CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT Nhu cầu sử năng lượng điện không ngừng tăng lên cùng với sự khan hiếm các nguồn năng lương sơ cấp nên dẫn đến chi phí sản xuất ra điện năng cũng tăng theo. Điều này cho thấy cần phải phân bố sử dụng các nguồn năng lượng một cách hợp lý và tiết kiệm. Trong vận hành, bài toán được đặt ra là làm sao để tối ưu chi phí sản xuất ra điện khi đến nơi tiêu thụ mà vẫn đảm bảo một số ràng buộc như độ dự trữ hệ thống, các yêu cầu về phụ tải, … là cần thiết.
Cùng với phát triển của khoa học máy tính, con người không ngừng tìm tòi ra các phương pháp với mong muốn giải quyết vấn đề nhanh hơn, chính xác hơn. Các phương pháp càng về sau có những ưu điểm nổi trội hơn so với các phương pháp trước như giải thuật đơn giản, số biến đầu vào nhỏ, chương trình tính toán nhanh, giải thuật tìm kiếm trên toàn bộ không gian làm việc để tìm lời giải tối ưu toàn cục,… và phải thích hợp với hàm mục tiêu phức tạp tồn tại trong hệ thống điện. GIỚI THIỆU BÀI TOÁN ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ Điện năng được sản suất ra tại nhà máy điện, thông qua đường dây truyền tải điện tới nơi tiêu thụ. Như vậy, để giảm chi phí tạo ra sản phẩm điện khi đến nơi tiêu thụ ta phải giảm chi phí sản suất ra điện tại nhà máy đồng thời giảm thiểu tổn thất công suất truyền đi đến nơi tiêu thụ.
Đó là bài toán kinh tế trong hệ thống điện. Bài toán kinh tế trong hệ thống điện có thể chia thành hai phần chính: bài toán quy hoạch - thiết kế và bài toán điều độ kinh tế. Bài toán quy hoạch thiết kế trong hệ thống điện liên quan đến quy hoạch, thiết kế và xây dựng các phần tử trong hệ thống cũng như các giải pháp cải tạo, nâng cấp HVTH: Bùi Quốc Thái 1 Chương 1: Giới thiệu chung thiết bị theo nhu cầu của phụ tải. Đó là bài toán thuộc dự báo, quy hoạch, thiết kế, phân tích kinh tế tài chính và lựa chọn phương án khả thi Bài toán điều độ kinh tế trong hệ thống điện (ED) đó là xác định phương thức vận hành tối ưu hợp lý nhằm mục đích cực tiểu hóa chi phí sản xuất ra điện năng trong vận hành nhưng vẫn đảm bảo hệ thống điện vận hành an toàn, đáp ứng yêu cầu mong muốn của phụ tải.
Muốn vậy, bài toán ED phải xác định phân bố công suất giữa các nguồn điện và phụ tải một cách tối ưu trong vận hành nhưng vẫn thỏa một số ràng buộc về nguồn, lưới và phụ tải. Bài toán kinh tế trong hệ thống điện Quy hoạch, thiết kế Điều độ kinh tế Phát triển, Cải tạo, nâng Tối ưu hóa Tối ưu hóa mở rộng cấp thiết bị chế độ nguồn chế độ lưới điện điện Dự báo, phân tích kinh Xác định phương thức vận tế, tài chính, lựa chọn hành tối ưu phương án khả thi Hình 1.1: Hình minh họa bài toán kinh tế trong hệ thống điện Cho đến nay, các phương pháp nổi bật để giải quyết bài toán ED như Phương pháp Newton, Phương pháp số (HNUM), Phương pháp Lagrange, Quy hoạch động (DP), Lập trình phi tuyến (NLP), Lập trình tuyến tính (LP),… .Và gần đây như Lập trình tiến hóa (EP), Giải thuật di truyền (GA), Phương pháp Tabu Search (TS), Mạng nơron Hopfield (HNN), Mạng nơron Lagrange tăng cường (ELANN), Tối ưu hóa bầy đàn (PSO), Phương pháp Harmony Search (HS), Phương pháp con kiến (ACO), Phương pháp con ong (BA), … Việc tìm kiếm một phưong pháp để giải quyết bài toán hiệu quả là điều mong muốn và thực tế. HVTH: Bùi Quốc Thái 2 Chương 1: Giới thiệu chung Qua tìm hiểu về thuật toán tối ưu hóa, một phương pháp mới mang tên Cuckoo Search được hai nhà toán học Xin-She Yang và Suash Deb phát triển năm 2009[1][2], phương pháp lấy cảm hứng từ việc ký gởi con cái của chim Cuckoo cho chim khác nuôi bằng cách đẻ trứng của nó vào tổ chim khác cùng giống. Qua đó, xin đề xuất dùng phương pháp CS này để giải quyết bài toán điều độ kinh tế trong hệ thống điện và sau đó so sánh kết quả với các phương pháp hiện đã nghiên cứu trước đây cũng như đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Giảm thiểu ở mức nhỏ nhất chi phí sản xuất ra điện năng đến nơi tiêu thụ trong vận hành là mục tiêu của bài toán điều độ kinh tế trong hệ thống điện với phương pháp đề xuất “Cuckoo Search”. TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI Hiện chưa có luận văn, công trình nghiên cứu trong nước về áp dụng thuật toán Cuckoo Search mới ra đời vào bài toán điều độ kinh tế trong hệ thống điện. Điều này cho thấy tầm quan trọng của nó trong việc tìm ra một lời giải tốt nhất, tối ưu nhất. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Căn cứ vào mục tiêu đề tài và thời gian làm luận văn, việc nghiên cứu chỉ giới hạn trong phạm vi: - Tìm hiểu cách thức giải quyết bài toán điều độ kinh tế trong hệ thống điện.
- Tìm hiểu thuật toán tối ưu CS, cách áp dụng vào bài toán điều độ kinh tế trong hệ thống điện. - Giải quyết bài toán ED cho hệ thống điện đơn giản là hệ thống tập trung, các nhà máy là nhiệt điện, bỏ qua tổn hao và các ràng buộc của hệ thống. Kết quả tính toán bằng phương pháp CS được thực hiện dựa trên lập trình Matlab. HVTH: Bùi Quốc Thái 3 Chương 2: Tổng quan CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ Mục tiêu của bài toán là đảm bảo hệ thống điện làm việc với chi phí thấp nhất trong vận hành nhưng vẫn thỏa một số yêu cầu đặt ra.
Muốn vậy, cần phải giảm đến mức tối thiểu chi phí nhiên liệu sản xuất điện và tổn thất điện năng. Trong thực tế, hệ thống điện đa dạng chủng loại các nhà máy điện như thủy điện, nhiệt điện than, nhiệt điện dầu, nhiệt điện khí, nhiệt điện khí hổn hợp,. liên kết với nhau thông qua hệ thống truyền tải để đến nơi tiêu thụ. Các nhà máy điện có thể chia thành hai dạng chính là thủy điện và nhiệt điện.
Việc giảm chi phí nhiên liệu được thực hiện bằng cách phối hợp hoạt động giữa các nhà máy điện một cách tốt nhất. Giảm tổn thất điện năng như thực hiện phân bố công suất giữa các phần tử hệ thống điện, lựa chọn cơ cấu thiết bị vận hành hợp lý, … Nhà máy điện thủy Nhà máy triều, mặt trời, gió,. Nhiệt điện Thủy điện Điện nguyên tử Nhiên liệu hữu cơ Thủy điện thường Thủy điện tích năng Nhiệt điện Nhiệt điện Tuabin hơi Tuabin khí Từ thủy động ngưng hơi tích hơi Nhiệt điện Nhiệt điện Nhiệt điện khí hơi ngưng hơi trích hơi Hình 2.1: Sơ đồ các nhà máy điện đang sử dụng hiện nay Như vậy, để giải quyết bài toán điều độ kinh tế cần phải biết toàn bộ thông số của hệ thống điện bao gồm thông số của nhà máy, thông số về lưới, thông số về phụ HVTH: Bùi Quốc Thái 4 Chương 2: Tổng quan tải. Thông số nhà máy như đặc tính chi phí sản xuất ra điện, đặc tính kỹ thuật - vận hành và các hạn chế của nhà máy.
Thông số lưới điện như thông số về các đường dây, trạm biến áp. Thông số về phụ tải như phân vùng phụ tải, đồ thị phụ tải và các yêu cầu về phụ tải. Ngoài ra để hệ thống vận hành an toàn và tin cậy còn yêu cầu thêm về dự trữ. Bài toán điều độ kinh tế thường tập trung vào phân bố tối ưu công suất giữa các nhà máy điện, đặc biệt là phân bố công suất phát tối ưu giữa các nhà máy nhiệt điện và phối hợp với thuỷ điện có xét đến các ràng buộc của hệ thống.
Do hệ thống điện lớn, đặc tính chi phí của nhà máy không liên tục và phi tuyến, bài toán ED có nhiều tối ưu cục bộ nên các phương pháp thông thường thì rất khó giải bài toán này. Một cách tiếp cận để giải quyết bài toán điều độ kinh tế với đường cong chi phí không liên tục và phi tuyến là tuyến tính hóa thành từng phân đoạn nhỏ và giải chúng bằng các phương pháp truyền thống như phương pháp số (HNUM), Phương pháp Lagrange (LA), lập trình tuyến tính (LP), lập trình phi tuyến (NLP),. Tuy nhiên việc giải bài toán bằng các phương pháp này sẽ gặp khó khăn đối với những hệ thống lớn và phức tạp. Gần đây, cùng với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo và khoa học máy tính, các phương pháp tối ưu có khuynh hướng nghiên về dạng mạng nơron và dạng metaheuristic do những lợi ích nó đem lại.
Các phương pháp tiêu biểu như Lập trình tiến hóa (EP), Giải thuật di tuyền (GA), Phương pháp Tabu Search (TS), Mạng Nơron Hopfield (HNN), Mạng Nơron Lagrange tăng cường (ELANN), Tối ưu hóa bầy đàn (PSO), Phương pháp Harmony Search (HS), Phương pháp con ong (BA), Phương pháp con đom đóm (FA), … Tuy nhiên các phương pháp này vẫn có khuyết điểm chung đó là số lần lặp lớn và bị ảnh hưởng bởi các thông số điều khiển liên quan. Cho tới nay, phương pháp được nghiên cứu rộng rãi và phổ biến như GA, PSO cho thấy nhiều ưu điểm. Riêng PSO giải quyết bài toán điều độ kinh tế hệ thống điện rất tốt. Phương pháp Cuckoo Search lấy cảm hứng từ việc ký gởi con cái của chim Cuckoo cho chim khác nuôi bằng cách đẻ trứng của nó vào tổ chim khác thường thì cùng giống.
Qua kiểm tra các hàm chuẩn, CS cho kết quả tốt hơn các phương pháp khác trước kia như GA, PSO [2]. Thuật toán này cho thấy rất khả quan trong việc giải quyết vấn đề tối ưu và xin đề xuất áp dụng vào trong bài toán điều độ kinh tế trong hệ thống điện.2 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI ĐÃ ĐƯỢC ÁP DỤNG 2.1 DP (Dynamic Programming) Phương pháp qui hoạch động DP ra đời vào những năm 1940 bởi Richard Bellman. DP là một phương pháp kinh điển rất hiệu quả để giải các bài toán ED không liên tục và không tuyến tính bằng cách tối ưu theo nhiều bước. Tuy nhiên bài toán DP dễ đưa đến tối ưu cục bộ và trong các bài toán lớn thì thời gian tính toán cực kỳ lớn.2 EP (Evolutionary Programming) Được đề xuất bởi Lawrence J.
Fogel vào năm 1960, phương pháp lập trình tiến hóa EP sau đó đã được chứng minh là giải được nhiều loại bài toán điều độ kinh tế khác nhau như bài toán điều độ kinh tế đa vùng, bài toán điều độ kinh tế có xét tới khí thải.
