Luận án Xây dựng thuật toán trí tuệ nhân tạo cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Tùng Linh XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TRÍ TUỆ NHÂN TẠO CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - Năm 2018 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Nguyễn Tùng Linh XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TRÍ TUỆ NHÂN TẠO CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TSKH PHẠM THƯỢNG CÁT 2.PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH Hà Nội - Năm 2018 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của đồng tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Tùng Linh iv LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Phòng Công nghệ tự động hóa đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới người thầy quá cố PGS.TSKH.Phạm Thượng Cát và thầy hướng dẫn PGSTS. Trương Việt Anh, hai thầy đã định hướng và tận tình hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Điện lực và Phòng Đào tạo Sau Đại học và các đơn vị trong Nhà trường đã quan tâm giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi có thể thực hiện nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các cán bộ Phòng Công nghệ Tự động hóa – Viện Công nghệ thông tin, các đồng nghiệp thuộc Khoa kỹ thuật điều khiển tự động hóa, khoa Kỹ Thuật Điện trường Đại học Điện lực đã động viên và trao đổi kinh nghiệm trong quá trình hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, người thân, các bạn đồng nghiệp những người luôn dành cho tôi những tình cảm nồng ấm, luôn động viên và sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc sống và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành quá trình nghiên cứu. Hà Nội, ngày .tháng 03 năm 2018 Tác giả luận án Nguyễn Tùng Linh v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iv MỤC LỤC .................................................................................................................. v DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ......................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ x MỞ ĐẦU ................................................................................................................. xii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI .................................................................. 1 1.1 Giới thiệu tổng quan lưới điện phân phối ........................................................... 1 1.1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối ......................................................................... 1 1.1.2 Giới thiệu bài toán tái cấu trúc lưới điện ........................................................ 4 1.1.3 Hiện trạng lưới điện phân phối Việt Nam ..................................................... 13 1.1.4 Mô hình bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ........................................ 14 1.2 Tổng quát các nghiên cứu giải bài toán tái cấu trúc với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất ............................................................................................................. 17 1.2.1 Kết hợp heuristics và tối ưu hóa.................................................................... 17 1.2.2 Các thuật toán thuần túy dựa trên Heuristics ................................................ 20 1.2.3 Các thuật toán dựa trên trí tuệ nhân tạo ........................................................ 23 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP HEURISTIC CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ......................................................................... 32 2.1 Phương pháp Heuristic cho bài toán tái cấu trúc lưới điện .............................. 32 2.1.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 32 2.1.2 Mô hình bài toán tái cấu trúc lưới điện ......................................................... 33 2.2 Đề xuất thuật toán Heuristic cho bài toán tái cấu trúc lưới điện ...................... 41 2.2.1 Hàm mục tiêu của bài toán ............................................................................ 41 2.3 Mô phỏng và đánh giá kết quả nghiên cứu ....................................................... 48 2.3.1 Mô phỏng kết quả nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tụ bù đến tái cấu trúc lưới điện phân phối.................................................................................................... 48 vi 2.3.2 Mô phỏng kết quả nghiên cứu của thuật toán đề xuất .................................. 50 2.3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng: ............................................................................ 59 CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP META HEURISTIC CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ................................................................ 62 3.1 Phương pháp sử dụng thuật toán mô phỏng luyện kim (SA) cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ............................................................................................ 62 3. 1.1Giới thiệu thuật toán mô phỏng luyện kim ...................................................... 62 3.1.2 Đề xuất cải tiến thuật toán SA cho bài toán tái cấu trúc lưới điện ................... 68 3. 2 Kiểm tra và đánh giá kết quả trên lưới mẫu IEEE ............................................. 76 CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN DI TRUYỀN CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN QUY HOẠCH NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN .............................................................................................................. 84 4.1 Áp dụng thuật toán di truyền cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ....... 84 4.1.1 Giới thiệu thuật toán di truyền ......................................................................... 84 4.1.2 Một số tính chất của thuật toán di truyền ......................................................... 85 4.1.3 Một số nghiên cứu liên quan ............................................................................ 85 4.2 Phương pháp đề xuất ........................................................................................... 87 4.2.1 Mô tả bài toán và hàm mục tiêu ....................................................................... 87 4.2.2 Đề xuất phương pháp sử dụng thuật toán GA cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ........................................................................................................... 90 4.3 Kiểm tra và đánh giá kết quả trên lưới mẫu IEEE .............................................. 99 4.4 Kết luận chương ................................................................................................ 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................... 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO vii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị tính Ý nghĩa P,Q kW, KvAr Công suất trung bình tại nút P",Q" kW, kVAr Công suất trung bình cần chuyển tải Pi kW Công suất tác dụng trên nhánh i Qi kVAr Công suất phản kháng trên nhánh i Vi kV Điện áp tại nút i C(x) Hàm năng lượng của thuật toán SA Ili A, kA Dòng điện khi chưa kết nối DG IDG A, kA Dòng khi DG hoạt động; PDgi kW Công suất của nguồn điện phân tán R(i,i+1) Ω Điện trở dây giữa nút i và nút i+1 ΔPi: kW Tổn thất công suất tác dụng trên nhánh thứ i Ploss kW Tổn thất công suất tác dụng của hệ thống; PDGjmax kW Công suất phát lớn nhất của nguồn điện phân tán thứ j RMNLoop Ω Tổng điện trở các nhánh trong vòng kín MN Simax kVA Khả năng mang tải của nhánh thứ i PL kW Hàm tổn thất công suất tác dụng IPi, IQi A, kA Dòng thành phần của nhánh thứ i trong lưới có n nhánh IPlDG , IQlDG A, kA Các thành phần dòng điện của DG thứ l trong lưới tf  0,1 1 nếu đường dây ft làm việc, 0 nếu đường dây ft không làm việc n Số nút tải có trên lưới. Cij Hệ số trọng lượng của tổn thất trên nhánh ij Lij Tổn thất của nhánh nối từ nút i đến nút j Sij Dòng công suất trên nhánh ij Dj Nhu cầu công suất điện tại nút j DVij Sụt áp trên nhánh ij viii tf S Dòng công suất trên đường dây ft ft Các đường dây được cung cấp điện từ máy biến áp t Hằng số thích nghi, Ti Nhiệt độ tại lần tính thứ i. C(x) Hàm năng lượng của thuật toán SA GA Thuật toán di truyền SA Thuật toán mô phỏng luyện kim DG Nguồn điện phân tán IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phạm vi ứng dụng của bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối ............... 6 Bảng 2.1 Nhánh trên sơ đồ 32 ................................................................................... 35 Bảng 2.3 Thông số lưới điện và tụ bù ...................................................................... 48 Bảng 2.4 Kết quả cấu trúc lưới điện ........................................................................ 48 Bảng 2.5 Quá trình phân bố phụ tải giai đoạn 1 lưới điện 16 nút không có DG ...... 52 Bảng 2.6 Quá trình phân bố phụ tải giai đoạn 1 của lưới điện 16 nút có 2 DG ........ 53 Bảng 2.7 Quá trình phân bố phụ tải giai đoạn 1 lưới điện 16 nút có DG nút 9 ....... 55 Bảng 2.8 Quá trình phân bố phụ tải giai đoạn 1 lưới điện 16 nút có DG nút 13 ...... 56 Bảng 2.9 Kết quả tổng kết khảo sát trên lưới điện phân phối 16 nút ........................ 56 Bảng 2.10 Thông số các DG [11].............................................................................. 57 Bảng 2.11 Bảng so sánh trước và sau khi tái cấu trúc lưới điện 33 nút .................... 57 Bảng 2.12 Bảng so sánh trước và sau khi tái cấu trúc lưới điện 69 nút .................... 59 Bảng 3.1 So sánh quá trình vật lý và bài toán tối ưu ................................................ 64 Bảng 3.2 So sánh thuật toán SA với các thuật toán khác .......................................... 78 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp so sánh phương pháp đề xuất với phương pháp khác ....... 80 Bảng 3.4 Thông số các DG [11]................................................................................ 81 Bảng 3.5 So sánh thuật toán SA với PSO và PSS/ADEPT trên lưới 33 nút ............. 82 Bảng 4.1 Kết quả thực hiện bằng hai phương pháp trên hệ thống 16 nút ............... 101 Bảng 4.2 Kết quả thực hiện trên hệ thống 16 nút.................................................... 101 Bảng 4.3 Kết quả thực hiện trên mạng 33 nút bằng phương pháp 1 ....................... 106 Bảng 4.4 Kết quả thực hiện hai giai đoạn trên hệ thống 33 nút .............................. 107 Bảng 4.5 So sánh kết quả thực hiện với cấu trúc ban đầu ...................................... 109 Bảng 4.6 So sánh kết quả thực hiện với một số phương pháp ................................ 110 Bảng 4.7 Kết quả thực hiện hai giai đoạn trên lưới điện phân phối 69 nút ............ 112 Bảng 4.8 So sánh kết quả thực hiện với các phương pháp trên LĐPP 69 nút ........ 113 x DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Vị trí vai trò của lưới điện phân phối ........................................................... 2 Hình 1.2 Mô hình lưới điện phân phối [11] ................................................................ 3 Hình 1.3 Sơ đồ điều khiển online bài toán tái cấu trúc lưới điện ... 4 Hình 1.4 Phân loại bài toán tái cấu trúc theo phương pháp nghiên cứu ..................... 6 Hình 1.5 Lưu đồ thuật toán của Chen và Cho [9] ...................................................... 8 Hình 1.6 Lưu đồ thuật toán của Rubin Taleski và Dragoslav [90] ............................ 9 Hình 1.7 Sơ đồ đánh giá lưới điện phân phối của R.E.Lee và C.L.Brooks ............... 6 Hình 1.8 Thuật toán của Merlin và Back được Shirmohammadi [80] cải tiến ........... 8 Hình 1.9 Sơ đồ thuật toán của Civanlar và các cộng sự [17]. ................................... 22 Hình 1.10 Mô phỏng thuật toán đàn kiến (ACS). ..................................................... 27 Hình 1.11 Sơ đồ chung của phương pháp bầy đàn (PSO). ....................................... 29 Hình 2.1 Lưới điện phân phối tổng quát ................................................................... 33 Hình 2.2 Lưới điện 32 nút 37 nhánh của nút Baran [11] ......................................... 35 Hình 2.3 Thành phần của dòng điện vận hành hở có tụ bù và máy phát phân tán ... 36 Hình 2.4 Mạch vòng lưới điện phân phối ................................................................. 36 Hình 2.5 Quá trình chuyển mạch đóng/cắt phân bố phụ tải ...................................... 36 Hình 2.6. Lưới điện phân phối gồm máy phát và tụ bù ............................................ 39 Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán tái cấu trúc lưới điện có DG và tụ bù tìm P bé nhất ..... 46 Hình 2.8 Sơ đồ lưới điện đơn giản xét ảnh hưởng tụ bù ........................................... 48 Hình 2.9 Sơ đồ lưới điện phân phối 3 nguồn ............................................................ 49 Hình 2.10 Sơ đồ lưới điện 16 nút – IEEE ................................................................. 51 Hình 2.11 Sơ đồ mạng 1 nguồn 33 nút có 4 DG [11] ............................................... 57 Hình 2.12 Sơ đồ lưới điện phân phối 69 nút IEEE ................................................... 58 Hình 3.1 Mô hình không gian của thuật toán SA ...................................................... 63 Hình 3.2 Lưới điện IEEE gồm 3 nguồn.(a,b là sơ đồ trước, sau khi tái cấu trúc) .... 70 Hình 3.3 Sơ đồ thuật toán SA cho bài toán tái cấu trúc lưới điện............................. 73 Hình 3.4 Sơ đồ lưới điện có kết nối nguồn phân tán ................................................ 74 Hình 3.5 Sơ đồ thuật toán SA cho bài toán tái cấu trúc lưới điện có xét DG ........... 76 Hình 3.6 Lưới điện mẫu 33 nút IEEE - Baran & Wu ............................................... 77 xi Hình 3.7 Cấu hình sau khi tái cấu trúc lưới điện Baran - Wu ................................... 77 Hình 3.8 Đặc tính hội tụ của thật toán .................................................................... 78 Hình 3.9 Đồ thị điện áp của các nút .......................................................................... 78 Hình 3.10 Sơ đồ lưới điện 16 nút – IEEE ................................................................. 79 Hình 3.11 Quá trình hội tụ thuật toán SA ......................................................... 79 Hình 3.12 Đồ thị điện áp của các nút ........................................................................ 79 Hình 3.13 Sơ đồ 1 nguồn 33 nút có 4 DG [10] ......................................................... 81 Hình 3.14 Quá trình hội tụ của lưới điện 33 nút không có các DG .......................... 81 Hình 3.15 Quá trình hội tụ của lưới điện 33 nút có các DG ..................................... 81 Hình 4.1 Cơ chế ghép chéo của thuật toán GA ......................................................... 91 Hình 4.2 Cơ chế đột biến trong thuật toán GA ......................................................... 92 Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán của thuật toán GA để thực hiện .................................... 93 Hình 4.4 Lưới điện phân phối kín và hở ................................................................... 94 Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán GA với 2 giai đoạn ....................................................... 98 Hình 4.6 Lưới điện 3 nguồn ...................................................................................... 99 Hình 4.7 Điện áp trước và sau khi thực hiện tối ưu ................................................ 102 Hình 4.8 Đặc tính hội tụ của thuật toán di truyền ................................................... 102 Hình 4.9 Lưới điện 33 nút của IEEE ....................................................................... 103 Hình 4.10 Vị trí DG, cấu trúc lưới tối ưu giảm tổn thất công suất phương pháp 1 105 Hình 4.11 Điện áp các nút trước và sau khi thực hiện phương pháp 1 ................... 105 Hình 4.12 Tổn thất công suất trên các nhánh của phương pháp 1 .......................... 105 Hình 4.13 Đặc tính hội tụ của thuật toán theo phương pháp 1 ............................... 106 Hình 4.14 Đặc tính hội tụ của thuật toán di truyền giai đoạn 1 - phương pháp 2 ... 107 Hình 4.15 Đặc tính hội tụ của thuật toán di truyền giai đoạn 2 - phương pháp 2 ... 108 Hình 4.16 Điện áp các nút trong hai giai đoạn tính toán bằng phương pháp 2 ...... 108 Hình 4.17 Điện áp trước và sau khi tối ưu lưới điện bằng phương pháp 2 ............. 108 Hình 4.18 Cấu trúc lưới tối ưu bằng phương pháp 2 .............................................. 109 Hình 4.19 Sơ đồ lưới điện phân phối 69 nút IEEE ................................................. 111 Hình 4.20 Đặc tính hội tụ của GA trong giai đoạn – I trên lưới điện 69 nút ......... 113 Hình 4.21 Đặc tính hội tụ của GA trong giai đoạn – II trên lưới điện 69 nút ......... 113 xii MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Lưới điện phân phối là thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện từ nơi sản xuất điện năng đến các hộ tiêu thụ điện, được trải rộng trên toàn bộ lãnh thổ của các quốc gia. Lưới điện phân phối có thể được thiết kế có cấu trúc mạch vòng hoặc cấu trúc hình tia, tuy nhiên vì lý do kỹ thuật và điều kiện vận hành nên nó được vận hành theo cấu trúc hình tia. Theo thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam thì tổng tổn thất điện năng những năm gần đây khoảng từ 9-15% sản lượng điện sản xuất, trong đó lưới điện phân phối chiếm 5-7%. Do đó việc nghiên cứu các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối là một nhu cầu cần thiết, mang lại nhiều lợi ích kinh tế. Hệ thống lưới điện phân phối là một hệ thống lớn có đặc điểm trải rộng trên toàn bộ lãnh thổ quốc gia, gồm nhiều phần tử, nhiều thông số, do đó các bài toán tính toán và phân tích cho lưới điện phân phối có số lượng nghiệm lớn, yêu cầu độ chính xác và thời gian tính toán xử lý nhanh nên cần phải có các phương pháp hiện đại để giúp giải quyết các bài toán này một cách hiệu quả. Bài toán giảm tổn thất cống suất trên lưới điện phân phối là một bài toán được nghiên cứu nhiều và mang lại giá trị kinh tế trong sản xuất và vận hành hệ thống điện. Về mặt lý thuyết, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối như: nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối, thay đổi tiết diện dây dẫn, hoặc giảm truyền tải công suất phản kháng trên lưới điện bằng cách lắp đặt tụ bù. Trong các biện pháp nêu trên tính khả thi thực hiện là rất cao, tuy nhiên gặp phải vấn đề về vốn đầu tư, chi phí lắp đặt và thời gian sửa chữa sẽ ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện. Một phương pháp mà được nghiên cứu nhiều đó là phương pháp tái cấu trúc lưới điện. Ngày nay khi các giải pháp về tự động hóa, công nghệ thông tin được triển khai mạnh mẽ thì một trong những giải pháp được nghiên cứu gần đây đó là phương pháp tái cấu trúc lưới điện. Phương pháp tái cấu trúc lư