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)


9

Và bất đẳng thức có ràng buộc cơ sở và sự cố
(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),
đẳng thức phi tuyến ràng buộc của véc tơ tham số

là bất

(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:
-




10

-

Sa thải tải MW và MVAr,

-

Truyền tải dòng công suất DC.

-

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.

-


11

(2.11)
Và phương trình cân bằng phụ tải
(2.12)
Những bất đằng thức ràng buộc đại diện cho giới hạn tất cả các biến, ràng
buộc dòng chảy công suất:
, i = 1,…, N

(2.13)

, i = 1,…,

, i = 1,…,

(2.14)

(2.15)

, l = 1,…,

(2.16)

, l = 1,…,

(2.17)

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


Đẳng thức ràng buộc cho bởi phương trình (2.7) – (2.12).

-

Bất đẳng thức ràng buộc cho bởi phương trình (2.13) – (2.20).

2.1.5. Mục tiêu và yêu cầu của OPF
Mục tiêu:


13

Hiện nay các chương trình thương mại, OPF có thể giải quyết rất nhiều các
vấn đề rộng lớn và phức tạp trong bài toán tối ưu một cách ngắn nhất. Một vài giải
pháp khác nhau có thể được đề nghị để giải quyết vấn đề OPF.
Thông thường, trong bài toán phân bố công suất, các biến điều khiển 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.
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.

ra yêu cầu lớn hơn trong việc đánh giá khả năng và tồn tại của OPF.
Một vài yêu cầu trước khi OPF đặt ra khi trả lời được liệt kê như sau:
-

Bởi vì việc xem xét một số lượng lớn các hạn chế và các mô hình toán
học phi tuyến OPF đặt ra một yêu cầu lớn cho các nhà toán học cũng như
các kỹ sư trong việc có được giải pháp tối ưu.

-

Thị trường điện phi điều tiết tìm kiếm câu trả lời từ OPF, để giải quyết
hàng loạt các dạng khác nhau của người tham gia thị trường, yêu cầu mô
hình dữ liệu, thời gian xử lý thực và lựa chọn chi phí thích hợp cho mỗi
phân tích đánh giá loại hình dịch vụ.


15

-

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.


250MW

MÁY 1

MÁY 2
250MW

1200MW

Hình 2.1. Truyền tải điện tối ưu của 2 đường dây song song


16

Nếu có một trong 2 dây truyền tải bị mất điện bởi sự cố. Hiện tượng quá tải
sẽ xuất hiện trên dây truyền tải còn lại.

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


17

Hình 2.4: Truyền tải điện an ninh của 2 đường dây song song khi 1 đường dây bị
ngắt ra.
Bằng việc điều chỉnh công suất phát tại máy phát 1 và 2, chúng ta đã ngăn
chặn được trạng thái vận hành sau sự cố với việc quá tải của dây truyền tải, thực
chất đây được gọi là “Sự hiệu chỉnh an ninh”. Việc kiểm soát điều khiển vận hành
trong trường hợp cơ sở hay sự cố để ngăn chặn các vi phạm giới hạn được gọi là
“Phân bố công suất tối ưu có ràng buộc an ninh” hay gọi tắt là SCOPF (Security
constraint optimal power flow). Với SCOPF, chúng ta có thể tính được số các sự cố,
tính toán và điều chỉnh công suất máy phát, điện áp máy phát, máy biến áp…
2.3. Tổng quan về các phương pháp đã áp dụng giải bài toán phân bố tối
ưu công suất
Trải qua hàng loạt các nghiên cứu đã được trình bày, tính đến nay có giải pháp về
phương pháp luận có thể nhóm lại hai phương pháp cụ thể như sau:
-

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

để giải quyết bài toán OPF một cách hiệu quả. Việc áp dụng tích cực các phương
pháp này trong lĩnh vực nghiên cứu thời gian qua. Các phương pháp cổ điển dựa
trên phương pháp lập trình toán học và được sử dụng để giải quyết các mô phạm
khác nhau của OPF. Để đáp ứng các yêu cầu khác nhau của hàm mục tiêu, các loại
hình ứng dụng và tính chất của sự ràng buộc, các phương pháp phổ biến thông
thường được phân chia như sau:
-

Gradient Method.

-

Newton Method.

-

Linear Programming Method.

-

Quadratic Programming Method.

-

Interior Point Method.


19

Mặc dù đã có những tiến bộ tuyệt vời trong phương pháp cổ điển, song vẫn

dùng để nghiên cứu. Kết quả SCOPF đạt được bằng EP được so sánh với việc giải
bài toán SCOPF truyền thống.
2.3.2. Phương pháp AM (Ant Manners)
Bài báo trình bày phương pháp tính toán dựa trên hành vi của đàn kiến và
cách thu nhận tin tức của chúng. Phương pháp này được ứng dụng vào việc giải bài
toán phân bố công suất tối ưu để 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, tụ bù và dòng công suất trên các đường dây. Mô hình lựa chọn để tính
toán là mạng điện IEEE 30 nút và kết quả được so sánh với các phương pháp EP,
GA.
2.3.3. Phương pháp DE (Differential Evolution)
Bài báo trình bày ứng dụng giải thuật DE vào việc giải bài toán phân bố công
suất tối ưu. DE là một thuật toán tiến hóa được đề xuất bởi Storn and Price vào năm
1997. Phương pháp DE cho thấy hiệu quả trong việc giải quyết bài toán tối ưu
không tuyến tính với nhiều ràng buộc. DE có ưu điểm hơn các phương pháp tiến
hóa khác đó là cấu trúc đơn giản, gọn, ít thông số điều khiển, điểm hội tụ cao. Hàm
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





22

nó sẽ đánh giá chất lượng và số lượng thức ăn đó và mang về tổ số thức ăn tìm
được. Trong suốt quá trình quay về tổ cá thể kiến này sẽ để lại trên lối về loại
pheromone do nó tiết ra. Lượng pheromone để lại có thể phụ thuộc vào chất lượng
và số lượng thức ăn, lượng pheromone này sẽ dẫn các cá thể kiến khác tới nguồn
thức ăn này. Sự truyền đạt không trực tiếp này giữa các cá thể kiến qua chất
pheromone để lại trên lối mòn cho phép chúng tìm được đường đi ngắn nhất giữa tổ
của chúng và nguồn thức ăn đó.
Nói chung phương pháp ACO giải quyết bài toán tối ưu hóa bằng cách lặp lại 2
bước sau:
-

Lời giải ứng viên được xây dựng dựa trên mô hình chất pheromone đặc
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

phương pháp giải tích được, thời gian tính toán nhanh chóng, chất lượng hội tụ tốt;
nhưng do bị giới hạn trong phạm vi khả vi, khả tích của hàm mục tiêu và các điều
kiện ràng buộc, những phương pháp này bị hạn chế trong nhiều lĩnh vực áp dụng.
Đối với các thuật toán tối ưu dựa trên phương pháp tìm kiếm ngẫu nhiên như thuật
toán gen, thuật toán di truyền, thuật toán bầy đàn,… đã cho thấy thế mạnh của nó là
khả năng giải quyết mọi bài toán do không phụ thuộc vào bản chất toán học của


24

hàm mục tiêu hay điều kiện ràng buộc. Tuy nhiên, khuyết điểm của các phương
pháp này là tính không ổn định trong lời giải tối ưu, dễ bị sa vào các giá trị tối ưu
cục bộ. Đồng thời, thời gian tính toán cũng chậm hơn hẳn so với các phương pháp
giải tích được.


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