chương 1 cũng trình bày lý thuyết của thuật toán di truyền và thuật toán tối ưu bầy đàn để làm cơ sở áp dụng giải quyết hai bài toán trên. - Chương 2: Nghiên cứu tối ưu hóa số lượng và vị trí đặt thiết bị đo đồng bộ pha để đảm bảo điều kiện quan sát hệ thống điện. Nội dung trình bày về bài toán tối ưu số lượng và vị trí đặt thiết bị đo đồng bộ pha, phân tích các vấn đề liên quan đến việc tính chỉ số quan sát, phân tích một số tồn tại trong các nghiên cứu trước đây. Từ đó đề xuất thuật toán với quy trình tính toán chỉ số quan sát đơn giản hơn mà kết quả đưa ra vẫn đạt yêu cầu, các kết quả được so sánh với các nghiên cứu trước đây.
Bên cạnh đó, 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. - Chương 3: Nghiên cứu áp dụng thuật toán di truyền và thuật toán tối ưu bầy đàn để ước lượng trạng thái hệ thống điện. Nội dung trình bày về bài toán ước lượng trạng thái, trình bày việc áp dụng thuật toán di truyền và thuật toán tối ưu bầy đàn để giải quyết bài toán. Đề xuất thuật toán ước lượng giá trị biến trạng thái với quá trình ước lượng tách riêng môdun và góc pha điện áp.
Trong thuật toán đề xuất, mỗi cá thể chỉ gồm môđun điện áp hoặc góc pha 5 điện áp. Phương pháp đề xuất được áp dụng tính toán và kiểm chứng trên các lưới điện IEEE 14 nút, 30 nút và 118 nút. TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sự tăng nhanh về nhu cầu năng lượng khiến cấu trúc của hệ thống điện ngày càng phát triển. Bên cạnh đó việc quy hoạch hệ thống điện đảm bảo nhu cầu phát triển điện năng và vận hành hệ thống điện an toàn, tin cậy và hiệu quả là bài toán được quan tâm rất nhiều.
Để hỗ trợ cho công việc này, các chương trình tính toán, các công cụ máy tính được phát triển và sử dụng. Trong đó, công cụ ước lượng trạng thái hệ thống điện là một công cụ đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ giám sát, vận hành hệ thống và đưa ra các quyết định trong thời gian thực. Dữ liệu đầu vào quan trọng để ước lượng trạng thái là các tín hiệu đo từ các thiết bị đo trên hệ thống. Trong chương này, luận án tập trung nêu vai trò của bài toán tìm vị trí đặt thiết bị đo và bài toán ước lượng trạng thái hệ thống điện, phân tích tổng hợp các nghiên cứu đã có theo từng bài toán, làm cơ sở để định hướng nghiên cứu cho luận án.
Tổng quan bài toán tìm số lượng, vị trí đặt thiết bị đo tối ưu Điều kiện vận hành của hệ thống điện tại một thời điểm có thể được xác định nếu biết mô hình hệ thống, giá trị môđun điện áp và góc pha điện áp của tất cả các nút. Khi điều kiện vận hành thay đổi, các biến trạng thái có thể bị vượt khỏi phạm vi giới hạn cho phép, vì vậy cần thực hiện các điều khiển và các tác động thích hợp để đưa hệ thống trở về trạng thái làm việc với các biến trạng thái nằm trong giới hạn cho phép. Để làm được điều này ta cần một hệ thống giám sát các thông số của hệ thống. Với hệ thống EMS/SCADA, trung tâm điều khiển nhận thông tin về các thiết bị toàn hệ thống và dữ liệu đo lường thông qua hệ thống SCADA với cấu trúc gồm các thành phần cơ bản sau [27]: - Trạm điều khiển giám sát trung tâm: gồm một hay nhiều máy chủ trung tâm (master terminal unit - MTU hoặc central host computer server).
- Trạm thu thập dữ liệu trung gian: Là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Units) hoặc là các khối điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (ví dụ: các cảm biến, các thiết bị điều khiển đóng cắt). 7 - Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ. - Giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface): Là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vận hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống. Tuy nhiên, hệ thống SCADA được trang bị cho hệ thống điện chỉ thực hiện đo tín hiệu tương tự và chỉ đo được độ lớn tín hiệu, hơn nữa số liệu đo được gửi về trung tâm điều khiển giám sát cũng không đồng đều về mặt thời gian, vì vậy sẽ có ảnh hưởng đến việc đánh giá và vận hành hệ thống.
Để khắc phục điều này, hệ thống WAMS với các thiết bị đo đồng bộ pha PMU như Hình 1-1 [83] sử dụng thời gian chuẩn dựa trên đồng hồ vệ tinh được ứng dụng trong hệ thống điện. Toàn bộ thiết bị gồm 2 môđun là môđun cảm biến và môđun PMU [60]. Cấu trúc cơ bản của PMU gồm các khối chức năng sau [83], [60]: - Môđun cảm biến: thông thường môđun cảm biến là các máy biến điện áp và máy biến dòng điện, đo giá trị điện áp và dòng điện. - Bộ lọc: tín hiệu điện áp và dòng điện được đưa đến bộ lọc để loại bỏ các sai số.
- Bộ chuyển đổi A/D: Tín hiệu sau khi được lọc sẽ đưa sang bộ chuyển đổi A/D để chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Sau đó tín hiệu này được đưa sang bộ vi xử lý góc pha. - Hệ thống định vị toàn cầu (GPS): cung cấp các dịch vụ như vị trí trong tọa độ địa lý, độ cao trên mặt biển, vận tốc và hướng của một đối tượng chuyển động, thời gian tính theo UTC, tín hiệu 1PPS (one pulse per second), v. - Bộ khóa pha (phase locked-oscillator): có chức năng đồng độ các tín hiệu đo với nguồn tham chiếu thời gian.
Cụ thể, tín hiệu từ bộ lọc được đồng bộ với tín hiệu GPS. - Bộ vi xử lý góc pha: có chức năng nhận dữ liệu được lấy mẫu và thẻ thời gian GPS và tính toán các thành phần của điện áp và dòng điện. Sơ đồ khối của PMU [83] Khi sử dụng thiết bị PMU, nó cho phép các tín hiệu được đồng bộ về mặt thời gian dựa theo hệ thống GPS, và có thời gian cập nhật nhanh hơn so với các tín hiệu SCADA, cụ thể, PMU lấy dữ liệu 30-60 lần/giây thì SCADA lấy dữ liệu đo vài giây một lần [82]. Tại nút có lắp đặt PMU có thể đo được trực tiếp các giá trị điện áp nút, góc pha điện áp nút và dòng điện nhánh và góc pha dòng điện trên các nhánh nối với nút đó nên có thể thông qua các định luật Ohm và định luật Kirchhoff để xác định thông số của các nút liên quan.
Bên cạnh đó, việc đặt thiết bị PMU tại tất cả các nút trên lưới rất tốn chi phí vì chi phí mua và lắp đặt của thiết bị PMU khá cao, nằm trong khoảng 40. Do đó, ta cần tính toán số lượng PMU tối thiểu ở các vị trí đặt tối ưu để đảm bảo hệ thống được quan sát. Một hệ thống điện được coi là được quan sát hoàn toàn nếu điện áp tại tất cả các nút có một giá trị ước lượng duy nhất khi sử dụng các thông số đo đang có [12]. Từ các lý do trên, một trong những vấn đề quan trọng là xác định số lượng và vị trí tối ưu đặt PMU sao cho vừa đảm bảo vấn đề quan sát hệ thống, vừa nâng cao độ chính xác kết quả ước lượng trạng thái, vừa đảm bảo tính kinh tế.
Có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện để giải quyết bài toán này. Việc phân tích khả năng quan sát của hệ thống có thể được thực hiện bằng phương pháp số (numerical method) hoặc phương pháp cấu trúc liên kết (topological method) [12]. Phương pháp số được phát triển dựa trên ma trận Jacobi; còn phương pháp cấu trúc liên kết sử dụng lý thuyết đồ thị. Khi giải bài toán lưới điện lớn, phương pháp số sẽ tạo ra ma trận Jacobi có kích thước lớn dẫn đến tăng khối lượng tính toán và tăng thời 9 gian tính toán [21].
Còn đối với phương pháp cấu trúc liên kết, việc phân tích quan sát dựa trên tính logic, vì vậy phương pháp chỉ yêu cầu các thông tin về sự kết nối trong hệ thống, loại phép đo sử dụng và vị trí đặt thiết bị đo mà không cần thực hiện các tính toán phức tạp cũng như không cần các thông số của các phần tử như đường dây hay máy biến áp trên lưới điện [12]. Với những đặc điểm về tín hiệu đo của PMU, việc phân tích quan sát thường sử dụng phương pháp cấu trúc liên kết vì tính đơn giản và phù hợp của phương pháp này. Để giải quyết bài toán tối ưu hóa số lượng và vị trí đặt thiết bị đo đồng bộ pha (Optimal Placement of PMU – OPP), một số thuật toán được sử dụng như lập trình số nguyên [109], [44], [13], thuật toán cận nhánh [21], [54], [22], phương pháp xác suất và độ tin cậy [62]. Sử dụng phương pháp lập trình số nguyên, bài toán OPP với hàm mục tiêu xây dựng theo mô hình số nguyên tuyến tính đã được giải quyết với thời gian tính toán khá ngắn, kể cả với các lưới điện lớn [109], [44].
Tuy nhiên, khi việc đánh giá quan sát hệ thống có xét đến sự ảnh hưởng của các nút trung gian ZIB (zero injection bus), là các nút không có nguồn phát và cũng không có tải, các ràng buộc trở thành ràng buộc phi tuyến và khiến vấn đề trở nên khó giải quyết, đôi khi không thể đưa ra phương án hợp lý [114]. Một số cách xử lý được áp dụng khi xét đến nút ZIB như sử dụng phép biến đổi logic AND/OR [109], đưa ra luật cấu hình lại cấu trúc hệ thống [113], hoặc thêm các biến phụ nhị phân và biến đổi các ràng buộc [18], [11], [88]. Các biến đổi này khiến hàm mục tiêu, hàm ràng buộc và các thuật toán trở nên phức tạp hơn. Bên cạnh đó, có thể sử dụng các thuật toán tìm kiếm heuristic như thuật toán tham lam (Greedy algorithm) [14], thuật toán tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization – PSO) [45], [92], thuật toán con dơi nhị phân (binary bat algorithm) [99], thuật toán di truyền (Genetic Algorithm – GA) [75], [21], [114], [63], [16], [77], [19], thuật toán tìm kiếm Tabu [59].