Nghiên cứu sa thải phụ tải áp dụng mạng nơron và thuật toán Fuzzy-AHP

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sa thải phụ tải áp dụng mạng nơron, thuật toán AHP và logic mờ, mang lại giải pháp tối ưu cho hệ thống điện.

• Tác giả: Đỗ Ngọc Ẩn
• Người hướng dẫn: PGS. Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải dưới tần số áp dụng thuật toán Fuzzy - AHP và mạng Nơ ron nhân tạo.
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu – Cách tiếp cận – Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Nội dung nghiên cứu
• 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI
• 2.1. Tổng quan các kết quả nghiên cứu
• 2.2. Các phương pháp sa thải phụ tải đang áp dụng
• 2.3. Phương pháp sa thải phụ tải truyền thống
• 2.3.1. Sa thải phụ tải dưới tần số (Under Frequency Load Shedding - UFLS)
• 2.3.2. Sa thải phụ tải dưới điện áp (Under Voltage Load Shedding - UVLS)
• 2.3.3. Hạn chế của các phương pháp sa thải phụ tải truyền thống
• 2.4. Sa thải phụ tải thích nghi
• 2.5. Các phương pháp sa thải phụ tải thông minh (ILS - Intelligent Load Shedding)
• 2.5.1. Phương pháp ứng dụng mạng neural (Artificial Neural Network - ANN) trong sa thải phụ tải
• 2.5.2. Ứng dụng điều khiển mờ trong sa thải phụ tải (Fuzzy Logic Control - FLC)
• 2.5.3. Ứng dụng hệ thống suy luận neural-mờ thích nghi (Adaptive Neuro Fuzzy Inference System - ANFIS) trong sa thải phụ tải
• 2.5.4. Ứng dụng thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA) trong sa thải phụ tải
• 2.5.5. Ứng dụng tối ưu hóa phần tử đám đông (Particle Swarm Optimization - PSO) trong sa thải phụ tải
• 2.5.6. Ưu và nhược điểm của các phương pháp tính toán STPT thông minh
• 3. MÔ HÌNH PHÂN CẤP
• 3.1. AHP - THUẬT TOÁN FUZZY AHP VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT MẠNG NƠRON
• 3.1.1. Quá trình phân tích hệ thống phân cấp - Thuật toán AHP
• 3.1.2. Thuật toán AHP - Analytic Hierarchy Process
• 3.1.3. Kỹ thuật mờ hóa và luật hoạt động
• 3.1.4. Mô hình Fuzzy - AHP
• 3.1.5. Lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network – ANN)
• 3.1.6. Mô hình toán học của mạng nơ-ron
• 3.1.7. Cấu trúc mạng nơ-ron
• 3.1.8. Các phương pháp huấn luyện mạng nơ-ron
• 3.1.9. Phân loại mạng nơ-ron
• 4. PHƯƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI DỰA TRÊN THUẬT TOÁN FUZZY - AHP VÀ MẠNG NƠRON
• 4.1. Phương pháp STPT dựa trên thuật toán Fuzzy – AHP và mạng nơ-ron
• 4.2. Huấn luyện mạng Nơ ron
• 5. KHẢO SÁT, THỬ NGHIỆM NHẰM KIỂM CHỨNG HIỆU QUẢ PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT TRONG LUẬN VĂN
• 5.1. Tính toán hệ số tầm quan trọng của tải dựa trên thuật toán Fuzzy - AHP
• 5.2. Quá trình lấy mẫu huấn luyện mạng Neural
• 5.3. Thử nghiệm phương pháp đề xuất trên hệ thống điện chuẩn IEEE 39 bus 10 máy phát
• 5.4. Sa thải phụ tải theo phương pháp truyền thống
• 5.5. Sa thải phụ tải theo Fuzzy - AHP
• 5.6. Nhận xét đánh giá
• 6. VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu sa thải phụ tải bằng mạng nơron

Nghiên cứu sa thải phụ tải là một trong những vấn đề quan trọng trong quản lý hệ thống điện. Việc duy trì sự ổn định của hệ thống điện là cần thiết để đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các phụ tải. Trong bối cảnh hiện nay, với sự phát triển của công nghệ, việc áp dụng các phương pháp hiện đại như mạng nơron và thuật toán Fuzzy-AHP đã trở thành xu hướng. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các phương pháp này và cách chúng có thể được áp dụng để cải thiện hiệu quả sa thải phụ tải.

1.1. Khái niệm về sa thải phụ tải và tầm quan trọng

Sa thải phụ tải là quá trình cắt giảm công suất tiêu thụ điện trong một hệ thống điện nhằm duy trì sự ổn định của tần số và điện áp. Việc này trở nên cần thiết khi có sự mất cân bằng giữa cung và cầu điện năng. Tầm quan trọng của sa thải phụ tải không chỉ nằm ở việc bảo vệ hệ thống mà còn giúp giảm thiểu thiệt hại kinh tế cho các doanh nghiệp và người tiêu dùng.

1.2. Vai trò của mạng nơron trong sa thải phụ tải

Mạng nơron nhân tạo có khả năng học hỏi và nhận diện các mẫu phức tạp trong dữ liệu. Trong bối cảnh sa thải phụ tải, mạng nơron có thể được sử dụng để dự đoán các tình huống mất ổn định và đưa ra quyết định cắt giảm phụ tải một cách nhanh chóng và hiệu quả. Điều này giúp cải thiện thời gian phản ứng của hệ thống khi xảy ra sự cố.

II. Thách thức trong việc sa thải phụ tải hiện nay

Mặc dù có nhiều phương pháp hiện đại, việc sa thải phụ tải vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ chính xác trong dự đoán, thời gian phản ứng chậm và sự không đồng nhất trong việc cắt giảm phụ tải là những yếu tố cần được giải quyết. Hệ thống điện hiện đại yêu cầu các giải pháp linh hoạt và hiệu quả để đảm bảo sự ổn định.

2.1. Độ chính xác trong dự đoán tình huống mất ổn định

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo độ chính xác trong việc dự đoán các tình huống mất ổn định. Nếu không có thông tin chính xác, việc sa thải phụ tải có thể dẫn đến những quyết định sai lầm, gây thiệt hại cho hệ thống điện.

2.2. Thời gian phản ứng chậm trong sa thải phụ tải

Thời gian phản ứng chậm có thể dẫn đến việc mất ổn định hệ thống. Việc áp dụng các công nghệ mới như thuật toán Fuzzy-AHP có thể giúp cải thiện thời gian phản ứng, nhưng vẫn cần có sự nghiên cứu và phát triển thêm để tối ưu hóa quy trình này.

III. Phương pháp sa thải phụ tải bằng thuật toán Fuzzy AHP

Thuật toán Fuzzy-AHP là một phương pháp mạnh mẽ trong việc ra quyết định. Nó cho phép đánh giá tầm quan trọng của các phụ tải khác nhau và xác định thứ tự ưu tiên trong việc cắt giảm. Phương pháp này giúp giảm thiểu thiệt hại khi phải cắt điện và đảm bảo rằng các phụ tải quan trọng nhất được giữ lại.

3.1. Cách thức hoạt động của thuật toán Fuzzy AHP

Thuật toán Fuzzy-AHP sử dụng các yếu tố mờ để đánh giá tầm quan trọng của các phụ tải. Bằng cách này, nó có thể đưa ra quyết định cắt giảm phụ tải một cách linh hoạt và chính xác hơn, phù hợp với tình hình thực tế của hệ thống điện.

3.2. Lợi ích của việc áp dụng Fuzzy AHP trong sa thải phụ tải

Việc áp dụng Fuzzy-AHP trong sa thải phụ tải mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng giảm thiểu thiệt hại kinh tế, cải thiện thời gian phục hồi tần số và tăng cường độ tin cậy của hệ thống điện. Điều này giúp đảm bảo rằng các phụ tải quan trọng được duy trì trong khi vẫn giữ cho hệ thống ổn định.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mạng nơron và Fuzzy AHP

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng mạng nơron và Fuzzy-AHP trong sa thải phụ tải có thể mang lại kết quả tích cực. Các thử nghiệm trên hệ thống điện chuẩn IEEE 39 bus cho thấy phương pháp này giúp cải thiện đáng kể hiệu quả sa thải phụ tải và thời gian phục hồi tần số.

4.1. Kết quả thử nghiệm trên hệ thống điện chuẩn

Các thử nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng mạng nơron và Fuzzy-AHP giúp giảm thiểu thời gian cắt điện và cải thiện độ ổn định của hệ thống. Kết quả này cho thấy tiềm năng lớn của phương pháp trong việc quản lý phụ tải điện.

4.2. Đánh giá hiệu quả của phương pháp đề xuất

Đánh giá hiệu quả của phương pháp cho thấy rằng việc sử dụng mạng nơron và Fuzzy-AHP không chỉ giúp cải thiện thời gian phản ứng mà còn giảm thiểu thiệt hại kinh tế cho các doanh nghiệp và người tiêu dùng. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp này có thể được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu sa thải phụ tải bằng mạng nơron và thuật toán Fuzzy-AHP đã mở ra nhiều hướng đi mới trong việc quản lý hệ thống điện. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu quả sa thải phụ tải mà còn đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện trong bối cảnh nhu cầu ngày càng tăng.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng mạng nơron và Fuzzy-AHP có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sa thải phụ tải. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các phương pháp mới trong quản lý hệ thống điện.

5.2. Hướng nghiên cứu phát triển trong tương lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán hiện có và phát triển các mô hình mới để cải thiện hơn nữa hiệu quả sa thải phụ tải. Việc kết hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy cũng có thể mang lại những bước tiến lớn trong lĩnh vực này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Đảm bảo an toàn và tính liên tục trong cung cấp điện năng là yêu cầu cốt lõi nhằm thúc đẩy sự phát triển kinh tế xã hội và nâng cao chỉ số độ tin cậy cung cấp điện, đặc biệt là chỉ số thời gian mất điện trung bình của hệ thống (SAIDI). Trong thực tế vận hành hệ thống điện, các sự cố nghiêm trọng như mất tổ máy phát hoặc ngắn mạch đường dây truyền tải có thể gây mất cân bằng công suất tác dụng nghiêm trọng, làm tần số hệ thống sụt giảm nhanh chóng khỏi dải vận hành định mức 50 Hz. Sự cố rã lưới đường dây 500 kV liên kết Bắc – Nam từng xảy ra tại Việt Nam làm gián đoạn cung cấp điện tại 21 tỉnh thành phía Nam trong suốt 6 giờ, gây ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống sinh hoạt và hoạt động sản xuất của khoảng 8 triệu khách hàng. Quá trình mất ổn định tần số thường chỉ diễn ra trong vài giây và dẫn đến hiện tượng rã lưới trong vài phút, nhưng thời gian để khôi phục toàn bộ hệ thống có thể kéo dài từ vài giờ đến nhiều ngày.

Vấn đề đặt ra là các phương pháp sa thải phụ tải dưới tần số truyền thống sử dụng rơ-le tần số cố định thường chỉ cắt tải theo từng bước định sẵn mà không ước lượng chính xác lượng công suất mất cân bằng trong thời gian thực. Điều này dẫn đến tình trạng sa thải thừa phụ tải gây thiệt hại kinh tế không đáng có, hoặc sa thải thiếu khiến hệ thống sụp đổ hoàn toàn. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng và kiểm chứng phương pháp sa thải phụ tải dưới tần số thông minh dựa trên sự kết hợp giữa thuật toán phân tích thứ bậc mờ (Fuzzy - AHP) và mạng nơ-ron nhân tạo (ANN). Nghiên cứu được triển khai thử nghiệm trên mô hình lưới điện chuẩn IEEE 39 thanh cái với 10 máy phát điện. Giải pháp đề xuất mang ý nghĩa then chốt trong việc giảm thời gian phục hồi tần số về dải an toàn từ 49,8 Hz đến 50,2 Hz, giảm thiểu hơn 30% lượng công suất sa thải dư thừa và nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện trong mọi tình huống sự cố.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết chính: lý thuyết ổn định tần số hệ thống điện, lý thuyết phân tích thứ bậc mờ (Fuzzy - AHP) và lý thuyết mạng nơ-ron hồi quy tổng quát (GRNN). Theo nguyên lý động học máy phát, mối quan hệ giữa độ lệch công suất tác dụng và tốc độ biến thiên tần số được mô tả thông qua phương trình chuyển động rotor máy phát. Tiêu chuẩn vận hành hệ thống điện quy định tần số làm việc bình thường dao động trong phạm vi 50 Hz ± 0,2 Hz, dải sự cố đơn lẻ cho phép từ 49,5 Hz đến 50,5 Hz, và ngưỡng giới hạn nguy hiểm cho tuabin máy phát là 47,5 Hz (chỉ cho phép vận hành trong thời gian dưới 1 phút trước khi bảo vệ tác động cắt máy).

Mô hình nghiên cứu kết hợp hai công cụ toán học hiện đại để giải quyết bài toán phi tuyến phức tạp:

• Thuật toán Fuzzy - AHP: Sử dụng các số mờ tam giác để lượng hóa các đánh giá định tính của chuyên gia về mức độ quan trọng của từng phụ tải (xem xét các tiêu chí chính trị, an ninh quốc phòng, bệnh viện, công nghiệp công nghệ cao và phụ tải sinh hoạt). Từ đó, ma trận so sánh cặp được thiết lập để tính toán chính xác vector trọng số tầm quan trọng của 19 nút phụ tải trong toàn bộ hệ thống.
• Mạng nơ-ron GRNN: Thuộc cấu trúc mạng nơ-ron truyền thẳng 4 lớp (lớp đầu vào, lớp mẫu, lớp cộng và lớp đầu ra), có khả năng xấp xỉ hàm phi tuyến mạnh mẽ và tốc độ hội tụ cực nhanh mà không cần quá trình lặp truyền ngược kéo dài. Mạng nơ-ron nhận dữ liệu đầu vào gồm độ suy giảm tần số và tốc độ biến thiên tần số (ROCOF) để nhận dạng và xuất ra chiến lược sa thải phụ tải tối ưu cho từng chu kỳ vận hành.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu mô phỏng từ hệ thống điện chuẩn IEEE New England 39 thanh cái gồm 10 máy phát điện, 19 nút phụ tải tập trung và 34 đường dây truyền tải điện áp 345 kV. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 100 kịch bản sự cố ngẫu nhiên được khởi tạo để phục vụ quá trình huấn luyện và kiểm chứng thuật toán. Phương pháp chọn mẫu được thực hiện theo nguyên tắc phân tầng bao quát toàn bộ các chế độ vận hành thực tế của hệ thống điện: mức phụ tải thấp điểm 65%, mức phụ tải trung bình 73%, mức phụ tải cận cao điểm 85% và mức phụ tải cực đại 95% công suất định mức.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng kết hợp giữa phần mềm chuyên ngành PowerWorld Simulator và công cụ Matlab Neural Network Toolbox là nhằm đảm bảo tính chính xác cao trong việc giải bài toán trào lưu công suất tối ưu (OPF) và mô phỏng động học quá độ đa máy phát. Công cụ PowerWorld cung cấp dữ liệu quá độ tần số chính xác sau khi giả lập sự cố ngắt máy phát điện tại Bus 30, sau đó dữ liệu dạng số được trích xuất sang định dạng bảng tính để nạp vào mạng nơ-ron trong Matlab. Quá trình tính toán huấn luyện mạng GRNN với hệ số làm mịn spread tối ưu hóa cho phép thuật toán đạt độ chính xác nhận dạng trên 98% và thời gian tính toán đầu ra chỉ tính bằng mili-giây.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và kiểm nghiệm trên hệ thống điện chuẩn IEEE 39 thanh cái đã mang lại ba phát hiện học thuật then chốt:

• Xác định chính xác trọng số ưu tiên cắt tải: Thuật toán Fuzzy - AHP đã phân cấp rõ ràng mức độ quan trọng của 19 phụ tải trong hệ thống, trong đó các phụ tải phục vụ công nghiệp nhạy cảm và khu vực trọng yếu nhận trọng số bảo vệ cao từ 0,25 đến 0,38, trong khi các phụ tải sinh hoạt và công nghiệp nhẹ nhận trọng số sa thải từ 0,02 đến 0,08.
• Rút ngắn thời gian tác động khẩn cấp: Khi xảy ra sự cố ngừng máy phát tại Bus 30 (làm thiếu hụt đột ngột hơn 500 MW công suất nguồn), hệ thống sa thải phụ tải thông minh đưa ra quyết định cắt tải chỉ sau 350 ms, nhanh hơn gấp nhiều lần so với quy trình thao tác thủ công bằng tay tại hiện trường vốn mất từ 15 đến 30 phút.
• Tối ưu hóa lượng công suất cắt giảm: Tại mức vận hành phụ tải 85%, phương pháp Fuzzy - AHP kết hợp GRNN chỉ cần cắt giảm khoảng 15,4% tổng công suất phụ tải là có thể đưa tần số hệ thống từ mức nguy hiểm 47,8 Hz phục hồi nhanh chóng về mức an toàn 49,85 Hz trong vòng 2,5 giây. So với phương pháp rơ-le sa thải truyền thống phải cắt giảm lũy kế tới 25% đến 30% công suất qua các bước cứng định sẵn, giải pháp mới đã tiết kiệm được hơn 35% sản lượng điện tiêu thụ không bị gián đoạn.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của mô hình bắt nguồn từ việc mạng nơ-ron nhân tạo GRNN có khả năng xử lý song song và tính toán trực tiếp mức độ mất cân bằng công suất tức thời dựa trên tín hiệu tần số và đạo hàm bậc nhất của tần số theo thời gian ($df/dt$). Tốc độ phản ứng của mạng nơ-ron nhanh hơn ít nhất 100 lần so với các thuật toán tối ưu hóa di truyền (GA) hay tối ưu hóa bầy đàn (PSO), vốn đòi hỏi hàng ngàn vòng lặp tính toán và không thể đáp ứng yêu cầu điều khiển thời gian thực trực tuyến.

Trong các báo cáo phân tích, toàn bộ dữ liệu phản ứng quá độ của hệ thống được trực quan hóa thông qua đồ thị đường cong đáp ứng tần số theo thời gian. Trên đồ thị này, đường biểu diễn tần số của phương pháp đề xuất cho thấy độ sụt tần số thấp nhất (nadir frequency) chỉ dừng ở 48,6 Hz trước khi hồi phục nhanh về dải định mức, trong khi phương pháp truyền thống bị sụt sâu xuống dưới 47,8 Hz và dao động kéo dài hơn 15 giây. Đồng thời, bảng ma trận phân phối công suất sa thải tại từng nút ở các mức tải 65%, 73%, 85% và 95% chứng minh rằng việc phân bổ cắt giảm tải theo trọng số Fuzzy - AHP giúp điện áp tại các nút thanh cái dao động ổn định trong phạm vi 0,95 đến 1,05 đơn vị tương đối (pu), loại bỏ hoàn toàn nguy cơ sụp đổ điện áp dây chuyền.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, các giải pháp và khuyến nghị kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện:

• Tích hợp thuật toán sa thải phụ tải thông minh vào hệ thống SCADA/EMS: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) và các Trung tâm Điều độ miền (A1, A2, A3) cần triển khai thử nghiệm các module tính toán sa thải tự động dựa trên Fuzzy - AHP và mạng nơ-ron, đặt mục tiêu hoàn thành tích hợp trong giai đoạn 2026-2028 nhằm rút ngắn thời gian phản ứng khẩn cấp của toàn hệ thống xuống dưới 200 ms.
• Định kỳ cập nhật ma trận trọng số phụ tải: Các Tổng công ty Điện lực và Công ty Điện lực địa phương cần thực hiện rà soát, tính toán lại hệ số quan trọng của từng trạm biến áp phân phối theo thuật toán Fuzzy - AHP với chu kỳ 6 tháng một lần, đảm bảo tỷ lệ cắt tải chính xác đạt trên 95% so với yêu cầu điều độ khi có sự cố.
• Lắp đặt thiết bị đo lường góc pha đồng bộ (PMU): Đầu tư mở rộng hệ thống giám sát diện rộng (WAMS) bằng cách lắp đặt thiết bị PMU tại 100% các nút trạm 220 kV và 500 kV trọng điểm, nâng tốc độ lấy mẫu dữ liệu tần số và góc pha lên 50 mẫu/giây để cung cấp đầu vào chính xác cho mạng nơ-ron.
• Hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật về sa thải phụ tải thích nghi: Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) phối hợp cùng Cục Điều tiết Điện lực xây dựng khung tiêu chuẩn mới cho rơ-le số thông minh, hướng tới mục tiêu giảm chỉ số thời gian mất điện trung bình SAIDI của toàn ngành xuống dưới 150 phút/khách hàng/năm vào năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị lý thuyết và ứng dụng thực tiễn sâu sắc cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư điều độ và vận hành hệ thống điện: Nhóm chuyên gia tại các trung tâm điều độ quốc gia, điều độ miền và điều độ phân phối sẽ tìm thấy phương pháp luận chi tiết để thiết lập các phương án sa thải tải động, giúp ngăn ngừa rã lưới và tối ưu hóa quy trình khôi phục nguồn điện sau sự cố.
• Kỹ sư thiết kế rơ-le bảo vệ và tự động hóa: Cung cấp cơ sở khoa học và giải thuật lập trình để cấu hình các dòng rơ-le số kỹ thuật số hiện đại, tích hợp logic sa thải phụ tải thông minh thay thế cho các rơ-le tần số cơ học truyền thống.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện: Là tài nguyên học thuật phong phú về ứng dụng trí tuệ nhân tạo (Fuzzy Logic, AHP, ANN, GRNN) trong bài toán động học hệ thống điện và kỹ năng xây dựng mô hình mô phỏng trên lưới chuẩn IEEE.
• Nhà quản lý doanh nghiệp phân phối và chính sách năng lượng: Giúp các đơn vị quản lý điện lực có cái nhìn toàn diện về phân loại khách hàng ưu tiên, giảm thiểu thiệt hại kinh tế do ngừng cung cấp điện và xây dựng các chính sách quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

• Thuật toán Fuzzy - AHP giải quyết nhược điểm gì lớn nhất của phương pháp sa thải phụ tải truyền thống? Thuật toán Fuzzy - AHP khắc phục triệt để nhược điểm cắt tải cào bằng của phương pháp truyền thống bằng cách phân loại và gán trọng số ưu tiên cho từng nhóm phụ tải dựa trên các tiêu chí kinh tế, kỹ thuật và an ninh xã hội, đảm bảo các cơ sở y tế, quốc phòng và dây chuyền công nghiệp quan trọng không bị cắt điện tùy tiện.

• Tại sao mạng nơ-ron GRNN lại phù hợp cho bài toán sa thải phụ tải trực tuyến hơn các thuật toán tối ưu hóa di truyền (GA) hay bầy đàn (PSO)? Mạng GRNN có cấu trúc mạng truyền thẳng một chu kỳ tính toán, cho phép nhận dạng tức thời lượng công suất cần sa thải trong thời gian dưới 350 ms. Trong khi đó, các giải thuật GA và PSO yêu cầu hàng trăm bước lặp tính toán ngẫu nhiên, gây ra độ trễ lớn không thể đáp ứng yêu cầu giải trừ sự cố tức thời của hệ thống điện.

• Dải tần số vận hành an toàn và các ngưỡng nguy hiểm của hệ thống điện được quy định như thế nào? Theo quy chuẩn kỹ thuật điện lực, dải tần số làm việc bình thường là 50 Hz ± 0,2 Hz và sự cố đơn lẻ là 50 Hz ± 0,5 Hz. Khi tần số giảm xuống dưới 48,0 Hz, các tổ máy phát chỉ được phép hoạt động tối đa 1 phút, và nếu chạm ngưỡng 47,5 Hz, cánh tuabin có nguy cơ bị hư hỏng nghiêm trọng đòi hỏi rơ-le phải kích hoạt sa thải tải ngay lập tức.

• Phương pháp đề xuất đã được kiểm chứng trên mô hình hệ thống điện nào và kết quả ra sao? Phương pháp đã được kiểm chứng thực nghiệm trên hệ thống điện chuẩn IEEE New England 39 thanh cái với 10 máy phát điện và 19 nút phụ tải. Kết quả cho thấy phương pháp giúp tần số phục hồi về mức 49,85 Hz chỉ sau 2,5 giây và giảm hơn 30% lượng công suất bị cắt thừa ở mọi mức mang tải từ 65% đến 95%.

• Khả năng áp dụng phương pháp này vào thực tế lưới điện Việt Nam có khả thi không? Giải pháp hoàn toàn khả thi nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống SCADA, rơ-le kỹ thuật số và hạ tầng đo lường từ xa hiện có tại các Công ty Điện lực. Việc cài đặt thuật toán vào phần mềm điều khiển trung tâm cho phép tự động hóa hoàn toàn quá trình cắt tải theo phân cấp 7 khu vực điều khiển trên toàn quốc.

Kết luận

• Đóng góp khoa học cốt lõi: Luận văn đã xây dựng thành công mô hình sa thải phụ tải dưới tần số thông minh kết hợp giải thuật phân tích thứ bậc mờ Fuzzy - AHP và mạng nơ-ron hồi quy tổng quát GRNN.
• Hiệu năng vượt trội: Rút ngắn thời gian ra quyết định cắt tải xuống dưới 350 ms, nâng cao tốc độ tính toán gấp hơn 100 lần so với các giải thuật tối ưu hóa cổ điển và đưa tần số hệ thống nhanh chóng ổn định trong dải quy chuẩn 49,8 Hz đến 50,2 Hz.
• Lợi ích kinh tế kỹ thuật: Giảm thiểu hơn 30% lượng công suất sa thải quá mức, ngăn ngừa hiệu quả hiện tượng sụp đổ tần số và bảo vệ tối đa các phụ tải trọng yếu phục vụ kinh tế xã hội.
• Kế hoạch phát triển tiếp theo: Mở rộng nghiên cứu áp dụng thuật toán trên mô hình lưới điện thực tế 500 kV và 220 kV của Việt Nam, tích hợp thêm các kịch bản dao động công suất do năng lượng tái tạo (điện gió, điện mặt trời) gây ra trong giai đoạn 2026-2030.
• Kêu gọi ứng dụng: Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện, kỹ sư điều độ và các nhà nghiên cứu cần đẩy mạnh hợp tác triển khai các giải pháp điều khiển thông minh này vào thực tiễn, nhằm hiện đại hóa lưới điện quốc gia và đảm bảo an ninh năng lượng bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan các phương pháp sa thải phụ tải. HVTH: Đỗ Ngọc Ẩn 5 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương 2. Mô hình hệ thống phân cấp HP và uzzy – AHP và mạng Nơron.

Phương pháp sa thải phụ tải dưới tần số áp dụng mạng nơron, thuật toán Fuzzy-AHP và mạng nơron. Khảo sát, thử nghiệm nhằm kiểm chứng hiệu quả phương pháp đề xuất trong luận văn. Kết luận và hướng phát triển của đề tài. HVTH: Đỗ Ngọc Ẩn 6 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chƣơng 1 TỔNG QUAN CÁC PHƢƠNG PHÁP SA THẢI PHỤ TẢI 1.

Tổng quan các kết quả nghiên cứu Chất lượng điện năng và độ tin cậy là điều kiện tiên quyết trong việc cung cấp điện cho Khách hàng. Hiện nay, yêu cầu từ phía Khách hàng ngày càng cao nên mức độ đòi hỏi hệ thống không những đủ công suất mà còn phải đảm bảo độ ổn định, tin cậy trong vận hành. Khả năng phát của nguồn sẽ tỷ lệ thuận với số lượng tải trong hệ thống. Bên cạnh đó, ngành Điện cũng phải dự trữ một lượng công suất đủ lớn để đáp ứng nhu cầu khi có sự dao động về tải, nhưng yêu cầu đó hiện nay vẫn chưa đảm bảo được do hệ thống điện vẫn còn có nhiều nhiễu loạn và gây nên tình trạng mất điện.

Thông thường, các sự cố hay các sự nhiễu loạn của hệ thống điện là phần lớn do sự cố mất điện của máy phát điện, hoặc do tải thay đổi bất ngờ (tăng thêm tải). Tại thời điểm xảy ra các sự cố, hệ thống dễ xảy ra tình trạng mất ổn định. Mức độ của sự mất ổn định tùy thuộc vào thời gian và tính chất của các sự nhiễu loạn. Tiêu chuẩn đánh giá ổn định chất lượng điện năng trong hệ thống là giá trị tần số và điện áp.

Nếu một trong hai thông số thay đổi sẽ dẫn đến sự mất cân bằng công suất trong hệ thống và gây nên sự nhiễu loạn. Tần số bị ảnh hưởng bởi công suất tác dụng, điện áp bị ảnh hưởng bởi công suất phản kháng. Nên khi có sự bất ổn về tần số hoặc điện áp sẽ gây ra nhiễu loạn HVTH: Đỗ Ngọc Ẩn 7 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh và nếu kéo dài sẽ dẫn đến tan rã hệ thống. Sau khi xảy ra các trường hợp nhiễu loạn, việc nhanh chóng đưa các thông số về thông số ban đầu hoặc đưa hệ thống về điểm ổn định mới là điều hết sức quan trọng nhằm hạn chế tối đa việc sụp đổ hệ thống.

Vì vậy, sa thải phụ tải là một trong các phương án bắt buộc phải lựa chọn. Tuy nhiên, số lượng tải cần ngắt và thời gian cắt cũng được xem là yếu tố quan trọng quyết định trong việc ổn định hệ thống. Chính vì thế, việc lựa chọn phương pháp sa thải phụ tải tối ưu cũng là vấn đề cần thiết và cấp bách. Hiện nay, trong lĩnh vực vận hành HTĐ có nhiều phương pháp khác nhau để sa thải phụ tải và phục hồi hệ thống.

Các phương pháp này đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu và đã được sử dụng trong ngành công nghiệp năng lượng trên toàn thế giới. Phần lớn các phương pháp này đều có nguyên tắc chung là dựa trên sự suy giảm tần số trong hệ thống. Việc sa thải tải quá mức cần thiết đã không được ưa chuộng vì nó gây ra sự không hài lòng từ phía Khách hàng. Các cải tiến đối với các phương pháp truyền thống đã dẫn đến sự phát triển của phương pháp sa thải phụ tải dựa trên tần số cũng như tốc độ thay đổi của tần số.

Điều này cho phép dự đoán tốt hơn lượng phụ tải sẽ phải sa thải, và nâng cao độ chính xác của phương pháp. Gần đây, việc mất điện đã gây sự chú ý tới các vấn đề của sự ổn định điện áp trong hệ thống. Giảm điện áp có thể là một kết quả của một sự nhiễu loạn. Đó là nguyên nhân chính, tuy nhiên, còn có thể do cung cấp không đủ công suất phản kháng.

Điều này hướng các nhà nghiên cứu tập trung vào phương pháp để duy trì sự ổn định điện áp của hệ thống. Sau khi xem xét các thông số cho sa thải tải, cần thiết phải có các thiết bị phù hợp cho việc thu thập dữ liệu hệ thống để các dữ liệu đưa vào cho chương trình sa thải được chính xác như các giá trị thực tế. Thông thường, các bộ phận đo lường pha được sử dụng để thu thập dữ liệu thời gian thực (các đại lượng P, Q, U, I, f, …). Trong hệ thống, mỗi phụ tải được đặc trưng bởi vị trí đấu nối, tính chất quan HVTH: Đỗ Ngọc Ẩn 8 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh trọng về an ninh, chính trị, quốc phòng, đặc tính dây chuyền công nghệ, khả năng bị thiệt hại về kinh tế khi có sự cố mất điện,.

Tùy theo tính chất quan trọng này mà phụ tải được sắp xếp thứ tự ưu tiên nhất định khi áp dụng sa thải. Đảm bảo sao cho trong quá trình sa thải có mức thiệt hại thấp nhất mà vẫn duy trì được sự cân bằng của hệ thống. Khi có tình huống khẩn cấp, việc sa thải tải được dựa trên thứ ưu tiên đó, nghĩa là sa thải những phụ tải ít quan trọng trước, những tải quan trọng sẽ được sa thải sau cùng (hoặc không sa thải). Vì vậy, phương diện kinh tế đóng một phần quan trọng trong các kế hoạch sa thải tải.

Thông thường, một phương pháp tiếp cận thông minh sẽ được sử dụng kết hợp. Tổng số lượng của tải phải sa thải được chia thành nhiều bước riêng biệt, nó được sa thải tương ứng theo sự suy giảm của tần số. Ví dụ, khi tần số giảm đến điểm nhận đầu tiên chắc chắn được xác định trước phần trăm của tổng phụ tải được sa thải. Nếu có một sự giảm tiếp trong tần số và nó đạt đến điểm nhận thứ hai, tỷ lệ phần của tải còn lại được sa thải.

Quá trình này sẽ diễn ra cho đến khi tần số tăng trên giới hạn dưới của nó. Số lượng tải bị sa thải trong mỗi bước là một yếu tố quan trọng về hiệu quả của chương trình. Bằng cách giảm tải trong mỗi bước, khả năng sa thải tải quá mức sẽ được giảm thiểu. Trong khi xem xét số lượng tải được sa thải và lượng tải sa thải mỗi bước, cần tính đến yêu cầu công suất phản kháng của mỗi tải.

Thông thường, những nhiễu loạn như mất một máy phát điện gây ra điện áp giảm. Một cách hiệu quả để khôi phục lại điện áp là giảm phụ tải công suất phản kháng. Do đó, khi tải tiêu thụ một lượng cao công suất phản kháng, nó sẽ được cắt giảm đầu tiên; biên độ điện áp có thể được cải thiện. Các phƣơng pháp sa thải phụ tải đang áp dụng Có nhiều phương pháp khác nhau để sa thải phụ tải và phục hồi hệ thống đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu và đã được sử dụng trong ngành công nghiệp năng lượng trên toàn thế giới.

Các phương pháp sa thải phụ tải về cơ bản được chia thành 3 mảng nghiên cứu chính: các phương pháp sa thải phụ tải truyền HVTH: Đỗ Ngọc Ẩn 9 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh thống, các phương pháp sa thải phụ tải thích nghi, các phương pháp sa thải phụ tải thông minh. Tổng quan về các phương pháp sa thải phụ tải hiện có được trình bày trong Hình 1. - Sa thải phụ tải truyền thống (Conventional Load Shedding). - Sa thải phụ tải thích nghi (Adaptive Load Shedding).

- Sa thải phụ tải thông minh (ILS - Intelligent Load Shedding). Các phương pháp sa thải phụ tải Các phương pháp sa thải Các phương pháp sa thải Các phƣơng pháp sa thải phụ tải truyền thống phụ tải thích nghi phụ tải thông minh UFLS UVLS sa Artificial Adaptive Neural Fuzzy Analytic Neuro Genetic Particle sa thải thải phụ Fuzzy Network Logic Hierarchy Swarm phụ tải tải dưới (ANN) Infernce Algorithm Control Process Optimizat dưới điện áp (FLC) (AHP) System ion tần số (ANFIS) Hình 1. Các phương pháp sa thải phụ tải trong hệ thống điện Luận văn đề xuất mô hình sa thải phụ tải nhằm đảm bảo ổn định đối với mô hình thực nghiệm trên cơ sở sử dụng phối hợp giải thuật Fuzzy - AHP và mạng nơ ron nhân tạo ANN. Mô hình sa thải phụ tải này cho phép giảm thời gian đưa ra quyết định, giảm thời gian phục hồi tần số và nâng cao độ ổn định tần số so với phương pháp truyền thống.

Phƣơng pháp sa thải phụ tải truyền thống Sa thải phụ tải bằng relay tần số (R81), hoặc relay điện áp (R27) là phương pháp được sử dụng chung nhất cho việc điều khiển ổn định tần số [1-3], ổn định HVTH: Đỗ Ngọc Ẩn 10 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh điện áp của lưới điện và duy trì tính ổn định của lưới trong các điều kiện cần thiết. Trong các phương pháp sa thải phụ tải thông thường, khi tần số hoặc điện áp dao động ra ngoài giới hạn làm việc đã được cài đặt trước, các relay tần số/điện áp của hệ thống phát tín hiệu cắt từng mức phụ tải tương ứng, do đó sẽ ngăn cản sự suy giảm tần số/điện áp và các ảnh hưởng của nó. Thực tế đang áp dụng quá trình STPT tại các Điện lực như sau: khi Điều Độ Viên lưới phân phối ra lệnh cắt giảm phụ tải với một lượng công suất định trước, Trực ban vận hành sẽ căn cứ vào tình hình vận hành cùa các tuyến đường dây để thực hiện cắt giảm các tuyến, nhánh tương ứng sao cho đủ lượng công suất yêu cầu. Việc này được thực hiện thủ công, thao tác bằng tay tại hiện trường.

Đồng thời phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về an toàn nên tiến trình mất rất nhiều thời gian (bao gồm thời gian tiếp nhận thông tin, cấp phiếu thao tác, di chuyển đến hiện trường và thực hiện thao tác). Trong trường hợp tần số rớt xuống giá trị nguy hiểm thì ngay lập tức các tải 110 kV, 220 kV sẽ bị sa thải. Việc này sẽ gây mất điện diện rộng và khó khăn trong cung ứng điện cho Khách hàng [4]. Hơn nữa các số liệu vận hành phụ tải chưa được cập nhật thường xuyên nên dẫn đến tình trạng cắt giảm thừa/thiếu so với giá trị mà Điều Độ Viên đã đưa ra.

Đây cũng là một hạn chế lớn của phương pháp này. Đòi hỏi phải có phương pháp khác hiệu quả hơn để đáp ứng yêu cầu mới. Sa thải phụ tải dƣới tần số (Under Frequency Load Shedding - UFLS) Tần số danh định của hệ thống điện Việt Nam là 50 Hz đối với tất cả các cấp điện áp.