Chương 1. Giới thiệu Chương 2. Tổng quan về tái cấu hình LĐPP Chương 3. Tái cấu hình LĐPP sử dụng các giải thuật tìm kiếm tối ưu Chương 4.
Tái cấu hình LĐPP có xét đến máy phát điện phân tán Chương 5. Ứng dụng tái cấu hình LĐPP Chư Prông - Điện lực Gia Lai Chương 6. Kết luận 4 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ TÁI CẤU HÌNH LĐPP 2. Giới thiệu Hệ thống điện gồm có bốn thành phần chính là nhà máy điện, lưới điện truyền tải, LĐPP và phụ tải.
Trong bốn thành phần đó, hệ thống phân phối có vai trò đặc biệt quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy, chất lượng và giá thành điện năng cung cấp [1]. LĐPP thường được vận hành hở hay còn gọi là hình tia nghĩa là không có bất kỳ vòng kín nào trong sơ đồ đơn tuyến. Việc vận hành hở LĐPP có nhiều ưu điểm so với vận hành kín như là dễ dàng bảo vệ lưới, dòng sự cố nhỏ, dễ dàng điều chỉnh điện áp và phân bố công suất. Tuy nhiên, do vận hành ở mức điện áp thấp và dòng điện lớn, LĐPP thường có tổn thất công suất và độ sụt áp lớn [2].
Mặc dù được vận hành hở nhưng để nâng cao độ tin cậy của hệ thống phân phối, trên các mạch hình tia thường có các khóa điện thường mở có khả năng kết nối đến các mạch khác. Nếu có sự cố xảy ra trên một nhánh, các khóa điện thường mở cho phép khôi phục một phần phụ tải trong vùng có sự cố. Ngoài ra, trên các mạch hình tia cũng có các khóa điện thường đóng. Các khóa điện này có thể thay đổi trạng thái khi có yêu cầu.1 mô tả một LĐPP đơn giản gồm có hai nguồn và nhiều khoá điện [3].
Khoá SW1, SW5 và RC3 ở trạng thái mở để đảm bảo lưới điện vận hành hở. Các đoạn tải LN2 và LN6 nằm ở cuối lưới của nguồn điện SS2. Để cải thiện chất lượng điện năng ở cuối lưới, bộ tụ bù được lắp giữa LN4. Tất nhiên, các thiết bị này đều có thể được vận hành ở chế độ thông số không đổi trong thời gian vận hành hay thông số thay đổi bằng cách điều khiển từ xa hay tại chỗ.
Khi vận hành hệ thống điện phân phối như Hình 2.1, có thể giảm tổn thất công suất bằng cách chuyển một số tải từ nguồn SS2 sang nguồn SS1, chẳng hạn như đóng RC3 và mở SW2 để chuyển các đoạn tải LN5 và LN6 từ nguồn SS2 sang SS1. Hơn nữa, trên LĐPP thực tế có rất nhiều khóa điện, việc tìm ra cách chuyển tải tốt nhất 5 trong tổ hợp các khoá điện khi chuyển tải đáp ứng các điều kiện ràng buộc kỹ thuật sẽ trở nên phức tạp hơn. Việc phân tích lựa chọn các cách chuyển tải này là nội dung của bài toán tái cấu hình LĐPP. Tái cấu hình LĐPP là quá trình thay đổi cấu trúc hình học của LĐPP bằng việc thay đổi trạng thái của các khóa điện thường đóng và thường mở trong khi vẫn đảm bảo thỏa mãn các ràng buộc tùy theo mục đích của nhà vận hành (Hình 2.2), trong đó có các ràng buộc kỹ thuật như [1]: - Kết nối của hệ thống phải luôn luôn được duy trì hay nói cách khác tất cả các nút tải phải luôn được cung cấp điện.
- Cấu hình hình tia của LĐPP luôn luôn được đảm bảo trong mọi điều kiện. - Điện áp các nút phải nằm trong giới hạn cho phép. - Dòng điện trên các nhánh nằm trong giới hạn định mức cho phép. Bài toán tái cấu hình LĐPP được đề xuất lần đầu vào năm 1975 bởi Merlin và Back [4].
Trong nghiên cứu này, kỹ thuật tối ưu nhánh và biên được sử dụng để xác định cấu hình lưới có tổn thất bé nhất. Ban đầu tất cả các khóa điện được đóng lại để tạo thành lưới điện kín, sau đó các khóa điện lần lượt được mở để khôi phục lại cấu hình hình tia. Civanlar và cộng sự [5] sử dụng phương pháp trao đổi nhánh để giảm tổn thất công suất dựa trên việc chọn lựa các cặp khóa điện. Ý tưởng của phương pháp là trong một vòng kín, một khóa điện đang mở sẽ được thay thế bằng một khóa 6 đóng để giảm tổn thất công suất.
Khóa được chọn là khóa có mức giảm tổn thất công suất lớn nhất. Shirmohammadi và Hong [6] đề xuất phương pháp tái cấu hình giảm tổn thất công suất dựa trên phương pháp của Merlin và Back. Trong phương pháp này, trên mô hình mạng thuần trở, ban đầu tất cả các khóa điện được đóng lại sau đó lần lượt các khóa điện có dòng điện bé nhất được mở cho đến khi lưới điện trở thành hình tia. Tái cấu hình LĐPP.
Những phương pháp trên có đặc điểm chung là dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật và không sử dụng bất kỳ thuật toán tối ưu nào nhưng cố gắng tìm ra một giải pháp tốt bằng các quy trình kỹ thuật. Sau hơn ba thập niên thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật máy tính, cho đến nay nhiều phương pháp heuristic tổng quát (metaheuristic) đã được áp dụng để giải bài toán tái cấu hình LĐPP và đã đạt được nhiều kết quả. Đây là những phương pháp thường tiếp cận ngẫu nhiên dựa vào quần thể mà không có các yêu cầu đặc biệt như tính liên tục của hàm mục tiêu và hiệu quả trong việc xử lý các bài toán tối ưu có ràng buộc [1]. Tuy nhiên, đối với các thuật toán heuristic tổng quát thì vấn đề cần quan tâm là chúng có thể rơi vào cực trị địa phương thay vì toàn cục và một số thuật toán lại yêu cầu một số lượng lớn các thông số cần điều chỉnh trong quá trình thực hiện.
Vì vậy, trong lĩnh vực này, bài toán ngăn ngừa sự hội tụ sớm vào cực trị địa phương của các thuật toán heuristic tổng quát thu hút được nhiều sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu [1]. Trong [7-9], giải thuật di truyền (genetic algorithm - GA) đã được áp dụng giải 7 bài toán tái cấu hình LĐPP để giảm tổn thất công suất. Trong [10], giải thuật GA đã được sử dụng để giải bài toán tái cấu hình LĐPP có nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG) để giảm tổn thất công suất và độ lệch điện áp. Trong [11], giải thuật GA đã được sử dụng để giải bài toán tái cấu hình LĐPP nhằm giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống.
Trong [12-14], thuật toán tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO) được áp dụng vào bài toán tái cấu hình LĐPP để giảm tổn thất công suất. Trong [16], [17], thuật toán PSO nhị phân được sử dụng để tái cấu hình LĐPP giảm tổn thất công suất. Trong [18], mạng nơron nhân tạo đã được sử dụng để tìm ra cấu hình lưới có tổn thất công suất bé nhất. Trong [19], thuật toán tối ưu trọng trường được áp dụng giải bài toán tái cấu hình LĐPP với hàm đa mục tiêu giảm tổn thất công suất, chi phí vận hành và độ tin cậy của LĐPP có DG.
Trong [20], lý thuyết đồ thị cây khung nhỏ nhất đã được áp dụng vào bài toán tái cấu hình lưới để giảm tổn thất công suất. Quá trình tái cấu hình không chỉ ảnh hưởng đến tổn thất công suất mà còn ảnh hưởng đến nhiều yếu tố khác của LĐPP. Vì vậy, bài toán tái cấu hình đa mục tiêu đã thu hút được nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Trong [21], phương pháp heuristic cải tiến dựa trên phương pháp trao đổi nhánh [22] đã được sử dụng để giải bài toán với mục tiêu giảm chi phí tổn thất, chi phí chuyển khóa và cải thiện điện áp nút trong hệ thống.
Trong nghiên cứu này, phương pháp trao đổi nhánh đã được cải tiến để chúng luôn tạo ra các cấu hình lưới hợp lệ tránh phải giải bài toán phân bố công suất trên lưới điện kín. Trong [23], phương pháp heuristic đa mục tiêu (Fuzzy Multiobjective Approach - FMA) được đề xuất để giải bài toán với hàm mục tiêu giảm tổn thất, độ lệch điện áp, cân bằng tải giữa các nhánh và giữa các xuất tuyến. Ngoài ra, một số nghiên cứu sử dụng các giải thuật heuristic tổng quát cũng đã được áp dụng thành công vào bài toán tái cấu hình đa mục tiêu chẳng hạn như GA [24], giải thuật lai giữa giải thuật đàn kiến (Ant Colony Optimization - ACO) và PSO (hybrid PSO - HPSO) [25], giải thuật lai giữa đàn ong (Honey Bee Mating 8 Optimization - HBMO) và PSO rời rạc (DPSO–HBMO) [26], giải thuật bước nhảy ếch (Shuffled Frog-Leaping - SFL) [27], đàn ong [28]. Ngoài ra, với sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo, cấu hình của LĐPP cũng đang dần được thay đổi.
Một trong những thay đổi mạnh mẽ đó là sự xuất hiện của DG trên LĐPP. DG là nguồn phát điện được kết nối với LĐPP hoặc từ phía khách hàng sử dụng điện [29]. Một số công nghệ DG hiện nay bao gồm hệ thống pin mặt trời, hệ thống turbin gió, hệ thống pin nhiên liệu, turbin công suất nhỏ, hệ thống năng lượng sóng biển, thủy triều, hệ thống bio-gas, hệ thống máy phát dầu, hệ thống máy phát khí, hệ thống năng lượng địa nhiệt, máy phát điện động cơ đốt trong [30]. Do bởi các yếu tố an ninh năng lượng và lợi ích kinh tế, sự xuất hiện của DG trên LĐPP ngày càng được tăng lên nhanh chóng [31], [32].
Ảnh hưởng của DG đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong thời gian gần đây. Trong [33], các phương pháp độ nhạy tổn thất công suất, chỉ số ổn định công suất (Power Stability Index - PSI), chỉ số ổn định điện áp (Voltage Stability Index - VSI) được so sánh trong việc tối ưu vị trí và công suất DG trên LĐPP. Trong [34], thuật toán tối ưu hóa tìm kiếm thức ăn của vi khuẩn (Bacterial Foraging Optimization Algorithm - BFOA) được đề xuất để tìm vị trí và công suất tối ưu của DG với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất, chi phí vận hành và ổn định điện áp. Trong [35], phương pháp dựa trên mạng thần kinh nhân tạo được sử dụng để tối ưu vị trí và công suất của các loại DG khác nhau.
Kayal và cộng sự [36] đề xuất phương pháp dựa trên thuật toán PSO để tối ưu công suất turbin gió và pin mặt trời để giảm tổn thất công suất và cải thiện độ ổn định điện áp của LĐPP. Trong [37], thuật toán PSO được sử dụng để tối ưu vị trí và công suất DG và đơn giá hợp đồng phát điện của DG.