I. Tổng Quan Ứng Dụng Thuật Toán Di Truyền trong Điện
Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, kéo theo sự phát triển và mở rộng của hệ thống điện. Để vận hành hệ thống một cách an toàn, tin cậy và hiệu quả, việc sử dụng các công cụ hỗ trợ thông minh là vô cùng quan trọng. Các phần mềm quản lý, đặc biệt là hệ thống quản lý năng lượng (EMS) và hệ thống đo lường diện rộng (WAMS), đóng vai trò then chốt. Dữ liệu từ hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) và các thiết bị đo đồng bộ pha (PMU) cung cấp thông tin quan trọng cho việc ước lượng trạng thái hệ thống điện. Bài toán ước lượng trạng thái là một yếu tố thiết yếu trong hiện đại hóa lưới điện, tạo tiền đề cho lưới điện thông minh và hệ thống năng lượng tự động hóa cao. Theo [17] và [39], ước lượng trạng thái hệ thống điện là then chốt để tạo ra lưới điện thông minh.
1.1. Tầm Quan Trọng của Thuật Toán Di Truyền trong EMS và WAMS
Hệ thống EMS và WAMS sử dụng dữ liệu đo đạc từ SCADA và PMU. Việc áp dụng thuật toán di truyền giúp tối ưu hóa việc xử lý và phân tích dữ liệu, cải thiện độ chính xác và hiệu quả của hệ thống. Hệ thống điện hiện đại cần các công cụ tiên tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy và an toàn.
1.2. Vai Trò của PMU trong Thu Thập Dữ Liệu Hệ Thống Điện
PMU cung cấp dữ liệu đồng bộ pha, giúp cải thiện khả năng giám sát và điều khiển hệ thống điện. Việc sử dụng PMU mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong việc xử lý các tình huống khẩn cấp và giảm thời gian khắc phục sự cố. Dữ liệu từ PMU có vai trò quan trọng trong việc cải thiện và nâng cao khả năng xử lý tình huống, làm giảm thời gian khắc phục sự cố trong vận hành hệ thống điện [7].
II. Thách Thức Tối Ưu Vị Trí Đặt PMU và Ước Lượng Trạng Thái
Mặc dù dữ liệu từ PMU mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc xác định số lượng và vị trí đặt tối ưu của các thiết bị này vẫn là một thách thức. Cần có sự cân bằng giữa yếu tố kinh tế và kỹ thuật để đảm bảo quan sát được toàn bộ hệ thống với chi phí hợp lý. Ngoài ra, việc xử lý sai số đo lường, lỗi đường truyền và nhiễu trong quá trình truyền dữ liệu cũng đặt ra những yêu cầu cao hơn đối với các thuật toán ước lượng trạng thái hệ thống điện. Cần nghiên cứu và phát triển các thuật toán mạnh mẽ, có khả năng xử lý dữ liệu không đầy đủ và đảm bảo độ chính xác của kết quả ước lượng.
2.1. Bài Toán Tối Ưu Hóa Vị Trí Đặt Thiết Bị Đo PMU
Tìm vị trí tối ưu để đặt thiết bị PMU là cần thiết, giúp đưa ra số lượng thiết bị cần dùng ít nhất và các vị trí đặt tối ưu nhằm đảm bảo quan sát được toàn bộ hệ thống. Giải quyết hài hòa giữa bài toán kinh tế và kỹ thuật là mục tiêu quan trọng. Việc tối ưu vị trí đặt PMU giúp giảm chi phí đầu tư và vận hành, đồng thời đảm bảo độ tin cậy của hệ thống.
2.2. Vấn Đề Mất Dữ Liệu và Yêu Cầu về Thuật Toán Ước Lượng Trạng Thái
Việc mất dữ liệu do lỗi đường truyền khiến người vận hành hệ thống không biết thông tin liên quan của một số khu vực. Do đó cần nghiên cứu phát triển các thuật toán ước lượng trạng thái hệ thống điện. Các thuật toán này cần có khả năng ước lượng trạng thái hệ thống điện, ngay cả khi một số dữ liệu đo bị thiếu hoặc không chính xác. Độ chính xác và độ tin cậy của thuật toán là yếu tố then chốt.
2.3. Thiếu Nghiên Cứu Chuyên Sâu tại Việt Nam về Ước Lượng Trạng Thái
Hiện nay chưa có công bố nghiên cứu cụ thể về bài toán tìm số lượng, vị trí đặt thiết bị đo tối ưu cho lưới truyền tải điện của Việt Nam, cũng như những nghiên cứu chuyên sâu về bài toán ước lượng trạng thái hệ thống điện ở Việt Nam. Vì vậy việc thực hiện luận án là cần thiết, là cơ sở để phát triển nghiên cứu và phân tích sâu hơn các vấn đề liên quan đến công việc vận hành trên lưới điện Việt Nam, đáp ứng nhu cầu thực tiễn.
III. Giải Pháp Ứng Dụng Thuật Toán Di Truyền và Tối Ưu Bầy Đàn
Luận án này tập trung vào việc áp dụng thuật toán di truyền và thuật toán tối ưu bầy đàn để giải quyết hai bài toán trên: tối ưu hóa vị trí đặt PMU và ước lượng trạng thái hệ thống điện. Thuật toán di truyền (GA) và tối ưu bầy đàn (PSO) là các phương pháp heuristic mạnh mẽ, có khả năng tìm kiếm giải pháp tối ưu trong không gian tìm kiếm phức tạp. Nghiên cứu này sẽ đề xuất sơ đồ khối thuật toán và các bộ thông số thích hợp để đạt được kết quả tốt nhất. Mục tiêu là phát triển các công cụ hiệu quả, có thể ứng dụng vào thực tế vận hành lưới điện.
3.1. Áp Dụng Thuật Toán Di Truyền Cho Bài Toán Tối Ưu Vị Trí PMU
Trong bài toán tối ưu vị trí PMU, thuật toán di truyền có thể được sử dụng để tìm kiếm các vị trí đặt thiết bị sao cho đảm bảo khả năng quan sát toàn bộ hệ thống với số lượng thiết bị ít nhất. Thuật toán sẽ xem xét các ràng buộc về kỹ thuật và kinh tế để đưa ra giải pháp tối ưu. Tối ưu hóa đa mục tiêu có thể được áp dụng để cân bằng giữa chi phí đầu tư và độ tin cậy.
3.2. Sử Dụng Thuật Toán Tối Ưu Bầy Đàn Để Ước Lượng Trạng Thái Hệ Thống Điện
Thuật toán tối ưu bầy đàn có thể được sử dụng để ước lượng giá trị các biến trạng thái (môđun điện áp nút và góc pha điện áp nút) của hệ thống điện. Thuật toán sẽ tìm kiếm các giá trị biến trạng thái sao cho phù hợp nhất với dữ liệu đo đạc và mô hình hệ thống. Điều khiển tối ưu có thể được thực hiện dựa trên kết quả ước lượng trạng thái.
IV. Nghiên Cứu Tối Ưu Vị Trí PMU với Thuật Toán Di Truyền
Chương 2 tập trung vào việc tối ưu hóa số lượng và vị trí đặt PMU để đảm bảo điều kiện quan sát hệ thống điện. Nghiên cứu này phân tích các vấn đề liên quan đến việc tính chỉ số quan sát, đồng thời đề xuất một thuật toán mới với quy trình tính toán đơn giản hơn. Các kết quả được so sánh với các nghiên cứu trước đây để đánh giá hiệu quả của thuật toán đề xuất. Thuật toán này sau đó được áp dụng để mô phỏng trên lưới điện truyền tải 350 nút của Việt Nam, đưa ra các đề xuất về vị trí đặt PMU tối ưu.
4.1. Đề Xuất Giải Thuật Thuật Toán Di Truyền Biến Nhị Phân
Đề xuất giải thuật sử dụng thuật toán di truyền biến nhị phân cùng quá trình tính toán chỉ số quan sát của các nút với quy trình gồm ba bước. Thuật toán đề xuất này giúp giải quyết bài toán mà không cần thêm các biến đổi hay kỹ thuật xử lý phức tạp như các nghiên cứu trước.
4.2. Ứng Dụng Thuật Toán cho Lưới Điện Truyền Tải Việt Nam
Thuật toán đề xuất được ứng dụng mô phỏng với lưới điện truyền tải 350 nút Việt Nam và đưa ra đề xuất phương án tối ưu đặt thiết bị PMU trên lưới.
V. Ước Lượng Trạng Thái Hệ Thống Điện GA và PSO So Sánh
Chương 3 trình bày về việc áp dụng thuật toán di truyền và thuật toán tối ưu bầy đàn để giải quyết bài toán ước lượng trạng thái hệ thống điện. Nghiên cứu này đề xuất một thuật toán mới với quá trình ước lượng tách riêng môđun và góc pha điện áp. Trong thuật toán đề xuất, mỗi cá thể chỉ gồm môđun điện áp hoặc góc pha điện áp. Phương pháp này được áp dụng tính toán và kiểm chứng trên các lưới điện IEEE 14 nút, 30 nút và 118 nút, chứng minh tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của nó.
5.1. Tách Biến trong Thuật Toán Ước Lượng Trạng Thái
Nghiên cứu áp dụng thành công quá trình tách biến cho thuật toán di truyền và thuật toán tối ưu bầy đàn để ước lượng trạng thái lưới điện truyền tải có số nút lớn.
5.2. Kiểm Chứng Thuật Toán trên Các Lưới Điện IEEE
Phương pháp đề xuất được áp dụng tính toán và kiểm chứng trên các lưới điện IEEE 14 nút, 30 nút và 118 nút. Các kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế của thuật toán trong các hệ thống điện lớn.
VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tế trong Điện
Nghiên cứu này không chỉ đóng góp vào việc phát triển các thuật toán tối ưu cho lưới điện mà còn có ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng cho các lưới điện thực tế, cụ thể trong luận án đã thực hiện tính toán được số lượng và vị trí đặt tối ưu cho các thiết bị đo đồng bộ pha trên mô hình lưới điện truyền tải Việt Nam (350 nút). Ngoài ra, các kết quả này cũng là cơ sở để nghiên cứu sâu hơn về vấn đề ước lượng trạng thái hệ thống khi áp dụng cho lưới điện Việt Nam cũng như các lưới điện khác.
6.1. Ứng Dụng Thực Tế cho Lưới Điện Việt Nam
Nghiên cứu có thể được áp dụng cho các lưới điện thực tế, cụ thể trong luận án đã thực hiện tính toán được số lượng và vị trí đặt tối ưu cho các thiết bị đo đồng bộ pha trên mô hình lưới điện truyền tải Việt Nam (350 nút) để đảm bảo lưới truyền tải được quan sát trong các điều kiện khác nhau.
6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo về Ước Lượng Trạng Thái
Các kết quả nghiên cứu đạt được là cơ sở để nghiên cứu sâu hơn về vấn đề ước lượng trạng thái hệ thống khi áp dụng cho lưới điện Việt Nam cũng như các lưới điện khác.
