đó giá trị f(X*) được gọi là giá trị tối ưu hoá của bài toán quy hoạch.2 Phân loại bài toán quy hoạch Một trong những phương pháp giải bài toán được đặt ra là phương pháp duyệt toàn bộ, tìm giá trị hàm mục tiêu của tất cả các phương án có thể trong miền ràng buộc. Sau đó so sánh các giá trị tính được của hàm mục tiêu f(X) để tìm ra giá trị tối ưu và phương án tối ưu của bài toán quy hoạch.
Tuy nhiên cách giải quyết này khó có thể thực hiện được, ngay cả khi kích thước bài toán không lớn lắm (số biến n và số ràng buộc m là không lớn) bởi vì tập D thông thường gồm một số rất lớn các phần tử, trong nhiều trường hợp còn không đếm được. Vì vậy cần có những nghiên cứu lý thuyết để có thể tách bài toán tổng quát thành những bài toán có thể giải được. Các nghiên cứu lý thuyết đó thường là nghiên cứu các tính chất của các thành phần bài toán (hàm mục tiêu, hàm ràng buộc, các biến số, các hệ số). Các điều kiện tồn tại lời giải chấp nhận được, các điều kiện cần và đủ của cực trị, tính chất của các đối tượng nghiên cứu.
Các tính chất của các thành phần bài toán và đối tượng nghiên cứu giúp ta phân loại bài toán. Một bài toán quy hoạch được gọi là bài toán: + Quy hoạch tuyến tính nếu hàm mục tiêu f(X) và tất cả các hàm ràng buộc g i(X); i = 1,2,.,m là tuyến tính: n f(X) = ∑ c j x j → min (max) (1.4) j =1 i = 1,m Trong đó cj, ai j , bi là các hằng số. + Quy hoạch tham số nếu các hệ số trong biểu thức hàm mục tiêu và các ràng buộc phụ thuộc tham số. + Quy hoạch động nếu đối tượng xét là các quá trình có nhiều giai đoạn nói chung hay các quá trình phát triển theo thời gian nói riêng.
Mô hình quy hoạch động thường được coi là công cụ tương đối vạn năng. Để giải bài toán (1.2) người ta rời rạc hoá các giá trị của biến. Thực chất của phương pháp này là liệt kê, lựa chọn có quy tắc tổ hợp giá trị (rời rạc) của các biến thoả mãn (1.2) sao cho giá trị của hàm mục tiêu (1.1) đạt cực trị. Mỗi tổ hợp của các biến thoả mãn (1.2) còn được gọi là phương án chấp nhận được.
Đối với bài toán quy hoạch phát triển nguồn điện số phương án chấp nhận được thường rất lớn. Do đó bước đầu tiên trước khi thực hiện liệt kê lựa chọn cần loại trừ bớt các phương án có thể là không khả thực, khi đó lại hạn chế nhiều đến tính tối ưu của lời giải. Ngoài ra mô hình quy hoạch động đòi hỏi những thuật toán phức tạp, công cụ tính toán hiện đại, và đặc biệt cần phải đưa vào một số lượng lớn các số liệu ban đầu. + Quy hoạch phi tuyến nếu như hoặc f(X) hoặc có ít nhất 1 trong các hàm g(X) là phi tuyến .Về nguyên tắc quy hoạch phi tuyến cho phép mô phỏng bài toán quy hoạch phát triển hệ thống điện chính xác hơn.
Tuy nhiên khó khăn chủ yếu của mô hình lại nằm trong các phương pháp giải. Cho đến nay chưa có một phương pháp chung hiệu quả nào cho phép giải trọn vẹn bài toán (1.2) trong trường hợp phi tuyến. Trong trường hợp này để tìm cực trị hàm (1.1) thoả mãn ràng buộc (1.2) thường phải dùng các phương pháp lặp, phổ biến nhất là dùng phương pháp tuyến tính hoá và phương pháp 13 Gradient. Ngoài ra còn có thể sử dụng phương pháp Lagrange và phương pháp hàm phạt.
+ Quy hoạch rời rạc nếu miền ràng buộc D là tập rời rạc. Trong trường hợp riêng khi các biến chỉ nhận giá trị nguyên ta có quy hoạch nguyên. Một trường hợp riêng của quy hoạch nguyên là quy hoạch biến Boole, khi các biến số chỉ nhận giá trị 0 hay 1. + Quy hoạch đa mục tiêu nếu trên cùng 1 miền ràng buộc ta xét đồng thời các hàm mục tiêu khác nhau.
Các phương pháp kể trên có nhược điểm chung là không đảm bảo được tính hội tụ chắc chắn. Thông thường tính hội tụ đảm bảo được khi các giá trị đầu của lời giải lựa chọn được gần với lời giải tối ưu. Nhược điểm quan trọng khác của phương pháp giải bài toán quy hoạch phi tuyến là không đảm bảo lời giải tối ưu toàn cục. Nhược điểm càng tăng khi số biến cần tìm của bài toán càng nhiều.
Như vậy, do tính phức tạp nhiều yếu tố của bài toán quy hoạch phi tuyến nên mô hình quy hoạch phi tuyến thường được đưa về bài toán quy hoạch tuyến tính.3 Các phương pháp quy hoạch Mở rộng lưới điện truyền tải. Các phương pháp quy hoạch phát triển lưới điện có thể được phân ra thành hai loại: Các phương pháp tối ưu toán học chặt chẽ và các phương pháp không chính quy.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH KHÔNG CHÍNH QUY Phương pháp không chính quy được đặt trên cơ sở các phân tích trực quan. Nó có quan hệ chặt chẽ với suy nghĩ của các chuyên gia. Nó có thể đưa ra một sơ đồ thiết kế tốt trên cơ sở của kinh nghiệm và sự phân tích.
Dù sao nó cũng không phải là một phương pháp tối ưu hoá toán học chặt chẽ. 14 Phương pháp quy hoạch không chính quy được áp dụng rộng rãi trong quy hoạch lưới điện vì tính chất dễ hiểu, mềm dẻo, tốc độ tính toán nhanh, dễ thu hút cá nhân trong công việc thiết kế và có thể thu được một lời giải tối ưu tương đối mà điều đó phù hợp với những yêu cầu thực tế của kỹ thuật. Phương pháp không chính quy bao gồm việc kiểm tra quá tải, phân tích độ nhạy và thành lập sơ đồ. Chúng được mô tả ba bước như sau: 1.