1

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, trong quá trình tái cơ cấu ngành điện, đang từng bước chuyển
sang thị trường tự do cạnh tranh mua bán điện. Trên phương diện đó, các nhà sản
xuất điện luôn hoạch định cho mình một chiến lược về phương thức giá cả miên yết
lên thị trường, tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà đầu tư và thích hợp với hộ tiêu
thụ điện. Như đã biết, giá điện được hình thành từ các chi phí sản suất, truyền tải và
dịch vụ. Trong bài toán truyền tải, các nhà sản xuất cần đưa ra phương án tối ưu
nhất cho bài toán truyền tải hay được gọi là tối ưu phân bố công suất (OPF). Từ
nhiều ràng buộc về công suất phát, giới hạn truyền tải và nhu cầu phụ tải, tổn thất
đường truyền. Tất cả các yếu tố đó được xem xét trên hai trường hợp cơ sở và ràng
buộc anh ninh truyền tải hay chính là độ tin cậy hệ thống.
Thông thường, trong bài toán phân bố công suất, các biến điều khiển, các
hàm mục tiêu dường như đã biết trước. Trong một OPF, các giá trị của một số biến
hoặc tất cả cần phải được biết để giảm tối thiểu hoặc tăng tối đa một mục tiêu cần
phải được biết trước. Ví dụ: Trên cơ bản chúng ta luôn biết rằng nếu không có gì
xảy ra (sự cố máy phát, đường truyền, máy biến áp…thay đổi chi phí giá nhiên liệu,
chi phí dịch vụ…), thay đổi phụ tải tăng hoặc giảm bất thường thì mọi thứ dường
như được cho ra một đáp án chính xác như yêu cầu. Nhưng nếu ngược lại, bài toán
cần đặt ra cho tình huống này làm sao có thể dự báo được một cách nhanh nhất,
chính xác nhất, rủi ro ít nhất, chi phí thấp nhất để nhằm tăng cường sự linh hoạt và
đảm bảo độ tin cậy. Điều này, OPF trở thành công cụ đắc lực cho việc xác định
những tình huống rủi ro có thể xảy ra, giúp tăng cường hỗ trợ điểm suy yếu, nên
hoặc không nên loại bỏ những hợp đồng song phương không có lợi, hoặc cắt giảm
công suất truyền tải trên đường dây do ràng buộc giới hạn truyền tải, hoặc cắt giảm
công suất máy phát nào đó (có thể do liên quan đến phát sinh chi phí nhiên liệu) …
v.v. OPF có khả năng đáp ứng được nhiều yêu cầu từ an ninh hệ thống, công suất
phát, chi phí đầu tư đến dịch vụ thương mại điện. Chất lượng của các giải pháp phù
thuộc vào độ chính xác của mô hình sử dụng. Bản chất của OPF là xác định đúng
mục tiêu đề ra ban đầu.


3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Đặt vấn đề
Trong tình hình thế giới hiện nay đang phải đối mặt với nhiều vấn đề khó
khăn của xã hội nào là vấn đề thiếu lương thực, y tế, khủng hoảng năng lượng (đặt
biệt là năng lượng điện)… do sự gia tăng dân số quá nhanh, từ đó hệ thống điện
cũng liên tục được mở rộng. Như chúng ta biết năng lượng điện gần như không thể
dự trữ được do đó bài toán sử dụng năng lượng điện như thế nào tiết kiệm nhất và
hiệu quả nhất nhằm đảm bảo cung cấp điện tin cậy cho quá trình sản xuất của xã hội
đã trở thành vấn đề nóng bỏng mà các nhà khoa học đã, đang và sẽ tiếp tục nghiên
cứu để tìm ra phương pháp tối ưu nhất để giải quyết bài toán này.
Trong quá trình vận hành hệ thống điện, bài toán phân bố công suất tối ưu
(OPF) được thành lập để giám sát, đánh giá những biểu hiện của hệ thống dựa trên
những lập định cơ bản sẵn có. Trong hệ thống máy phát, truyền tải và phân phối
luôn luôn có những thời điểm hệ thống điện làm việc trên chế độ cơ bản hoặc bất
thường. Với vai trò là những người vận hành viên, chúng ta cần có những biện pháp
điều chỉnh thông số hệ thống điện thích hợp có thể làm thay đổi trào lưu công suất
và làm giảm quá tải cho một số đường dây hoặc ngăn ngừa, cảnh báo an ninh hệ
thống điện. Việc sử dụng hiệu quả và tối ưu các nguồn cung cấp là một vấn đề cấp
thiết các nhà nghiên cứu rất quan tâm.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Trong quá trình vận hành của một hệ thống điện, tầm quan trọng tương đối
cho các hoạt động kiểm soát phòng ngừa và khắc phục sẽ phụ thuộc vào các chính
sách lập kế hoạch, hoạt động của Công Ty Điện Lực, theo vốn và chi phí vận hành
cung cấp một cách an ninh, xác suất và hiệu quả của kế hoạch dự phòng mất điện.
Điều này nhằm đảm bảo tính an toàn, ổn định hệ thống nâng cao chất lượng truyền
tải phân phối điện trong tình hình phát triển ngành điện quốc gia hiện nay.


toán mà các phương pháp cổ điển và hiện tại chưa giải quyết triệt để được. Bài toán


5

phân bố tối ưu công suất có ràng buộc an ninh (SCOPF) là sự kết hợp hoàn hảo
trong việc giải quyết những vấn đề trái ngược như: tối đa lợi nhuận, vận hành an
toàn và tăng cường an ninh.
Bên cạnh đó, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học máy tính, nhiều
phương pháp tính toán tối ưu dựa trên trí tuệ nhân tạo hay mô phỏng các mô hình
tương tác xã hội cũng đang có nhiều thành tựu nổi bật. Đáng chú ý trong những
phương pháp đó, phương pháp tối ưu bầy đàn là thuật toán tối ưu đang được nghiên
cứu và cải tiến mạnh mẽ trong thời gian gần đây.
1.4. Phạm vi áp dụng của đề tài
Nghiên cứu phương pháp tối ưu bầy đàn dựa trên sự kết hợp của phương
pháp này và khái niệm gradient giả để giải quyết bài toán phân bố công suất có xét
đến điều kiện ràng buộc an ninh khi xảy ra sự cố hư hỏng thiết bị hoặc sữa chữa
đường dây tốn nhiều thời gian.
Áp dụng cho bài toán phân bố công suất tối ưu trong điều kiện hệ thống điện
là hệ thống 3 pha cân bằng và đang hoạt động ở chế độ xác lập. Các mô hình nhà
máy điện là những nhà máy nhiệt điện với hàm chi phí là dạng hàm bậc 2.
1.5. Giá trị thực tiễn của đề tài
Đề tài thực hiện nghiên cứu trong bối cảnh ngành điện Việt Nam đang phát
triển thị trường điện cạnh tranh. Do đó, hướng nghiên cứu này chỉ ra cho thấy
những quyền lợi cũng như những ràng buộc hình phạt đối nhà đầu tư cũng như nhà
cung cấp được dự báo trước về chi phí đầu tư, vận hành hệ thống khi có sự cố
đường truyền. Nó góp phần nâng cao ứng dụng giải quyết vấn đề tối ưu phân bố
công suất trong các tình huống, nâng cao khả năng dự trù giá nhiên liệu cơ bản, giá
bán thị trường điện…
1.6. Kết cấu của đề tài

điện.
OPF nhằm mục đích tối ưu hoá một mục tiêu nhất định, tùy thuộc vào mạng
lưới dòng chảy công suất, hệ thống điều hành và giới hạn thiết bị. Các điều kiện tối
ưu đạt được bằng cách điều chỉnh các biến điều khiển có sẵn của hàm mục tiêu
nhằm giảm thiểu tùy thuộc vào điều kiện vận hành và yêu cầu an ninh.
Một vài vấn đề phổ biến có thể được xác định như sau:
Công suất tiêu thụ:
-

Phát đi kinh tế: chi phí thấp nhất, tổn thất phát MW hoặc tổn thất đường
truyền.

-

Môi trường phát đi.

-

Công suất chuyển đổi tối đa.


8

Công suất kháng:
MW và MWAr tổn thất tối thiểu.
Mục tiêu chung:
-

Độ lệch tối thiểu từ một mục tiêu đặt ra.


sự cố
(2.3)

Và bất đẳng thức có ràng buộc cơ sở và sự cố


9

(2.4)

(2.5)
(2.6)
Trong đó, là tổng hàm chi phí, là mục tiêu vô hướng, là đẳng thức phi
tuyến ràng buộc (phương trình dòng chảy công suất), là bất đẳng thức phi tuyến
ràng buộc của véc tơ tham số (điều kiện vận hành hệ thống) và R = 1,…,N là số sự
cố cần tính toán.
Véc tơ x chứa biến trạng thái bao gồm:
-

Độ lớn điện áp thanh cái và góc pha.

-

MVAr của máy phát được chỉ định cho điều khiển điện áp tại thanh cái.

-

Các thông số cố định cũng như góc tham chiếu tại thanh cái.

-

Cài đặt điều khiển điện áp, đầu phân áp máy biến áp T.

Đẳng thức và bất đẳng thức ràng buộc:
-

Giới hạn trên và dưới tất cả các biến điều khiển.

-

Phương trình dòng chảy công suất.

-

Cân bằng công suất phát và phụ tải.

-

Giới hạn dòng chảy nhánh (MW, MVAr, MVA).


10

-

Giới hạn điện áp thanh cái.

-

Giới hạn dự trữ công suất tiêu thụ và kháng.



(2.15)


11

, l = 1,…,

(2.16)

, l = 1,…,

(2.17)

i, j là số nút của dường dây l
, i = 1,…,

(2.18)

, k = 1,…,

(2.19)

(2.20)
Bất đẳng thức 2.19 đại diện cho ràng buộc giới hạn phân áp đầu biến áp.
2.1.3. Hàm mục tiêu tổn thất công suất tối thiểu của OPF
Hàm mục tiêu tối thiểu được đưa ra bởi tổng tổn thất đường dây,
(2.21)
Tổn thất từng đường dây có thể được biểu diễn bởi điện áp và góc pha như
sau:

được biết để giảm tối thiểu hoặc tăng tối đa một mục tiêu cần phải được biết trước.
Tính toán OPF có được nhiều ứng dụng trong hệ thống điện, thời gian điều khiển
thực, kế hoạch ngắn hạn và kế hoạch hoạt động dài hạn. OPF được sử dụng nhiều
trong vấn đề quản lý năng lượng hiện đại.
OPF tiếp tục khẳng định sự phát triển lớn mạnh trong hệ thống và liên kết hệ
thống. Ví dụ, OPF trở nên là một công cụ thiết thực trong việc trợ giúp thông tin
quyết định loại bỏ một hợp đồng song phương không có lợi hoặc tăng cường hỗ trợ
trong trong việc đạt đến một thoả thuận yêu cầu tốt nhất. Nó làm sáng tỏ trong việc
tùy chọn khả năng kiểm soát và thiết lập công suất phát hoặc truyền tải đối với công
tác quyết định thay mới các thiết bị hệ thống. Vấn đề ưu tiên của quyền truyền tải
và giá Var hoặc tính toán các chi phí phụ để chấp nhận giá mua hoặc bán được thực
hiện bằng OPF.
Mục tiêu chính của OPF là giảm chi phí thoả mãn nhu cầu phụ tải của một hệ
thống trong khi vẫn duy trì được sự an toàn của hệ thống. Từ quan điểm của OPF,
việc duy trì an ninh hệ thống đòi hỏi mỗi thiết bị trong hệ thống phải được làm việc
ở trạng thái ổn định. Điều này bao gồm công suất phát ra của máy phát là tối thiểu


13

hoặc tối đa, tối đa công suất MVA trên đường dây truyền tải và máy biến áp cũng
như giữ cho điện áp thanh cái ở phạm vi quy định.
Mục tiêu thứ hai của OPF là xác định dữ liệu giá biên. Dữ liệu giá biên này
có thể đánh giá chi phí giao dịch MW cũng như giá các dịch vụ hỗ trợ. OPF có khả
năng thực hiện tất cả các chức năng điều khiển cần thiết cho hệ thống điện. Trong
khi thông báo kinh tế của một hệ thống điện không điều khiển được công suất MW
phát ra, OPF điều khiển nấc máy biến áp và chuyển đổi góc pha tốt hơn. OPF cũng
theo dõi bất thường của hệ thống bao gồm các vấn đề quá tải, quá áp hoặc thấp áp.
Nếu bất kỳ một vấn đề bất thường nào của hệ thống xuất hiện, OPF sẽ kiểm soát sự
thay đổi đó để giải quyết chúng, lập tức thiết lập cảnh báo loại bỏ đường truyền quá

-

Để đáp ứng với yêu cầu thời gian, tính chất yếu tố bên ngoài (trào lưu
công suất, môi trường và sự thay đổi đồng thời) thực tế và độ nhạy của
đường dây sử dụng.

-

Làm thế nào trong tương lai OPF cung cấp các biện pháp kiểm soát địa
phương hoặc toàn bộ hệ thống trong việc hỗ trợ mô phỏng đánh giá tình
huống nghiêm trọng, đe doạ điện áp hệ thống và ổn định góc.

-

Trong tương lai OPF có thể giải quyết hàng loạt các chế độ vận hành và
lập kế hoạch cung cấp những điều kiện thuận lợi, dịch vụ truyền tải và
phân bổ từ các nguồn khác.

2.2. Sự điều chỉnh hệ thống sau sự cố (Phân bố công suất có ràng buộc an
ninh)
Để hiểu rõ hơn các trường hợp sự cố được đề cập, ta xét ví dụ dưới đây để
hiểu hơn về ràng buộc sự cố đứt dây:
Giả sử hệ thống điện với 2 máy phát, 1 tải và 2 dây truyền tải. Bỏ qua tổn thất
công suất, hệ thống đang vận hành trong điều độ kinh tế với các giá trị cho trước
sau:
-

Máy phát 1: 500MW

-

700MW
0MW

MÁY 1

MÁY 2
500MW (QUÁ T? I)

1200MW

Hình 2.2: Truyền tải điện của 2 đường dây song song khi 1 đường dây bị ngắt ra
Giả sử trong ví dụ này chúng ta không muốn sự cố quá tải xảy ra. Chúng ta sẽ điều
chỉnh trạng thái với việc giảm công suất phát của máy phát 1 còn 400MW.

400MW

800MW
200MW

MÁY 1

MÁY 2
200MW

1200MW

Hình 2.3: Truyền tải điện an ninh của 2 đường dây song song


16

17

-

Phương pháp thông thường (cổ điển).

-

Phương pháp thông minh.

Phân loại mỗi phương pháp được trình bày theo sơ đồ hệ thống như sau:


18

OPF Method
Phương pháp cổ điển
Gradient Methods

Phương pháp thông minh
Artificial Neural Networks

Generalised Reduced

Fuzzy Logic

Reduced Gradient

Evolutionary Programming



-

Quadratic Programming Method.

-

Interior Point Method.

Mặc dù đã có những tiến bộ tuyệt vời trong phương pháp cổ điển, song vẫn
còn những nhược điểm như sau: trong hầu hết các trường hợp các công thức toán
học phải được đơn giản hoá để có những giải pháp bởi vì rất hạn chế khả năng giải


19

quyết những vấn đề thật thụ động tồn tại trong một hệ thống rộng lớn. Nó gặp phải
những hạn chế trong bài toán ràng buộc an ninh. Điểm hội tụ kém, có thể gặp khó
khăn ở tối ưu cục bộ, chỉ tìm thấy những giải pháp ở mô phỏng đơn, chúng trở nên
yếu kém khi xử lý hệ thống lớn và đắt tiền.
Để khắc phụ những thiếu sót và hạn chế trên, phương pháp thông minh có kỹ
thuật dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI) được phát triển trong thời gian qua. Những
phương pháp này có thể được tóm tắt liệt kê như sau:
2.3.1. Phương pháp EP (Evolutionary programming)
EP là một chiến lược tối ưu sự cố nhấn mạnh đến sự liên kết hành vi giữa bố
mẹ và con cái. Đây là phương pháp tối ưu không phụ thuộc vào đạo hàm bậc nhất
và bậc hai của hàm mục tiêu và những điều kiện ràng buộc của bài toán. Ưu điểm
quan trọng nhất của EP là nó chỉ sử dụng thông tin hàm mục tiêu và do đó không
chịu ảnh hưởng bởi bản chất của không gian tìm kiếm như độ trơn, độ lồi... Thuật
toán tối ưu dựa trên EP xoay quanh ba quá trình: chọn lọc tự nhiên, đột biến và cạnh

mục tiêu có dạng bậc hai dùng để tính toán là cực tiểu chi phí nhiên liệu máy phát
với các ràng buộc giới hạn công suất thực và công suất phản kháng máy phát, điện
áp các nút, đầu phân áp và dòng công suất trên các đường dây. Phương pháp đề xuất
được ứng dụng vào giải mạng điện IEEE 30 nút và kết quả được so sánh với các
phương pháp: EP, TS, SA.
2.3.4. Phương pháp GA (Genetic Algorithm)
Bài báo trình bày việc giải bài toán phân bố công suất tối ưu trong mạng điện
lớn sử dụng phương pháp giải thuật gen. Thuật toán GA(Genetic Algorithm) được
phát minh bởi Holland vào đầu những năm 1970 là phương pháp tìm kiếm toàn cục
sự cố mà dựa theo sự đánh giá di truyền tự nhiên GA hoạt động trên quần thể của
những lời giải ứng viên giải mã chuỗi hữu hạn gọi là nhiễm sắc thể (NST). Thông
thường các kết quả này được biểu diễn dưới dạng chuỗi số nhị phân hoặc các ký
hiệu mã hóa khác được gọi là nhiễm sắc thể. Để thu được sự tối ưu, mỗi NST phải
trao đổi thông tin bằng cách sử dụng những toán tử mượn từ gen tự nhiên để làm ra


21

lời giải tối ưu. Hàm mục tiêu dùng để tính toán là cực tiểu chi phí nhiên liệu máy
phát với các ràng buộc công suất máy phát, điện áp các nút, tụ bù, đầu phân áp nằm
trong giới hạn cho phép. Thời gian tính toán có thể giảm xuống bằng cách phân chia
các ràng buộc tối ưu thành ràng buộc tích cực để thao tác trực tiếp bằng giải thuật
GA, duy trì các ràng buộc thụ động trong giới hạn mềm sử dụng bài toán dòng công
suất truyền thống. Mạng IEEE 30 nút được ứng dụng để kiểm tra sự hiệu quả của
giải thuật. Kết quả được so sánh với các cách giải khác của giải thuật GA và phương
pháp EP.
GA có nhiều ưu điểm trong tính toán, như đơn giản và tổng quát hóa. Ngoài
ra, nó còn tìm ra nhiều kết quả một cách đồng thời mà các phương pháp thông
thường không làm được. Vì thế, khả năng tìm ra kết quả tối ưu toàn cục được nâng
lên. Ưu điểm chính của GA là tìm ra kết quả gần tối ưu trong thời gian ngắn so với

trưng của loài kiến mà sự phân bố tần suất được thông số hóa qua không
gian bài toán.

-

Lời giải ứng viên được sử dụng để thay đổi các giá trị của chất đặc trưng
với cách mà được nghĩ rằng thiên về sự lấy mẫu hơn là về lời giải chất
lượng cao.

Phương pháp ACO được ứng dụng thành công trong nhiều bài toán khác
nhau như: bài toán người bán hàng du lịch, định tuyến xe cộ, mạng lưới viễn
thông…
2.3.6. Phương pháp TS (Tabu Search)
Phương pháp TS là phương pháp tìm kiếm để tìm giải pháp tối ưu dựa trên
bộ nhớ linh động của máy tính. Phương pháp ra đời năm 1986 bởi Fred W. Glover.
Đầu tiên TS chọn kết hợp tất cả các hàm chi phí của các tổ máy. Kết quả tính toán
được mã hóa ở dạng thập phân và được lưu vào bộ nhớ máy tính. Ưu đểm của TS là
thời gian tính toán nhỏ. Phương pháp này đã được chứng minh là giải quyết tốt bài
toán điều độ kinh tế với nhiều ràng buộc khác nhau.
Sự thuận lợi của thuật toán TS là việc nó sử dụng sự ghi nhớ uyển chuyển
của lịch sử tìm kiếm để ngăn ngừa dao động và tránh bị kẹt ở giá trị tối ưu cục bộ.
TS có thể giải quyết được các bài toán không lồi, không phẳng…


23

2.3.7. Phương pháp SA (Simulated Annealing)
SA(Simulated Annealing) là phương pháp được đề xuất bởi Kirt Patrick,
Gelatt và Vecchi năm 1983. SA đã được kiểm chứng trong một số bài toán tối ưu
hóa và cho kết quả rất tốt.

25

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU BẦY ĐÀN
VÀ GIẢI PHÁP TỐI ƯU BẦY ĐÀN CẢI TIẾN
3.1. Giới thiệu hoàn cảnh ra đời và ý nghĩa của phương pháp tối ưu bầy
đàn
Phương pháp tối ưu bầy đàn là kỹ thuật tối ưu hóa được phái triển bởi
Kennedy và Eberhart vào năm 1995, dựa trên sự mô phỏng xã hội của các động vật
cấp thấp như cá, chim, v.v. Ý tưởng của phương pháp bắt đầu bằng một trường hợp
sự cố của các cá thể của cộng đồng dân cư trong không gian tìm kiếm.
OPF, tìm kiếm cho một giải pháp tối ưu bằng cách sử dụng quần thể của bầy
đàn, mỗi cá thể đại diện cho một giải pháp ứng cử tối ưu hoá vấn đề. Mỗi cá thể
thay đổi vị trí của nó bằng cách bay lượn trong không gian đa chiều bằng cách làm
theo những cá thể vượt trội (tối ưu) cho đến khi xác định được vị trí tương đối
không thay đổi đã được tìm thấy hoặc thực hiện được hoặc cho đến khi tính toán
được những hạn chế - ràng buộc đã vượt qua. Mỗi cá thể sẽ tự điều chỉnh quỹ đạo
hướng tới vị trí tốt nhất của chính nó trước đó cho đến khi hướng đến quỹ đạo tốt
nhất của quần thể đạt được sau đó. OPF rất dễ thực hiện, cung cấp nhanh điểm hội
tụ cho một số vấn đề tối ưu và thu được rất nhiều sự chú ý trong vấn đề giải quyết
hệ thống điện ngày nay.
Hệ thống được khởi tạo với một quần thể của giải pháp ngẫu nhiên và tìm
kiếm tối ưu bằng cách nâng cấp các thế hệ. Tuy nhiên, không giống như giải thuật
GA, PSO không vận hành hoạt động chéo và đột biến. Trong PSO, giải pháp tiềm
năng, được gọi là cá thể, vấn đề là bay xuyên trong không gian theo những cá thể
tối ưu hiện hành. Như vậy, trong PSO mỗi cá thể tự cho mình quyết định hành động
theo kinh nghiệm của mình cùng với kinh nghiệm của cá thể vượt trội lân cận.
Xây dựng bài toán: Quỹ đạo của mỗi cá thể trong không gian tìm kiếm được
hiệu chỉnh bằng cách thay đổi vận tốc của từng cá thể thông qua kinh nghiệm bay
Vector vị trí và vector vận tốc của một cá thể thứ i trong không gian d chiều: