BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------o0o--------

NGUYỄN TÙNG LINH

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT PHÁP MỚI CHO BÀI TOÁN TÁI
CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

Hà Nội 3/2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------o0o--------

NGUYỄN TÙNG LINH

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT PHÁP MỚI CHO BÀI TOÁN TÁI
CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. ĐINH QUANG HUY

Nội dung

Trang

Danh mục các từ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các bản vẽ
Mục lục
CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI, BÀI TOÁN
TÁI CẤU TRÚC..........................................................................................
1.1

Giới thiệu tổng quan về lưới điện phân phối.................................................

6
6

1.1.1

Giới thiệu về lưới điện phân phối..................................................................

7

1.1.2

Đặc điểm và yêu cầu của lưới điện phân phối..............................................

7

1.1.3

2.1.2

Các giả thiết trong bài trong bài toán tái cấu trúc..........................................

18

2.1.3

Các mục tiêu khi xét đến bài toán tái cấu trúc lưới điện...........................

20

2.2

Một số phương pháp nghiên cứu bài toán tái cấu trúc lưới điện...................

23

2.2.1

Tổng hợp các phương pháp cơ bản................... ............................................

23

2.2.1.1

Giải thuật của Merlin và Back, kỹ thuật vòng kín.........................................

23


Phương pháp tái cấu trúc lưới điện sử dụng giải thuật Ant colony system
(ACS).............................................................................................................

2.2.2.3

2.3

30

Phương pháp tái cấu trúc lưới điện sử dụng giải thuật Particle Swarm
Optimization (PSO).......................................................................................

33

Kết luận và nhận xét.....................................................................................

35

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN ARTIFICIAL BEE

37

CONOLY (ABC), ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC
LƯỚI ĐIỆN..................................................................................................
3.1

Thuật toán Artificial Bee Colony (ABC).......................................................

37


lưới điện........................................................................................................
3.2.1

Hàm mục tiêu của bài toán tái cấu trúc.........................................................

61

3.2.2

Sơ đồ thuật toán của bài tái cấu trúc lưới điện phân phối..............................

62

CHƯƠNG 4: KIỂM TRA THUẬT TOÁN TRÊN LƯỚI ĐIỆN MẪU

66

IEEE VÀ TRÊN LƯỚI THỰC TẾ............................................................
4.1

Kiểm tra thuật toán trên sơ đồ lưới điện chuẩn của IEEE.............................

67

4.1.1

Các bước thực hiện........................................................................................

67



nhánh của công ty điện lực Đống Đa ……………………..………………..
4.3

Nhận xét và kết luận........…………………………………………………..

88

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................

89

PHỤ LỤC 1: CODE CHÍNH CHƯƠNG TRÌNH
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC NHỮNG TỪ NGỮ VIẾT TẮT

ABC

Artificial Bee Colony

ACS

Giải thuật Ant colony system

ACO

Giải thuật Ant Colony Optimization


Giải thuật di truyền

HTĐ

Hệ thống điện

HA

Mạng hạ áp

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

PSO

Giải thuật Particle Swarm Optimization

MBA

Máy biến áp

MNC

Maximum Interation Count

TA

Mạng trung áp


Bảng 4.2: kết quả các bước tính tái cấu trúc lưới điện của thuật toán ABC

82

4

Bảng 4.3 Bảng so sánh kết quả bé nhất tìm được từ các thuật toán

82

5

Bảng 4.4 Các thông số của mạng điện Civanlar hai nguồn

83

6

Bảng 4.5 Kết quả các bước thực hiện tái cấu trúc theo thuật toán ABC

84

7

Bảng 4.6 Bảng so sánh kết quả bé nhất tìm được từ các thuật toán

84

8


Hình 2.3. Sơ đồ bảo vệ lưới điện phân phối trung áp mạch vòng vận hành hở

22

4

Hình 2.4. Sơ đồ bảo vệ lưới điện phân phối trung áp hình tia

23

5

Hình 2.5 Giải thuật của Merlin và Back.

24

6

Hình 2.6 Sơ đồ giải thuật Civanlar và các cộng sự

26

7

Hình 2.7. Giải thuật Ant colony system (ACS)

31

8


Hình 3.4 Sơ đồ hoạt động của thuật toán ABC

57

14

Hình 3.5: Sơ đồ nối giữa nút i và i+1

61

15

Hình 3.6: Xét sơ đồ đơn giản

61

16

Hình 3.7. Sơ đồ giải thuật thuật toán ABC áp dụng cho bài toán tái cấu trúc

64

lưới điện
17

Hình 3.8 Giao diện chính của chương trình

66

18

trên sơ đồ

73

24

Hình 4.6 Hộp thoại thuộc tính nút tải và mô hình nút tải trên sơ đồ

74

25

Hình 4.7 Hộp thoại thuộc tính nút tải và mô hình nút tải trên sơ đồ

74

26

Hình 4.8 Hộp thoại thuộc tính tụ bù và mô hình tụ bù trên sơ đồ

75

27

Hình 4.9 Hộp thoại thuộc tính máy biến áp và mô hình máy biến áp trên sơ đồ

75

Hình 4.10 Bảng dữ liệu về nút nguồn của mô hình


phân bố công suất

79

34

Hình 4.16: Sơ đồ 1 sợi lưới phân phối 16 nút

80

35

Hình 4.17. Nhập dữ liệu trong phần mềm PSS/ADEPT

80

36

Hình 4.18 Mạng điện Civanlar hai nguồn trước khi tái cấu trúc

82

37

Hình 4.19 Sơ đồ tính toán cho lưới điện thực tế của điện lực Đống Đa

90

78


chất lượng vận hành của lưới điện phân phối. Trong những năm gần đây, lưới điện
phân phối của nước ta phát triển mạnh, các Công ty Điện lực cũng được phân cấp
mạnh về quản lý. Chất lượng vận hành của lưới phân phối được câng cao rõ rệt, tỷ lệ
tổn thất điện năng giảm mạnh. Tỷ lệ tổn thất trên lưới phân phối từ mức cao nhất tại

1


Công ty Điện lực 2 năm 2004 bằng 12% đến năm 2006 chỉ còn 9,4%. Tỷ lệ tổn thất
của Công ty Điện lực Đồng Nai suốt 5 năm qua ở mức 4% đến 5% gần ở mức thấp
nhất. Mặc dù tỷ lệ tổn thất trên lưới điện phân phối đã giảm đáng kể trong thời gian
qua, nhưng mức giảm tổn thất này vẫn còn rất khiêm tốn. Chính phủ có quyết định yêu
cầu EVN giảm mức tổn thất trên toàn lưới điện (bao gồm cả lưới truyền tải) xuống
mức 11% vào năm 2006 và 9% vào năm 2010. Như vậy vẫn còn nhiều biện pháp đồng
bộ cần thực hiện để đạt được mục tiêu giảm tổn thất trên lưới điện
Để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện có thể thực hiện bằng các biện pháp cụ
thể: thay thế các thiết bị cũ bằng các thiết bị tin cậy hơn, có đường dây dự phòng, có
nguồn thay thế như máy phát ... Các biện pháp này tuy đảm bảo độ tin cậy cung cấp
điện cao nhưng yêu cầu vốn đầu tư lớn, chỉ thích hợp áp dụng cho các phụ tải quan
trọng không được phép mất điện. Trong thực tế để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện,
lưới phân phối thường sử dụng cấu trúc mạch vòng nhưng vận hở. Điểm mở của mạch
vòng được tính toán và lựa chọn sao cho tổn thất công suất và tổn thất điện áp trên lưới
là nhỏ nhất. Do đó không những nâng cao được độ tin cậy cung cấp điện mà chất
lượng điện năng cung cấp cho khách hàng cũng được đảm bảo là tốt nhất.
Tương tự như vậy, việc nâng cao chất lượng điện năng cũng có thể thực hiện
bằng nhiều biện pháp hiệu quả nhưng yêu cầu vốn đầu tư lớn: nâng cao điện áp vận
hành của lưới điện, tăng tiết diện dây dẫn, bù kinh tế trên lưới điện, cải thiện cấu trúc
và vật liệu để sản xuất các thiết bị điện có tổn thất nhỏ ...
Trong mạng phân phối điện, tải trên mạng phân phối điện ngày càng tăng nhưng
sự gia tăng tải phải nằm trong giới hạn cho phép, trong khi đó cấu trúc của mạng lại

- Nghiên cứu tổng quan về lưới điện phân phối.
- Nghiên cứu mô hình bài toán tái cấu trúc lưới theo mục tiêu tổn thất công
suất nhỏ nhất có xét đến các ràng buộc về chất lượng điện áp. Tóm tắt giới
thiệu một vài phương pháp cơ bản cho bài toán tái cấu tìm điểm mở tối ưu hoá
phương thức vận hành lưới điện phân phối, nhằm giảm tổn thất công suất,
đảm bảo điện áp trong giới hạn cho phép, nâng cao chất lượng điện năng
cung cấp cho khách hàng.
- Tìm hiểu một số phương pháp áp dụng trí tuệ nhân tạo trong bài toán tái cấu
trúc lưới điện.
- Đề xuất phương pháp mới cho bài toán tái cấu trúc lưới điện, áp dụng thuật
toán đàn ong –Artificial Bee Colony (ABC).
- Kiểm tra độ chính xác của thuật toán trên một số lưới điện mẫu của IEEE.
III.

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu vấn đề lựa chọn điểm mở tối ưu hoá tìm phương thức vận hành lưới
điện phân phối theo hàm mục tiêu tổng thất công suất trên lưới phân phối là nhỏ nhất

3


và đảm bảo chất lượng điện năng (tái cấu trúc lưới điện). Trình bày bài toán tái cấu
trúc và giới thiệu một số phương pháp cơ bản cho bài toán tái cấu trúc lưới điện.
Tìm hiểu thuật toán Artificial Bee Colony (ABC), và áp dụng cho bài toán tái cấu
trúc lưới điện phân phối, dựa trên nguyên tắc hệ thống mạch vòng và yêu cầu vận
hành hình tia, nhằm mục đích giảm tổn thất công suất, đảm bảo điện áp, nâng cao
chất lượng điện năng của hệ thống điện.
IV.


lưới. Đây là nội dung rất thiết thực và phù hợp với điều kiện thực tại đa dạng của lưới
điện phân phối Việt Nam.
VI.

Bố cục luận văn: Luận văn được trình bày trong 5 chương:

Chương 1: Đặc điểm lưới điện phân phối, bài toán tái cấu trúc lưới điện
Chương 2: Bài toán tái cấu trúc lưới điện, tìm hiều một vài phương pháp xác định
tái cấu trúc lưới điện phân phối.

4


Chương 3: Giới thiệu thuật toán ABC, áp dụng cho bài toán tái cấu trúc lưới điện
phân phối.
Chương 4: Kiểm tra trên bài toán mẫu IEEE và áp dụng thực tế.
Chương 5: Kết luận và định hướng nghiên cứu.

5


CHƯƠNG 1
ĐẶC ĐIỂM LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI,
VÀ BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN
1.1 Giới thiệu tổng quan về lưới điện phân phối.
1.1.1 Giới thiệu về lưới điện phân phối
Hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây
truyền tải và phân phối điện được nối với nhau thành hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất,
truyền tải và phân phối điện năng.
Hệ thống lưới điện phân phối: Điện năng được tải từ phía thứ cấp trạm biến áp

Một số đặc điểm chính của lưới điện phân phối:
-

Mạng điện phân phối cung cấp trực tiếp đến các hộ tiêu thụ điện, do đó so với
mạng điện truyền tải thì mạng điện phân phối được trải rộng trên toàn bộ phạm
vị, số lượng các thiết bị, đường dây cũng nhiều hơn so với lưới truyền tải rất
nhiều.

-

Phương án vận hành của lưới điện phân phối thường được thay đổi thường
xuyên khi có yêu cầu để đảm bảo cho phụ tải luôn được cấp điện. Do đó trên
lưới điện phân phối thường có nhiều các thiết bị đóng cắt hơn so với lưới tuyền
tải.

-

Đặc điểm quan trọng của mạng điện phân phối đó là có cấu trúc hình tia, mạnh
vòng kín nhưng thường vận hành hở.

-

Lý do lưới điện phân phối luôn được vận hành hở:

Việc lưới điện phân phối phải vận hành hở lưới phân phối xuất phát từ những đặc
trưng của lưới phân phối:
-

Số lượng phần tử như: lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù, phụ tải của lưới phân phối
nhiều hơn lưới truyền tải từ 5-7 lần nhưng mức đầu tư chỉ hơn từ 2-2.5 lần. .


-

Khi sự cố, do vận hành hở, nên sự cố không lan tràn qua các phụ tải khác.

-

Do được vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây dễ dàng
hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố.

-

Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới phân phối, thì phương án kinh tế là các
lưới hình tia.

Từ các đặc trưng của lưới điện và yêu cầu kỹ thuật trong lưới phân phối, do đó lưới
điện phân phối được thiết kế kín nhưng vận hành hở.
b . Các yêu cầu đối với lưới điện phân phối.
-

Mạng điện phân phối cung cấp điện năng trực tiếp cho khách hàng sử dụng, do
đó chất lượng điện áp là yêu cầu quan trọng cần được đảm bảo. Điện áp của
lưới phân phối phải nằm trong giới hạn cho phép. Độ biến thiên điện áp cho
phép là  5% Uđm

-

Các thiết bị như máy biến áp, đường dây, cầu chì...phải được đảm bảo không bị
quá tải.


điện trung áp được phân đoạn bằng DAS có các ưu điểm nổi trội hơn so với các hệ
thống lưới điện phân phối trung áp sử dụng các thiết bị phân đoạn nêu trên nhờ khả
năng tự động hóa, giám sát và điều khiển xa.
DAS cung cấp chức năng điều khiển và giám sát từ xa các dao cách ly phân
đoạn tự động, phối hợp giữa các điểm phân đoạn trên lưới điện phân phối trung áp,
nhờ đó nhanh chóng cô lập được phân đoạn sự cố, khôi phục việc cung cấp điện năng
cho các phần còn lại của hệ thống không bị sự cố.
Lưới phân phối trung áp sử dung hệ thống DAS có thời gian cách ly sự cố và
khôi phục cung cấp điện cho các phân đoạn không bị sự cố rất nhỏ do đó độ tin cậy
của lưới điện phân phối trung áp phân đoạn bằng DAS rất cao.
Thực tế, do chi phí đầu tư khá cao cùng với hiện trạng của lưới điện phân phối
trung áp ở Việt Nam thường có tình trạng chắp vá, thiếu đồng bộ nên việc khai triển hệ
thống DAS vẫn trong giai đoạn nghiên cứu khả thi. Tuy nhiên, với sự phát triển của
công nghệ và yêu cầu về độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng của các phụ
tải ngày càng cao thì xu hướng lắp đặt hệ thống DAS là tất yếu.
b. Recloser (Máy cắt tự động đóng lại).
Trên lưới điện phân phối phân đoạn bằng Recloser, khi xảy ra sự cố trên phân
đoạn nào thì Recloser ở phân đoạn đó sẽ tác động cắt phân đoạn đó ra. Sau một thời gian
xác định Recloser tự động đóng trở lại. Nếu là sự cố thoáng qua phân đoạn sự cố được
khôi phục cấp điện trở lại. Nếu là sự cố vĩnh cửu Recloser lại cắt và tách phân đoạn sự
cố ra khỏi lưới điện. Việc cung cấp điện được tiếp tục từ đầu nguồn đến phân đoạn nằm
trước phân đoạn sự cố.

9


Đối với đường dây trên không tỷ lệ sự cố thoáng qua rất cao như: phóng điện
chuỗi sứ khi quá điện áp, dây dẫn chạm nhau khi đung đưa do gió to, đường dây và
thanh góp bị ngắn mạch bởi những vật khác nhau v.v.... Vì vậy sử dụng Recloser có
xác suất thành công cao, sử dụng hiệu quả với lưới phân phối trung áp trên không.

cấp điện cho phụ tải bị ngừng. Việc xác định điểm sự cố được thực hiện từ cuối đường
dây ngược trở về đầu đường dây. Trong khoảng thời gian không điện DCL ở phân
đoạn cuối cùng của đường dây sẽ được cắt ra, việc thao tác này được thực hiện tại chỗ
bằng tay. Sau đó máy cắt đầu đường dây được đóng trở lại, nếu sự cố nằm ở phân đoạn
cuối đường dây thì máy cắt sẽ không cắt ra nữa vì sự cố đã được loại trừ và các phân
đoạn còn lại được khôi phục cung cấp điện. Nếu sự cố không nằm ở phân đoạn này thì
ta lại tiếp tục chu trình loại trừ sự cố bằng việc tiếp tục tách phân đoạn (n-1) ra khỏi
đường dây, quá trình này được thực hiện cho tới khi tìm được phân đoạn sự cố k. Máy
cắt đầu đường dây đóng lại để cung cấp điện cho các phân đoạn còn lại.
Lưới điện phân phối nước ta hiện nay ngoài một số khu vực nội thành của các
thành phố lớn như Hà Nội, Hải Phòng, Thành phố Hồ Chí Minh có mật độ phụ tải cao
và có hệ thống lưới phân phối trung áp ngầm. Những khu vực ngoại thành và các tỉnh
thành phố khác có đặc điểm mật độ phụ tải không cao, địa bàn cung cấp điện trải dài
trên một vùng rộng lớn với hệ thống đường dây điện phân phối trung áp trên không
vẫn chiếm phần lớn. Với những lưới phân phối trên không cấp điện cho một địa bàn
rộng, mật độ phụ tải không cao thì DCL vẫn được sử dụng. Do nhược điểm là đóng cắt
không tải, không điều khiển từ xa được nên khi thao tác phải cắt điện đầu nguồn và
phải thao tác DCL tại chỗ. Do đó, thời gian thao tác lâu, đặc biệt khi xảy ra sự cố trên
đường dây, nếu không phát hiện được bằng mắt thường phải đóng, cắt thử từng DCL
để phân đoạn cách ly điểm sự cố sẽ mất rất nhiều thời gian. Đồng thời, do phải đóng,
cắt máy cắt nhiều lần sẽ làm giảm tuổi thọ của máy cắt và giảm độ ổn định cung cấp
điện. Tuy nhiên, vì các lý do kinh tế, tính chất, yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện của
các hộ phụ tải thì DCL vẫn được sử dụng trên lưới, đặc biệt là các vùng ngoại thành,
nông thôn.
e.Cầu dao phụ tải (CDPT).
Cầu dao phụ tải (CDPT) là thiết bị đóng và cắt được dòng điện phụ tải của lưới
điện phân phối phù hợp với dòng định mức của nhà chế tạo. Do khả năng đóng, cắt có
tải nên khi thao tác không cần phải cắt điện, tránh hiện tượng mất điện không cần thiết
của các phụ tải khi đổi nguồn, san tải v.v...


này có các nguyên nhân chủ yếu như sau:
 Đường dây phân phối quá dài, bán kính cấp điện lớn

12


 Tiết diện dây dẫn quá nhỏ, đường dây bị xuống cấp, không được cải tạo
nâng cấp
 Máy biến áp phân phối thường xuyên mang tải nặng hoặc quá tải
 Máy biến áp là loại có tỷ lệ tổn thất cao hoặc vật liệu lõi từ không tốt dẫn
đến sau một thời gian tổn thất tăng lên
 Vận hành không đối xứng liên tục dẫn đến tăng tổn thất trên máy biến áp


Nhiều thành phần sóng hài của các phụ tải công nghiệp tác động vào các
cuộn dây máy biến áp làm tăng tổn thất.

 Vận hành với hệ số cosφ thấp do thiếu công suất phản kháng
Tổn thất thương mại: Tổn tổn thất thương mại: là tổn thất trong khâu kinh
doanh điện năng, bao gồm:
 Trộm điện (câu, móc trộm).
 Không thanh toán hoặc chậm thanh toán hóa đơn tiền điện.


Sai sót tính toán tổn thất kỹ thuật.

 Sai sót thống kê phân loại và tính hóa đơn khách hàng.
Tổn thất phi kỹ thuật phụ thuộc vào cơ chế quản lý, quy trình quản lý hành
chính, hệ thống công tơ đo đếm và ý thức của người sử dụng. Tổn thất phi kỹ thuật
cũng một phần chịu ảnh hưởng của năng lực và công cụ quản lý của bản thân các Điện

hơn vốn đầu tư ban đầu. Vì vậy trước khi thực hiện các biện pháp này phải làm luận
chứng kinh tế – kỹ thuật cẩn thận, bảo đảm chắc chắn là có lợi thì mới thực hiện. Biện
pháp giảm tổn thất 7-8 tuy không đòi hỏi vốn đầu tư, nhưng việc xác định và phân tích
các phương án vận hành tìm ra phương án tối ưu rất khó khăn. Biện pháp tái cấu trúc
lưới điện thông qua việc chuyển tải bằng cách đóng/mở các cặp thiết bị chuyển mạch
không những không đòi hỏi vốn đầu tư mà còn giúp giảm tổn thất điện năng đáng kể
khi cân bằng tải giữa các tuyến được thiết lập. Không chỉ vậy, tái cấu trúc lưới điện
phân phối còn có thể nâng cao khả năng tải của lưới điện, giảm sụt áp cuối lưới và
giảm số khách hàng bị mất điện khi sự cố. Tái cấu trúc lưới điện có vị trí rất quan
trọng trong quản lý, vận hành lưới điện. Bài toán tái cấu trúc được nghiên cứu với
nhiều hàm mục tiêu khác nhau, như hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất, hàm mục
tiêu đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, đảm bảo dòng ngắn mạch…vv. Hiện nay bài Bài toán
tái cấu trúc lưới điện theo hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất đang được nhiều
người tập trung nghiên cứu, tìm ra các phương pháp giải quyết khác nhau cho bài toán
tái cấu trúc. Và phương pháp nghiên cứu cũng được chia làm nhiều hướng khác nhau,

14


như các phương pháp cổ điển, sử dụng giải tích, kết hợp với các công thức kinh
nghiệm, hay các phương pháp áp dụng trí tuệ nhân tạo, các lí thuyết về thuật toán để
giải. Trong chương hai tác giả trình bày tóm tắt lại các phương pháp cơ bản và phương
pháp áp dụng trí tuệ nhân tạo, thông qua việc tìm hiểu các bài báo, tài liệu đã được
công bố.

15