Xác định vị trí nguồn trữ năng trong hệ thống điện truyền tải sử dụng giải thuật max flow min cut cải tiến

Xác định vị trí nguồn trữ năng trong hệ thống điện truyền tải sử dụng giải thuật max flow min cut cải tiến Xác định vị trí nguồn trữ năng trong hệ thống điện truyền tải sử dụng giải thuật max flow min cut cải tiến Xác định vị trí nguồn trữ năng trong hệ thống điện truyền tải sử dụng giải thuật max flow min cut cải tiến

Đặt vấn đề

Việc phát triển ngành điện cần gắn liền với chiến lược phát triển kinh tế - xã hội, đảm bảo cung cấp đủ điện cho nền kinh tế quốc dân và đời sống xã hội với chất lượng ngày càng cao Đồng thời, cần sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên năng lượng, đa dạng hóa các nguồn năng lượng sơ cấp cho sản xuất điện, bảo tồn nhiên liệu và đảm bảo an ninh năng lượng cho tương lai.

Thị trường điện đã ra đời để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng và mang lại nhiều phúc lợi xã hội, nhưng sự nghẽn mạch trong hệ thống điện ngày càng trở nên thường xuyên Để khắc phục tình trạng này, quy hoạch mở rộng hệ thống truyền tải (TEP) là một giải pháp cần thiết Mặc dù TEP đã được nghiên cứu nhiều, việc kết hợp các biện pháp quy hoạch để định hướng cụ thể vẫn là thách thức đối với các nhà quy hoạch hệ thống điện Luận văn này sẽ đề xuất các phương án thực hiện quy hoạch hiệu quả dựa trên ưu điểm của giải thuật Min-cut trong việc xác định nhanh các điểm gây tắc nghẽn trong hệ thống.

Mạng lưới điện truyền tải đóng vai trò thiết yếu trong việc cung cấp và phân phối nguồn điện đến tất cả các thành phần trong thị trường năng lượng.

Tối ưu hóa mở rộng lưới điện là vấn đề quan trọng trong quy hoạch hệ thống điện, bao gồm mở rộng nguồn phát, truyền tải và phân phối Trong đó, mở rộng phần truyền tải (TEP) đã được nghiên cứu sâu rộng và là một phần thiết yếu của quy hoạch Mục tiêu của TEP là mở rộng lưới điện hiện có để đáp ứng nhu cầu phụ tải tương lai, đồng thời đảm bảo độ tin cậy trong cung cấp điện Tuy nhiên, sự ảnh hưởng từ thị trường điện đã làm cho TEP trở nên phức tạp hơn, tạo ra thách thức lớn cho các nhà quy hoạch hệ thống điện hiện nay.

Trong thị trường điện cạnh tranh, phụ tải được xem là không chắc chắn và thay đổi theo giá thị trường, khác với hệ thống điện truyền thống Sự ra đời của thị trường điện đã làm tăng nhu cầu tiêu thụ điện và mang lại nhiều phúc lợi xã hội, nhưng cũng gây ra tình trạng nghẽn mạch Nghẽn mạch ảnh hưởng trực tiếp đến các hợp đồng giao dịch và giá điện, dẫn đến sự chênh lệch giá cả giữa các vùng Do đó, nghẽn mạch trở thành nguyên nhân chính làm méo dạng thị trường và giảm phúc lợi xã hội.

Việc xây dựng mới đường dây truyền tải để giảm nghẽn mạch thường gặp khó khăn về chi phí và môi trường trong bài toán TEP Do đó, việc cân bằng công suất giữa các đường dây bằng thiết bị FACTS và quy hoạch nguồn phát (GEP) là rất quan trọng Giải pháp này không chỉ giúp giải quyết tắc nghẽn cục bộ mà còn tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành, giảm tổn thất điện năng, và nâng cao tính ổn định của hệ thống.

Việc phối hợp nhiều biện pháp quy hoạch để giải quyết bài toán TEP là cần thiết, nhưng đòi hỏi một định hướng cụ thể để xác định giải pháp phù hợp trong từng trường hợp Dựa trên ưu điểm của giải thuật Min-cut trong việc xác định nhanh các điểm có thể gây tắc nghẽn hệ thống sau khi tăng tải, luận văn đề xuất các phương án thực hiện giải pháp quy hoạch hiệu quả Các giải pháp nghiên cứu TEP được trình bày rõ ràng và cụ thể.

Các giải pháp quy hoạch cơ bản trong nghiên cứu TEP bao gồm: xây dựng các đường dây truyền tải song song tại vị trí nghẽn mạch, kéo thêm nhánh mới từ hai nút nằm hai bên mặt cắt tối thiểu để chia sẻ trào lưu công suất, thay dây quá tải bằng dây siêu nhiệt, lắp đặt TCSC giữa nhánh nằm trên nhánh trong mặt cắt tối thiểu cùng vòng với nhánh quá tải, và điều chỉnh công suất nguồn để thay đổi trào lưu công suất qua điểm nghẽn mạch.

Tùy thuộc vào mục tiêu quy hoạch như nâng cao độ tin cậy, ổn định hệ thống, hiệu quả thị trường điện hoặc giảm chi phí đầu tư, cần lựa chọn biện pháp quy hoạch ưu tiên phù hợp Đồng thời, TEP phải đáp ứng yêu cầu về độ tin cậy để tối ưu hóa công suất của các máy phát điện mới, đồng thời giảm thiểu chi phí đầu tư, vận hành và ngừng cấp điện Độ tin cậy là yếu tố quan trọng trong quy hoạch điện.

Khi hệ thống năng lượng hoạt động trong điều kiện tối ưu, cần tuân thủ các yêu cầu vận hành bình thường như công suất truyền tải của đường dây, công suất phát, cấp điện áp và dự trữ nóng, đồng thời đảm bảo các tiêu chuẩn về giá cả đã được xác định.

Khi thiết bị gặp sự cố hoặc khi tải xuất hiện dao động, yêu cầu về độ tin cậy cung cấp điện trong điều kiện ngẫu nhiên cần được đảm bảo Chi phí liên quan đến lưới điện bao gồm đầu tư cho thiết bị máy biến áp, thiết bị truyền tải và các chi phí vận hành của thiết bị.

Bài toán TEP phức tạp do yêu cầu phải dựa trên sơ đồ thực tế và nhiều ràng buộc như phương trình phi tuyến và vi phân Để giải quyết vấn đề này, TEP thường được chia thành hai bước: lập sơ đồ và đánh giá sơ đồ Lập sơ đồ nhằm tìm kiếm các phương án chi phí thấp phù hợp với khả năng tải của thiết bị truyền tải, trong khi đánh giá sơ đồ tập trung vào việc phân tích các đặc tính kinh tế kỹ thuật như dòng tải, ổn định, dòng ngắn mạch, độ tin cậy và tính toán kinh tế Qua quá trình đánh giá, cấu hình lưới điện có thể được cải thiện để đạt được sơ đồ tối ưu cuối cùng.

Trên cơ sở kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây đã đạt được, đề tài

Bài viết "Xác định vị trí nguồn trữ năng trong hệ thống điện truyền tải" nghiên cứu và áp dụng thuật toán Max – Flow – Min – Cut cải tiến Mục tiêu là giới hạn không gian tìm kiếm và rút ngắn thời gian mô phỏng trong quy hoạch mở rộng lưới điện truyền tải.

Mục tiêu và nhiệm vụ

- Tìm hiểu các bài toán trong QHLĐ truyền tải và phương pháp giải

- Tìm hiểu thuật toán mặt cắt tối thiểu và áp dụng thuật toán trong QHLĐ truyền tải nhằm giảm thiểu không gian tìm kiếm

- Ứng dụng thuật toán mặt cắt tối thiểu trong TEP truyền tải trên các ví dụ mẫu.

Phương pháp nghiên cứu

- Ứng dụng lý thuyết giải tích và mô phỏng toán học trong QHLĐ truyền tải

- Sử dụng phần mềm Matpower 6.0 và thuật toán Min-Cut để tính toán và kiểm chứng kết quả.

Giới hạn đề tài

- Chỉ xét bài toán quy hoạch tĩnh trong lưới điện truyền tải khi sử dụng thuật toán mặt cắt tối thiểu

- Chỉ xét ổn định tĩnh không xét đến ổn định động của hệ thống điện.

Điểm mới của luận văn

Sử dụng mặt cắt tối thiểu có điều kiện đi qua nhánh bị quá tải.

Phạm vi ứng dụng

The application of the minimum cut algorithm in the planning of expanded transmission grids is demonstrated using the IEEE 24-bus test system This innovative approach enhances the efficiency of electrical network design, ensuring optimal resource allocation and improved reliability in power transmission By leveraging advanced algorithms, the study aims to optimize grid expansion strategies, ultimately contributing to more sustainable energy solutions.

Ứng dụng thuật toán mặt cắt tối thiểu có điều kiện là một phương pháp hiệu quả trong quy hoạch mở rộng lưới điện truyền tải, giúp tối ưu hóa các mô hình và lưới điện thực tế Việc áp dụng thuật toán này không chỉ nâng cao khả năng quản lý tài nguyên mà còn đảm bảo tính bền vững cho hệ thống điện.

- Là tài liệu tham khảo cho môn học CCĐ, quy hoạch hệ thống điện.

Bố cục của luận văn

Chương 1 Giới thiệu luận văn

Chương 2: Tổng quan về quy hoạch lưới điện truyền tải

Chương 3: Cơ sở lý thuyết mặt cắt tối thiểu

Chương 4: Xác định vị trí nguồn trữ năng trong hệ thống lưới điện truyền tải IEEE 24 BUS sử dụng giải thuật MAX - FLOW - MIN - CUT cải tiến

Sơ lược quy hoạch lưới điện

Lập kế hoạch truyền tải là quá trình tối ưu hóa mạng lưới truyền tải điện hiện có nhằm giải quyết các vấn đề và phục vụ cho sự phát triển của thị trường điện Quá trình này cần xem xét các ràng buộc kinh tế và kỹ thuật để đảm bảo hiệu quả và tính bền vững.

Quy hoạch truyền tải điện có thể được chia thành hai loại: tĩnh và động Mở rộng tĩnh nhằm tái cấu hình lưới điện để đáp ứng nhu cầu phát điện cao điểm trong tương lai với chi phí tối thiểu Trong khi đó, mở rộng động tập trung vào kế hoạch phát triển qua nhiều năm, bắt đầu từ năm đầu tiên và kéo dài qua các năm tiếp theo, với các khoản đầu tư cho một năm cụ thể có thể ảnh hưởng đến các năm sau.

Trong thị trường điện độc quyền, các tiện ích tích hợp theo chiều dọc thực hiện chức năng truyền tải, cho phép tích hợp các nhà máy phát điện và khách hàng cố định Để mở rộng truyền tải điện, nhiều phương pháp kỹ thuật như phân tích Bender, thuật toán di truyền và mô phỏng xử lý nhiệt được áp dụng Đề xuất tăng cường và mở rộng mạng lưới truyền tải điện nhằm giảm thiểu tác động của sự cố mất điện ngày càng gia tăng Mô hình dự kiến sẽ lựa chọn xây dựng các đường dây mới không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn giúp tăng cường khả năng chống chịu của mạng lưới trước các sự cố mất điện đáng tin cậy.

Sự phát triển của ngành công nghiệp năng lượng đã dẫn đến việc bãi bỏ nhiều quy định, thúc đẩy nghiên cứu về mở rộng mạng lưới truyền tải điện Việc xem xét môi trường cạnh tranh và áp dụng các phương pháp giải quyết quy hoạch tương lai là cần thiết để xây dựng kế hoạch cạnh tranh mới trong ngành điện Quy hoạch truyền tải điện được phân loại và tóm tắt, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc quy hoạch trong hệ thống điện tự do hóa.

Nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện

Trong quá trình vận hành hệ thống điện trong thị trường điện, chi phí của tổ máy phát thứ i trong nhà máy điện là:

P gi : công suất phát của tổ máy thứ i

 0i ,  1i ,  2i : Hệ số chi phí của máy phát i

Do đó tổng chi phí của các nhà máy phát điện được tính theo biểu thức:

Mục tiêu chính của các nhà máy sản xuất điện là tối ưu hóa chi phí sản xuất, nhằm giảm thiểu tổng chi phí phát điện xuống mức thấp nhất có thể.

Giá thành điện năng là tổng chi phí để sản xuất một đơn vị điện, bao gồm chi phí nguồn phát, truyền tải và các chi phí khác Giá bán điện được xác định từ giá thành sản xuất tối thiểu C1 Trong thị trường điện, sự cạnh tranh về giá thúc đẩy các nhà sản xuất tối ưu hóa tổng chi phí hệ thống điện, nhằm đưa tổng chi phí phát điện về giá trị C1 Điều này dẫn đến việc giảm giá thành sản xuất trên mỗi đơn vị điện năng, từ đó giá bán điện cũng giảm theo.

Giả sử giá trị chi phí phát điện tối thiểu là C1, thì công suất phát của các nhà máy điện sẽ được điều chỉnh để đạt được sự cân bằng với phụ tải theo biểu thức đã được xác định.

P Gi : công suất phát của các nhà máy

P L : công suất của các phụ tải

Khi phụ tải điện tăng vượt quá mức cho phép, hệ thống điện sẽ gặp tình trạng nghẽn mạch trên một số tuyến dây Để khắc phục sự cố này, cần điều chỉnh công suất phát của các tổ máy trong nhà máy điện tương ứng với sự gia tăng phụ tải P L Chi phí sản xuất điện năng trong tình huống này sẽ được xác định theo công thức đã nêu, phản ánh sự cần thiết trong việc quản lý và tối ưu hóa nguồn năng lượng.

Khi chi phí sản xuất điện năng gia tăng, giá bán điện đến tay người tiêu dùng cũng sẽ tăng theo Tình trạng này gây khó khăn cho các nhà cung cấp trong việc tăng doanh số bán hàng và cạnh tranh trên thị trường.

Bài toán phân bố công suất tác dụng giữa các nhà máy điện nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất (C1) thường gặp khó khăn do giới hạn của các đường dây tải điện, dẫn đến việc phải điều chỉnh công suất phát để tránh quá tải, làm tăng chi phí (C2) Để giảm chi phí phát điện từ C2 về C1, cần nâng cao khả năng tải của hệ thống Việc điều chỉnh góc pha giữa các nút và các tổng trở tại các nhánh có thể giúp phân chia công suất truyền tải qua các tuyến dây chưa bị quá tải, từ đó tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.

Ngành công nghệ điện tử hiện nay cho phép sản xuất các thiết bị FACTS, nhưng việc xác định vị trí lắp đặt chính xác là một thách thức lớn Điều này đòi hỏi phải nhận diện các nhánh thường xuyên bị quá tải để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng thiết bị FACTS.

Để tối ưu hóa lợi nhuận, cần cân nhắc số lượng và công suất thiết bị nhằm giảm thiểu chi phí sản xuất điện năng.

Sự thay đổi phụ tải hoặc sự cố trong hệ thống điện sẽ làm tăng giá bán điện trên thị trường do chi phí sản xuất điện tăng lên Dù lưới điện hoạt động trong bất kỳ trạng thái nào, các nhà máy sản xuất điện luôn nỗ lực đưa chi phí C2 trở về gần với trạng thái ban đầu C1.

Mở rộng đường dây truyền tải

Mở rộng đường dây truyền tải là giải pháp quan trọng để củng cố hệ thống phát điện và mạng truyền tải hiện tại, nhằm phục vụ hiệu quả cho sự phát triển của thị trường điện Việc này cần phải đáp ứng một loạt các điều kiện ràng buộc về kinh tế và kỹ thuật Các phương pháp như phân tích Bender, tìm kiếm Tabu và thuật toán Gen đã được áp dụng để nghiên cứu và giải quyết bài toán này.

Mặc dù có thể giảm thiểu chi phí nghẽn mạch thông qua các phương pháp quản lý hiệu quả, chi phí biên của nghẽn mạch không được phép cao hơn chi phí biên của việc giảm nghẽn thông qua đầu tư mở rộng khả năng truyền tải Chi phí nghẽn mạch cao sẽ là tín hiệu cần thiết để thúc đẩy mở rộng khả năng truyền tải Đầu tư vào lĩnh vực truyền tải luôn nhằm mục tiêu tăng cường độ tin cậy và giảm thiểu chi phí nghẽn mạch.

Mặc dù phương pháp mở rộng đường dây truyền tải có thể mang lại lợi ích, nhưng nó cũng gặp nhiều hạn chế như tốn thời gian, chi phí cao cho việc mở rộng, và phụ thuộc vào các ràng buộc pháp lý cùng quy định về đền bù giải tỏa.

Một phương pháp truyền thống phổ biến trong nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống điện là liệt kê thử nghiệm, trong đó các đường dây trong mạng được liệt kê và chọn lựa X TCSC u%X line cố định Giá trị bù này được thử nghiệm trên tất cả các nhánh của mạng điện nhằm xác định vị trí tối ưu nhất theo hàm mục tiêu ban đầu Nhiều nghiên cứu tập trung vào việc xác định vị trí tối ưu của TCSC để gia tăng tổng khả năng truyền tải của hệ thống hoặc tối đa hóa phúc lợi xã hội mà TCSC mang lại.

Đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu

Các nhà quản lý, nhà vận hành và nhà quy hoạch thường xác định vị trí quá tải trong hệ thống điện từ nguồn phát đến nơi tiêu thụ Thông tin này rất quan trọng để đưa ra quyết định về việc tiếp tục vận hành hoặc quy hoạch lại hệ thống điện.

Hình 2 1 Mối quan hệ giữa nguồn và tải

Hệ thống điện thông thường mở rộng theo thời gian với việc gia tăng phụ tải và nâng cấp máy phát, nhưng việc truyền tải qua đường dây không được cải thiện tương ứng Điều này dẫn đến tình trạng quá tải ở trạng thái tĩnh và các vấn đề về ổn định quá độ, với giới hạn ổn định không cao Do đó, cần chú ý đến các giới hạn ở cả trạng thái tĩnh và động trong hệ thống điện.

- Sự ổn định góc pha

- Sự ổn định quá độ

Những giới hạn ổn định trong hệ thống điện được xác định là công suất điện lớn nhất có thể truyền tải mà không gây nguy hiểm cho các đường dây Điều này có nghĩa là không thể có dòng công suất vô hạn từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ, mà chỉ có một giá trị cực đại nhất định Để xác định dòng công suất cực đại này, lý thuyết về mặt cắt tối thiểu và dòng công suất cực đại (Maximum flow – minimum cut set) được sử dụng như một công cụ quan trọng.

Nguồn tải (máy biến áp, đường dây)

Sự nghẽn mạch thường xảy ra

Giới thiệu chung

Mạng đồ thị có hướng G = (V, E) bao gồm một đỉnh phát A không có cung đi vào và một đỉnh thu B không có cung đi ra Giá trị của luồng trong mạng được xác định bởi tổng luồng trên các cung đi ra từ đỉnh phát bằng tổng luồng trên các cung đi vào đỉnh thu.

Lát cắt (X, Y) là một phương pháp phân chia tập đỉnh V của mạng thành hai tập rời, trong đó X chứa đỉnh phát A và Y chứa đỉnh thu B Khả năng thông qua của lát cắt này được tính bằng tổng khả năng thông qua của các cung (u, v) với u thuộc X và v thuộc Y Lát cắt có khả năng thông qua nhỏ nhất được gọi là lát cắt hẹp nhất.

"Min cut" Định lý Ford-Fulkerson phát biểu: "Giá trị luồng cực đại trên mạng đúng bằng khả năng thông qua của lát cắt hẹp nhất/cực tiểu"

Vậy bài toán mặt cắt tối thiểu là bài toán đi tìm lát cắt có luồng nhỏ nhất.

Thuật toán "min cut" của Mechtild Stoer và Frank Wagner

Mechtild Stoer và Frank Wagner đã phát triển một thuật toán dựa trên định lý Ford-Fulkerson để xác định mặt cắt tối thiểu "min cut" trong mạng Thuật toán này chia tập hợp các đỉnh của mạng thành hai phần riêng biệt, với trọng số của mặt cắt được tính bằng tổng trọng số của các cạnh mà nó đi qua.

Cho đồ thị vô hướng G = (V, E), với V là tập đỉnh, E tập cạnh và mỗi cạnh e có trọng số dương w(e)

Thêm vào A đỉnh kết nối mạnh nhất (trọng số lớn nhất), ghi bước cắt và rút lại G bằng cách cộng hai đỉnh được thêm vào cuối cùng

Tập A các đỉnh đồ thị sẽ được phát triển từ một đỉnh đơn ngẫu nhiên cho đến khi A đạt giá trị V Trong mỗi bước, đỉnh bên ngoài A có trọng số lớn nhất và kết nối mạnh nhất với A sẽ được thêm vào.

, với w(A,y) là tổng trọng số tất cả các cạnh giữa A và y

Cuối mỗi bước cắt, hai đỉnh cuối cùng được cộng lại để tạo thành một đỉnh mới Đỉnh mới này sẽ thay thế hai đỉnh cũ, và các cạnh nối từ hai đỉnh cũ đến một đỉnh còn lại sẽ được gán trọng số mới, bằng tổng trọng số của hai cạnh trước đó.

Thuật toán kết thúc khi phân chia tập hợp các đỉnh của đồ thị thành hai phần riêng biệt, tạo ra lát cắt tối thiểu (Mincut), là lát cắt có trọng số nhỏ nhất trong tất cả các bước cắt.

Nếu bước cắt có trọng số nhỏ hơn lát cắt cực tiểu hiện tại thì đây là lát cắt cực tiểu hiện tại

Bước 1 Tiến hành tạo 2 lát cắt đơn giản (lát cắt nguồn {S} và lát cắt tải {t}) sao cho cô lập lần đỉnh nguồn và đỉnh tải ra khỏi đồ thị

Bước 2 So sánh tổng thông lượng 2 lát cắt này (w s và w t )

Bước 3: Tại lát cắt có thông lượng lớn nhất, hãy đưa đỉnh với nhánh thông lượng lớn nhất vào đỉnh nguồn nếu thực hiện tại lát cắt nguồn, hoặc vào đỉnh tải nếu thực hiện tại lát cắt tải.

Bước 4 Tính lại thông lượng mới sau khi thực hiện bước 3

Bước 6 Quá trình kết thúc khi không còn đỉnh nào bền ngoài tập nguồn và tập tải và tạo thành đồ thị suy biến

Từ đồ thị suy biến, tiến hành phục hồi lại đồ thị cũ và giữ nguyên vị trí của những nhánh qua lát cắt cực tiểu

Nhập dữ liệu topo nhánh, n là số nút

Tính tổng thông lượng 2 lát cắt

S>T nút S*=Max(Wsi) Đưa nút S* vào {s}

Khôi phục lại topo và vẽ mặt cắt tối thiểu, tính thông lượng

Kết thúc Đưa nút T* vào {t}

Hình 3 1 Lưu đồ xác định mặt cắt tối thiểu

3.2.2 Ví dụ xác định mặt cắt tối thiểu

Ví dụ 1: Cho một đồ thị gồm có 8 đỉnh và các thông lượng trên các nhánh như hình 3.2 a, trong đó đỉnh nguồn là {1} và đỉnh tải là {8}

Bước 1: Dùng 2 mặt cắt đơn giản để cô lập đỉnh {1} và {8} như hình 3.2a

Bước 2: Thông lượng mặt cắt nguồn và tải là ws = 5 và w t = 5 nên chọn ngẫu nhiên một mặt cắt (ở đây chọn mặt cắt nguồn)

Bước 3: Tại mặt cắt nguồn, nhánh 1,5 có w=3 lớn hơn nhánh 1,2 có w=2 nên đưa nút 5 vào nút nguồn tạo thành tập nguồn {1,5} như hình 3.2 b

Trong bước 4, thông lượng từ tập nguồn nối với nút 2 được tính bằng tổng thông lượng của nhánh 1, 2 và nhánh 5, 2, cụ thể là w = w12 + w52 = 2 + 2 = 4 Đồng thời, thông lượng từ tập nguồn {1, 5} nối với nút 6 vẫn giữ nguyên giá trị w56 = 3, trong khi các thông lượng của các nhánh khác không có sự thay đổi.

Hình 3 2 a và Hình 3.2 b đỉnh (1) và(5) và lát cắt đầu tiên đi qua t(1)-(2), (1)-(5)

Bước 5: Thực hiện tương tự cho bước 1 nhưng ở đồ thị hình 3.2a

Hình 3 3 a và Hình 3.3 b Lát cắt thứ 2 đi qua (1,5)-(2), (1,5)-(6)

Lát cắt thứ 2 chia các đỉnh thành 2 thành phần gồm {1,5}, {2,3,4,6,7,8} với trọng số là w = 7 như hình 3.3 a

Hình 3 4 Lát cắt thứ 3 đi qua (1,5,2)-(3), (1,5,2)-(6) và Lát cắt thứ 4 đi qua

Lát cắt thứ 3 chia các đỉnh thành 2 thành phần gồm {1,5,2}, {3,4,6,7,8} với trọng số là w = 8 như hình 3.3

Lát cắt thứ 4 chia các đỉnh thành 2 thành phần gồm {1,5,2,6}, {3,4,7,8} với trọng số là w = 4 như hình 3.4

Hình 3 5 a và Hình 3.5b Lát cắt thứ 5 đi qua (8,7)-(1,5,2,6), (8,7)-(3), (8,7)-(4)

Lát cắt thứ 5 chia các đỉnh thành 2 thành phần gồm {8,7}, {1,5,2,6,3,4} với trọng số là w = 7 như hình 3.5

Hình 3 6 a và Hình 3.6b Lát cắt thứ 6 đi qua (8,7,4)-(1,5,2,6), (8,7,4)-(3)

Lát cắt thứ 6 chia các đỉnh thành 2 thành phần gồm {8,7,4}, {1,5,2,6,3} với trọng số là w = 7 như hình 3.6

Lát cắt cuối cùng chia các đỉnh thành 2 thành phần gồm {8,7,4,3}, {1,5,2,6} với trọng số là w = 4 và đây chính là lát cắt tối thiểu

Bước 6: Khôi phục lại đồ thị từ hình 3.6b như hình 3.7

Hình 3 7 Lát cắt có trọng số nhỏ nhất E={nhánh 2-3, nhánh 6-7}

Trường hợp mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh bị quá tải

Trong hệ thống điện, không phải lúc nào các nhánh quá tải đều chứa nhánh quá tải do sự phân bố công suất phải tuân thủ hai định luật Kirchhoff Dòng công suất của các nhánh phụ thuộc vào tổng trở, vì vậy nhánh quá tải chưa chắc nằm trên mặt cắt tối thiểu Điều này dẫn đến việc tác động vào những nhánh trên mặt cắt tối thiểu mà không qua nhánh quá tải sẽ không giải quyết được vấn đề Do đó, bài toán cần được giải quyết là xác định mặt cắt có thông lượng nhỏ nhất nhưng phải đi qua nhánh quá tải, với đỉnh thứ nhất nằm ở tập nguồn và đỉnh thứ hai ở tập tải.

Sau khi xác định mặt cắt tối thiểu qua nhánh quá tải, việc kéo dây hoặc thay đổi tổng trở bằng thiết bị FACTS trên các nhánh sẽ được thực hiện để cứu nhánh quá tải Phương pháp này giúp giảm đáng kể không gian tìm kiếm.

Bước 1: Xác định mặt cắt tối thiểu như lưu đồ tại hình 3.1

Bước 2: Thu gọn phía tập không chứa nhánh quá tải

Bước 3: Xác định nhánh có thông lượng lớn nhất trên mặt cắt tối thiểu

Bước 4: Chuyển nút chứa nhánh (ngoại trừ nhánh quá tải) từ tập nhánh quá tải sang tập nhánh không quá tải bằng cách vượt qua mặt cắt tối thiểu.

Bước 5: Thực hiện lại bước 4 cho đến khi không còn nút nào không thuộc 2 tập

Bước 6: Dựa vào đồ thị suy biến, thực hiện phục hồi đồ thị ban đầu và đảm bảo vị trí của các nhánh vẫn được giữ nguyên thông qua lát cắt cực tiểu chứa nhánh quá tải.

Xác định mặt cắt tối thiểu như lưu đồ hình 3.1 n:=n-1

Khôi phục lại topo và vẽ mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh quá tải, tính thông lượng

Kết thúc Đưa nút I vào tập S

Trên mặt cắt IJ*=max(Wij)

Rút gọn tất cả các nút thuộc tập không chứa nhánh quá tải n=số nút còn lại

Nhánh quá tải IJS Đưa nút I vào tập T n=0

Hình 3 8 Lưu đồ xác định mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh bị quá tải

Trong ví dụ 2, tương tự như ví dụ ở mục 3.2, nhánh 1-2 gặp tình trạng quá tải trong quá trình phân bố công suất Do đó, cần xác định mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh 1-2 để đảm bảo hiệu quả trong việc phân phối điện năng.

Bài toán này giúp xác định các nhánh có khả năng hỗ trợ nhánh 1-2 khi nhánh này bị quá tải Theo đồ thị hình 3.9, các nhánh trên mặt cắt tối thiểu không thể cứu được nhánh 1-2 trong trường hợp thay đổi trở kháng hoặc tăng khả năng tải.

Bước 1: Xác định mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh quá tải của đồ thị hình 3.7 bằng lưu đồ hình 3.1

Hình 3 9 Nhánh 1-2 bị quá tải

Bước 2: Do nhánh quá tải 1-2 nằm ở phía tập nguồn nên tiến hành thu gọn phía tập không chứa nhánh quá tải

Hình 3 10 Mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh đi qua nhánh 2-3 và 6-7

Bước 3: Nhánh có thông lượng lớn nhất trên mặt cắt là nhánh 2-3 có w=3

Bước 4: Chuyển nút 2 vào tập tải

Hình 3 11 Mặt cắt đi qua nhánh 1-2 bị quá tải sau khi đưa nút 2 vào tập tải

Thực hiện lại bước 4 cho đến khi chỉ còn lại hai nút là tập nguồn và tập tải, quá trình lặp này được mô tả chi tiết trong hình 3.12 và 3.13.

Sau khi thực hiện xong bước 5, không còn nút nào nằm ngoài 2 tập nguồn {1} và tập tải {2,3,4,5,6,7,8}

Khôi phục đồ thị cũ từ hình 3.13 và giữ nguyên vị trí các nhánh thông qua lát cắt cực tiểu chứa nhánh quá tải Kết quả được thể hiện trong hình 3.14.

Mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh quá tải

Hình 3 14 Mặt cắt đi qua nhánh 1-2 bị quá tải có thông lượng w=w12+w15=2+3=5

Nếu lưới điện có cấu trúc như hình 3.14, khi nguồn cấp từ nút 1 và tải tiêu thụ tại nút 8 xảy ra quá tải tại nhánh 1-2, chỉ nhánh 1-5 có khả năng cứu nhánh 1-2 Điều này cho thấy rằng chỉ những nhánh có mặt cắt tối thiểu mới có thể hỗ trợ nhánh quá tải thông qua việc điều chỉnh tổng trở.

Ví dụ 3: Trong trường hợp tương tự như mục 3.2, nhánh 2-6 trở thành nhánh quá tải sau khi thực hiện phân bố công suất, như thể hiện trong hình 3.15 Cần xác định mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh 2-6.

Hình 3 15 Mặt cắt tối thiểu không đi qua nhánh 2-6 bị quá tải

Tiến hành theo quy trình tương tự như trong ví dụ 2, như được mô tả trong hình 3.16 Kết quả của mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh 2-6 bị quá tải được trình bày chi tiết trong hình 3.17.

Hình 3 16 Trình tự xác định mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh 2-6 bị quá tải

Hình 3 17 Thông lượng w=7 của mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh 2-6 bị quá tải

Trong ví dụ 4, tương tự như ví dụ ở mục 3.2, nhánh 3-4 gặp tình trạng quá tải khi thực hiện bài toán phân bố công suất Hình 3.18 minh họa rõ ràng, từ đó cần xác định mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh 3-4 để đảm bảo hiệu quả phân phối công suất.

Hình 3 18 Mặt cắt tối thiểu không đi qua nhánh 3-4 bị quá tải

Thực hiện theo quy trình giống như trong ví dụ 2, như được mô tả trong hình 3.19 Kết quả của mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh 3-4 bị quá tải được thể hiện chi tiết trong hình 3.20.

Hình 3 19 Trình tự xác định mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh 3-4 bị quá tải

Ví dụ 5: Tương tự như ví dụ ở mục 3.2, sau khi thực hiện bài toán phân bố công suất, nhánh 4-7 trở thành nhánh quá tải như thể hiện trong hình 3.21 Cần xác định mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh 4-7.

Hình 3 21 Phân bố công suất là nhánh 4-7

Tiến hành theo quy trình giống như ví dụ 2, như được mô tả trong hình 3.22 Kết quả của mặt cắt tối thiểu qua nhánh 4-7 bị quá tải được trình bày chi tiết trong hình 3.23.

Hình 3 22 Kết quả mặt cắt tối thiểu đi qua nhánh 4-7 bị qua tải

Xác định mặt cắt tối thiểu cho một hệ thống điện

Hệ thống điện được mô hình hóa dưới dạng đồ thị có hướng G(N,A), trong đó luồng công suất được thể hiện như luồng trong đồ thị Tập hợp các nút N tương ứng với các thanh cái của hệ thống, trong khi các đường dây truyền tải giữa các thanh cái n_i và n_j ∈ N biểu diễn cung a_ij ∈ A Mỗi cung được gán u_ij, thể hiện khả năng truyền tải công suất tối đa trên đường dây Đỉnh s đại diện cho nguồn, bao gồm các tổ máy phát, và đỉnh t đại diện cho các phụ tải Luồng trên mỗi đường dây ra khỏi nguồn s tối đa phù hợp với máy phát kết nối vào nút, trong khi mỗi đường dây vào tải t thể hiện mức độ tải kết nối vào nút.

Trong đồ thị G(N,A), mỗi nút phải tuân theo điều kiện ràng buộc ΣPin = ΣPout, ngoại trừ nút nguồn s và nút tải t Nút tải có thể được xem như nút nối đất, trong khi nút s, t và G tạo thành cấu trúc chính của đồ thị.

Hình 3 24 Sơ đồ lưới điện hai thanh cái và mô hình đại diện theo đồ thị

Sử dụng các lát cắt c1, c2, c3, c4 để cách ly nút nguồn s và nút tải t, tổng dung lượng truyền qua các lát cắt được thể hiện trong Hình 3.27 và Bảng 3.1 Khi xác định được mặt cắt tối thiểu, cần lập kế hoạch nâng cấp, cải tạo và quy hoạch lại vị trí đó cho chiến lược lâu dài.

Hình 3 25 Các lát cắt sơ đồ lưới điện hai thanh cái

Vì vậy trong quy hoạch hệ thống điện, việc xác định vị trí nút thắt cổ chai

“Bottle-neck” đóng vai trò quan trọng vì nó chính là điểm nghẽn trong hệ thống Do đó, vấn đề cần giải quyết trở thành bài toán xác định mặt cắt tối thiểu trong hệ thống điện.

Bảng 3 1 Vị trí và dung lượng của các lát cắt sơ đồ lưới điện hai thanh cái

Stt Lát cắt Dung lượng truyền

Sau khi chuyển đổi từ sơ đồ mạng sang sơ đồ số, thuật toán đã phân chia mạng điện thành hai vùng riêng biệt: vùng tổ hợp nguồn phát s và vùng tổ hợp tải t Hai vùng này được kết nối qua các nhánh có tổng dung lượng truyền nhỏ nhất, với vị trí lát cắt cực tiểu được thể hiện trong Hình 3.28.

Hình 3 26 Lát cắt cực tiểu trên sơ đồ mô hình

Trình tự các bước quy hoạch mở rộng lưới điện

3.5.1 Xác định các vị trí tắc nghẽn bằng thuật toán Min-Cut

Trong QHHTĐ, việc xác định vị trí nút thắt cổ chai là rất quan trọng, vì nó có thể gây ra điểm nghẽn mạch trong hệ thống Do đó, bài toán trở thành việc xác định mặt cắt tối thiểu trong hệ thống điện theo giải thuật đã được nêu.

Kết quả của bài toán Min-Cut là tập hợp các mặt cắt phân chia hai miền nguồn và tải, với ưu điểm là các lát cắt này mang ý nghĩa quan trọng liên quan đến quy hoạch Những vị trí thắt cổ chai trong các lát cắt cần được đánh giá kỹ lưỡng, và các lát cắt này có thể thuộc một trong các trường hợp đã được nêu trong Bảng 3.2.

Lát cắt cực tiểu là điểm nút thắt trong lưới điện, với dung lượng công suất nhỏ nhất Khi một nhánh quá tải rơi vào lát cắt này, biện pháp hiệu quả để chống quá tải là sử dụng dây siêu nhiệt, kéo thêm mạch mới trên các trụ cũ hoặc mở thêm tuyến dây mới qua mặt cắt Những biện pháp này thực sự nâng cao thông lượng của hệ thống điện hơn so với việc sử dụng các thiết bị FACTS.

Lát cắt tại nhánh quá tải cho phép xác định các biện pháp chống quá tải hiệu quả hơn so với lát cắt tối thiểu Việc lắp đặt thiết bị FACTS, đặc biệt là TCSC, ở những nhánh quá tải hoặc non tải sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với việc tăng thông lượng hệ thống điện Điều này xảy ra do sự phân bố công suất không hiệu quả, dẫn đến tình trạng quá tải ở nhánh có tổng trở thấp trong khi các nhánh khác lại không tải Chi phí đầu tư cho thiết bị FACTS cũng thấp hơn so với các giải pháp tăng cường thông lượng, làm cho nó trở thành lựa chọn tối ưu.

Bảng 3 2 Các trường hợp xảy ra tại vị trí lát cắt

Trường hợp Lát cắt cực tiểu Ghi chú

 Thuộc tập tải Nguồn đáp ứng

 Thuộc tập nguồn và nhánh

 Thuộc tập tải và nhánh

Thuộc tập nguồn, tải và nhánh

3.5.2 Định hướng quy hoạch mở rộng

Khi kết quả điểm thắt cổ chai xác định thuộc trường hợp 1, việc kiểm tra quá tải cục bộ được thực hiện Nếu hệ thống điện không gặp phải quá tải cục bộ, có thể kết luận rằng hệ thống đã đáp ứng yêu cầu quy hoạch mà không cần mở rộng Ngược lại, nếu xảy ra quá tải cục bộ, các biện pháp quy hoạch (iii), (iv) và (v) sẽ được xem xét để đảm bảo đạt được mục tiêu quy hoạch Quy hoạch có thể áp dụng một hoặc tất cả ba biện pháp này để đáp ứng yêu cầu.

Điểm thắt cổ chai trong trường hợp 2 chỉ liên quan đến tập nguồn, khi hệ thống nguồn cung không đáp ứng đủ yêu cầu của hệ thống Do đó, việc quy hoạch hệ thống nguồn điện là rất cần thiết Bên cạnh đó, cần kiểm tra tình trạng quá tải cục bộ của hệ thống lưới điện và thực hiện các biện pháp quy hoạch phù hợp.

Trong trường hợp các lát cắt chỉ thuộc tập nhánh, đây là điểm thắt cổ chai, đòi hỏi phải mở rộng lưới điện tại một số hoặc tất cả các nhánh thuộc tập cắt Để giải quyết vấn đề này, cần áp dụng các biện pháp quy hoạch (i) và (ii) nhằm mở rộng nút thắt cổ chai Số lượng nhánh cần mở rộng có thể được xác định gần đúng thông qua các phương pháp tính toán phù hợp.

Số lượng nhánh = Roundup Capacities Loads/Capacity

Trong đó: Roundup: Làm tròn lên;

Capacity: Năng lực trung bình của một nhánh Capacities: Tổng năng lực của tập cắt

Tổng phụ tải sẽ được kiểm tra sau khi áp dụng các biện pháp gỡ nút cổ chai Nếu cần thiết, các biện pháp phân bố lại trào lưu công suất đã đề cập ở các điểm (iii), (iv) và (v) có thể được sử dụng để xử lý tình trạng quá tải cục bộ.

(4) Trường hợp 4, trước tiên có thể xem xét các biện pháp điều chuyển phụ tải, sau đó quay lại các biện pháp quy hoạch

Sau khi điều chuyển công suất các nguồn điện và quy hoạch lại hệ thống nguồn, các biện pháp quy hoạch sẽ được áp dụng trong trường hợp này.

(6) Trường hợp 6, thực hiện theo trình tự như sau:

Xem xét các biện pháp điều chuyển phụ tải;

Xem xét điều chỉnh công suất nguồn điện và GEP;

Quy hoạch mở rộng hệ thống điện.

Xác định nguồn trữ năng trong lưới điện truyền tải IEEE 24

Cấu hình lưới điện IEEE 24 BUS

Hệ thống kiểm tra độ tin cậy (RTS – Reliability Test System) của cấu hình lưới điện

24 bus IEEE được đưa ra như trong các bài báo [2]–[4]

Hình 4.1 Hệ thống 24 bus IEEE-RTS

Bảng 4.1 Dữ liệu nút lưới điện IEEE 24 nút RTS

Cấp điện áp Điện áp lớn nhất (p.u.) Điện áp nhỏ nhất (p.u.)

Bảng 4.2 Dữ liệu nhánh lưới điện IEEE 24 nút RTS

STT Từ nút Đến nút

B (p.u.) công suất định mức (MW)

Bảng 4.3 Dữ liệu máy phát lưới điện IEEE 24 nút RTS

Giải thuật MFMC cải tiến

Bài báo này đề xuất cải tiến giải thuật MFMC bằng cách tính toán trào lưu công suất tối ưu ngay từ bước đầu tiên và bổ sung hệ số phụ tải trong điều kiện bước cắt Mặt cắt tối thiểu được xác định dựa trên tổng công suất định mức các nhánh và nguồn, tuy nhiên, việc không xem xét phân bố công suất truyền có thể dẫn đến thiếu sót trong quá trình giải quyết tắc nghẽn Độ dự trữ của đường dây là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá khả năng quá tải và ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của thuật toán Trong giải thuật MFMC cải tiến, việc xem xét độ dự trữ giúp xác định mặt cắt tối thiểu qua đường dây nghẽn mạch, từ đó nâng cao khả năng điều phối chống nghẽn cho hệ thống điện.

Trong giải thuật MFMC ban đầu, phần tử a i j trong ma trận tổng thông lượng A n n( x ) thể hiện công suất định mức truyền trên nhanh (i j) theo công thức (2) Tuy nhiên, trong giải thuật MFMC cải tiến, phần tử a i j được thay thế bằng phần tử mới b i j, dựa trên công thức (3) với P ij là công suất thực truyền trên lưới điện sau khi áp dụng thuật toán phân bố công suất Việc này cho phép ma trận tổng thông lượng được cập nhật, phản ánh chính xác hơn về độ dự trữ.

(1P ij /P max, ij ) đường dây Hệ số tỷ trọng  thể hiện mức độ tham gia của yếu tố công suất được phân bố trên các nhánh

1 ij 1 ij i j i j ij ij ij

Khi áp dụng độ dự trữ vào giải thuật MFMC cải tiến, mức độ tham gia của các nhánh với tỷ lệ phân bố công suất cao sẽ được ưu tiên, đặc biệt là những tuyến đường dây đang quá tải Điều này dẫn đến việc mặt cắt tối thiểu sẽ phản ánh các nút thắt cổ chai, bao gồm cả những nhánh có công suất truyền tải lớn.

Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật MFMC cải tiến

Áp dụng giải thuật MFMC cải tiến xác định vị trí và công suất của ES

Có nhiều phương pháp để giải bài toán tối ưu, bao gồm cả phương pháp toán học và phương pháp metaheuristic Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng Tuy nhiên, việc tìm kiếm cực trị toàn cục một cách nhanh chóng vẫn là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học, đặc biệt là trong nghiên cứu các hệ thống điện quy mô lớn.

Khi hệ thống mở rộng với nhiều nút, các thuật toán tối ưu cần nhiều thời gian tính toán do không gian tìm kiếm gia tăng Vấn đề chính là nhanh chóng xác định các ứng viên tiềm năng trong trường hợp xảy ra nghẽn mạch, vì không phải tất cả các đường dây đều quá tải mà chỉ một số ít Thuật toán dò tìm điểm nghẽn trong hệ thống truyền tải điện là một giải pháp hiệu quả; nếu mặt cắt tối thiểu chứa nhánh quá tải, các nút trên nhánh này sẽ là ứng viên tiềm năng cho việc xử lý nghẽn mạch Việc áp dụng giải thuật MFMC cải tiến sẽ giúp giới hạn đáng kể không gian tìm kiếm, từ đó tìm ra cực trị toàn cục nhanh hơn.

Hình 4.3 với các bước xác định vị trí và công suất ES được thể hiện chi tiết như sau:

Để bắt đầu, bạn cần nhập thông số hệ thống IEEE 24 bus vào chương trình mô phỏng Việc cung cấp đầy đủ thông số này là cần thiết để chương trình có thể tiến hành tính toán và đưa ra các số liệu chính xác.

Bước 2 trong quá trình nghiên cứu là thực hiện phân bố công suất trên các nhánh của hệ thống điện Để tính toán phân bố công suất cho lưới điện mô phỏng, luận văn sử dụng phần mềm Matpower 6.0, một công cụ hiệu quả trong việc phân tích và tối ưu hóa lưới điện.

Bước 3 trong quá trình xây dựng hệ thống điện là xác định ma trận tổng lưu lượng Bằng cách kết hợp công suất truyền tải thực tế của từng đường dây với công suất định mức của chúng, ta có thể tính toán độ dự trữ còn lại Thông số này sẽ được cộng thêm vào công suất định mức để xác định tổng lưu lượng khả dụng của hệ thống điện, như được thể hiện trong công thức (3).

 Bước 4: Tìm mặt cắt tối thiểu bằng giải thuận MFMC cải tiến như đã trình bày trên lưu đồ

Các nút liên kết với các đường dây trong mặt cắt tối thiểu sẽ trở thành các nút tiềm năng, được đánh số từ N1 đến Nn Trong bước này, giá trị công suất ES nhỏ nhất và lớn nhất được khởi tạo để kết nối lên lưới, với thông số công suất ES được cung cấp bởi nhà sản xuất Nút bắt đầu tìm kiếm được chọn là nút 1.

 Bước 5: Nhập thông số IEEE 24 bus với công suất tải tăng 35%, Gắn ES có giá trị P ES vào nút i Chạy phân bố công suất cho hệ thống mới

Bước 6 yêu cầu kiểm tra tình trạng nghẽn của các đường dây Nếu phát hiện có nghẽn mạch, hãy ghi lại kết quả và tiếp tục với bước 7 Nếu hệ thống không bị nghẽn, điều này cho thấy vị trí và dung lượng của bộ ES đã được chọn phù hợp để chống nghẽn Lúc này, bạn có thể chuyển sang bước 10 để lưu dữ liệu và thoát khỏi chương trình.

Bước 7: Kiểm tra xem tất cả các nút tiềm năng trên hệ thống đã được thế hết chưa Nếu chưa, và nút được thế vào vẫn chưa đạt đến nút n, hãy chuyển sang bước 8 để thực hiện lại cho nút tiếp theo Ngược lại, nếu đã thế hết các nút, hãy chuyển sang bước 9 để thực hiện cho một mức công suất ES mới.

 Bước 8: Tăng thứ tự nút tiềm năng cần gắn ES vào để thực hiện lại quá trình kiểm tra nghẽn mạch với việc thực hiện lại bước 5

 Bước 9: Tăng công suất ES lên để thực hiện lại việc xác định dung lượng

Bước 11 yêu cầu kiểm tra dung lượng ES đã gắn so với dung lượng tối đa cho phép Nếu dung lượng thực tế vẫn thấp hơn giá trị cực đại, cần tiếp tục kiểm tra tình trạng nghẽn mạch của hệ thống với dung lượng mới Ngược lại, nếu công suất ES vượt quá giá trị định mức, điều này cho thấy không tìm thấy dung lượng phù hợp để chống nghẽn mạch Trong trường hợp này, dữ liệu sẽ được lưu lại và chương trình sẽ thoát Quá trình xác định vị trí và dung lượng sẽ cho ra giá trị dung lượng tối thiểu trong dãy cho phép và vị trí gắn phù hợp Nếu dung lượng không đủ, sẽ được ghi nhận và điều chỉnh cho các lần định vị sau Việc giới hạn vị trí tiềm năng mà không quét hết các nút trên hệ thống giúp tăng tốc độ thực thi chương trình, giảm thiểu số lượng tính toán cho hệ thống lớn.

1 Nhập thông số mô hình IEEE 24 bus.

2 Chạy phân bố công suất bằng Matpower 6.0

3 Xây dựng ma trận công suất truyền dẫn cho MFMC cải tiến

4 Thực thi chương trình MFMC với ma trận tổng lưu lượng mới.

Xác định N nút tiềm năng trên mặt cắt tối thiểu N 1 ,N 2 , ,N n

5 Nhập thông số IEEE 24 bus với công suất tải tăng 35%

Gắn ES có giá trị P ES vào nút i.

Chạy phân bố công suất cho hệ thống mới

Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán MFMC cải tiến xác định công suất và vị trí ES

Kết quả tính toán phân bố công suất khi tăng tải

Khảo sát hệ thống điện 24 bus IEEE RTS cho thấy khi phụ tải tăng dần đều, hệ thống bắt đầu bị nghẽn mạch tại nhánh 6-10 khi đạt 20% tải, và tiếp tục tắc nghẽn tại nhánh 11-13 khi tải đạt 40% Các bảng số liệu dưới đây trình bày cụ thể kết quả phân bố công suất của hệ thống khi tải đạt 120%, 130%, 135% và 140% công suất chuẩn trên lưới RTS.

Khi tải tăng lên 20%

Khi công suất tải tăng hơn 20% so với chuẩn RTS, hệ thống sẽ chỉ điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của tất cả các nút tăng thêm 20% Các thông số khác sẽ được giữ nguyên để đảm bảo các ràng buộc trong quá trình vận hành.

Kết quả tính toán phân bố công suất dựa trên Matpower 6.0 được thể hiện trong

Bảng 4.5 Kết quả phân bố công suất cho thấy nhánh 6-10 bắt đầu nghẽn khi nó mang 99,5% công suất định mức đường dây

Bảng 4.4 Thông số tải tại các nút khi tải tăng 20%

Bảng 4.5 Công suất truyền trên các đường dây khi tăng tải 20%

STT Từ nút Đến nút công suất định mức (MVA)

Khi công suất tải tăng hơn 30% so với chuẩn RTS, như thể hiện trong Bảng 4.6, hệ thống chỉ tăng công suất tác dụng và công suất phản kháng của tất cả các nút thêm 30% Các thông số còn lại được giữ nguyên để đảm bảo các ràng buộc trong vận hành.

Kết quả tính toán phân bố công suất từ Matpower 6.0 được trình bày trong Bảng 4.7, cho thấy nhánh 6-10 bị nghẽn khi mang 107.1% công suất định mức của đường dây.

Khi công suất tải tăng hơn 35% so với tiêu chuẩn RTS, hệ thống sẽ chỉ điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng của tất cả các nút tăng thêm 35% Các thông số khác sẽ được giữ nguyên để đảm bảo các ràng buộc trong quá trình vận hành.

Kết quả tính toán phân bố công suất được thể hiện trong

Bảng 4.9 chỉ ra rằng nhánh 6-10 đã bị nghẽn khi đạt 111% công suất định mức, trong khi nhánh 11-13 cũng bắt đầu xuất hiện dấu hiệu nghẽn với 96.7% công suất định mức.

Khi tăng tải lên 35% thì đường dây 6-10 đã bị nghẽn mạch với 111% Như vậy cần có giải pháp xóa nghẽn cho đường dây trên.

Khi công suất tải tăng hơn 40% so với chuẩn RTS, các thông số trong hệ thống sẽ chỉ tăng công suất tác dụng và công suất phản kháng của tất cả các nút thêm 40% Các thông số khác sẽ được giữ nguyên để đảm bảo các ràng buộc trong vận hành Thông tin này được thể hiện trong Bảng 4.10.

Kết quả tính toán phân bố công suất được thể hiện trong

Bảng 4.11 chỉ ra rằng nhánh 6-10 gặp tình trạng nghẽn khi đạt 115% công suất định mức, trong khi nhánh 11-13 cũng bị nghẽn khi công suất đạt 109% so với mức định mức của đường dây.

So sánh MFMC truyền thống và cải tiến trên hệ thống 24 bus IEEE

Khi phụ tải hệ thống tăng lên 1,35 lần so với chuẩn RTS, hệ thống gặp tình trạng quá tải tại nhánh 6-10 Sử dụng giải thuật MFMC truyền thống và cải tiến, chúng ta có thể xác định mặt cắt tối thiểu qua các nhánh như được trình bày trong Bảng 4.14 Kết quả này được thu thập từ việc áp dụng MFMC theo các phương pháp được mô tả trong Bảng 4.12 và 4.13.

Phân bố công suất bằng Matpower 6.0 trong Bảng 4.9 cho thấy các nhánh 8 – 9 và 8 – 10 trong MFMC theo thuật toán truyền thống đang ở trạng thái non tải với mức 55% và 44% Ngược lại, nhánh 6 – 10 lại bị bỏ sót dù đang quá tải với mức 111% Tuy nhiên, khi áp dụng MFMC cải tiến, nhánh 6 – 10 đã được cập nhật và xử lý đúng cách.

Bảng 4.12 Ma trận tổng lưu lượng của phương pháp MFMC

Bảng 4.13 Ma trận tổng lưu lượng của phương pháp MFMC cải tiến

Bảng 4.14 Kết quả tính toán mặt cắt tối thiểu

Kết quả mặt cắt tối thiểu đi qua các nhánh

Xác định vị trí và công suất ES trên hệ thống 24 bus IEEE

Khi sử dụng thuật toán xác định vị trí và dung lượng ES chống nghẽn mạch hệ thống điện như đề xuất trong

Kết quả thu được, như thể hiện trong Bảng 4.15, là từ giải thuật dò không thuật toán, trong đó các giá trị khác nhau của ES được áp dụng vào từng nút trong hệ thống để kiểm tra tình trạng nghẽn mạch trên các đường dây.

Bảng 4.15 Kết quả xác nhận nghẽn mạch khi gắn ES

Dung lƣợng ES (MW) Nút lắp ES

Trong nghiên cứu tổng quát trên hệ thống điện 24 bus IEEE, chúng tôi đã đặt nguồn ES ở từng nút trong hệ thống với công suất biến thiên từ 10 MW đến 100 MW Mục tiêu là so sánh vốn đầu tư để xác định vị trí và công suất ES tối ưu, dẫn đến việc tính toán 240 trường hợp khác nhau Kết quả được trình bày trong Bảng 4.15 Phần mềm Matpower 6.0, chạy trên nền tảng Matlab 2016, đã được sử dụng để áp dụng các ràng buộc phân bố công suất trên các nhánh cho 240 trường hợp, với kết quả phân bố công suất được thể hiện theo ba dạng cơ bản.

Hình 4.4 và Hình 4.5 và Hình 4.6, theo đó:

 Dạng 1: ES đặt tại các nút 3-24 ngoại trừ nút 6 và 2 như

 Hình 4.4 phân bố công suất trên hệ thống gần như thay đổi không đáng kể nên không thể giải quyết tắc nghẽn

Khi ES được đặt tại nút 2, tắc nghẽn trong hệ thống giảm dần theo biểu thức ràng buộc công suất truyền tải Khi công suất nguồn ES đạt từ 100 MW trở lên, tắc nghẽn sẽ được giải quyết hoàn toàn.

Khi đặt ES tại nút 6 như Hình 4.6, phân bố công suất trên nhánh quá tải giảm nhanh chóng nhờ vào nguồn ES trong hệ thống Kết quả cho thấy, sau 4 lần thay đổi công suất tương ứng với công suất nguồn ES là 40 MW, tình trạng tắc nghẽn đã được giải quyết hiệu quả.

Hình 4.4 Thay đổi công suất khi ES đặt tại nút 16

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết luận

Luận văn trình bày phương pháp xác định vị trí và dung lượng bộ trữ năng lượng nhằm nâng cao công suất truyền tải của hệ thống điện Phương pháp này sử dụng thuật toán mặt cắt tối thiểu cải tiến để chống nghẽn mạch trong trường hợp phụ tải tăng lên Qua nghiên cứu, một số kết luận quan trọng đã được rút ra.

Sử dụng hàm Matpower và thuật toán mặt cắt tối thiểu giúp xác định vị trí và dung lượng bộ trữ năng để chống quá tải đường dây trong bối cảnh vận hành tăng tải trong tương lai.

− Xây dựng được mô hình toán cho dung lượng bộ trữ năng

− Xác định được dung lượng bộ trữ năng trên các nút nhằm cứu nhánh khỏi hiện tượng quá tải

− Mô phỏng trên hệ thống điện mẫu 24 nút IEEE

− Giải thuật sử dụng có tính khoa học và ứng dụng cao trong nghiên cứu vận hành hệ thống điện

− Khảo sát xác định vị trí của bộ trữ năng trên lưới điện với điều kiện gia tăng phụ tải trong tương lai.

Hướng phát triển của đề tài

Để nâng cao công suất truyền tải của hệ thống điện, luận văn đã đề xuất phương pháp xác định vị trí và dung lượng bộ trữ năng lượng bằng thuật toán mặt cắt tối thiểu cải tiến, nhằm chống nghẽn mạch trong trường hợp phụ tải tăng Qua nghiên cứu, một số kết luận quan trọng đã được rút ra.

Sử dụng hàm Matpower và thuật toán mặt cắt tối thiểu để xác định vị trí và dung lượng của bộ trữ năng, nhằm chống quá tải đường dây trong bối cảnh vận hành tăng tải trong tương lai.

− Xây dựng được mô hình toán cho dung lượng bộ trữ năng

− Xác định được dung lượng bộ trữ năng trên các nút nhằm cứu nhánh khỏi hiện tượng quá tải

− Mô phỏng trên hệ thống điện mẫu 24 nút IEEE

− Giải thuật sử dụng có tính khoa học và ứng dụng cao trong nghiên cứu vận hành hệ thống điện

− Khảo sát xác định vị trí của bộ trữ năng trên lưới điện với điều kiện gia tăng phụ tải trong tương lai

Đinh Ngọc Sang cùng các tác giả đã công bố bài viết “Xác định vị trí và công xuất nguồn trữ năng trong hệ thống điện sử dụng giải thuật Min – Cut cải tiến” trên Tạp chí phát triển khoa học và công nghệ kỹ thuật, số 3(1), tháng 3 năm 2020, trang 339 - 351 Bài viết tập trung vào việc áp dụng giải thuật Min – Cut cải tiến để xác định vị trí và công suất của nguồn trữ năng trong hệ thống điện, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và sử dụng năng lượng.

[2] M Kazerooni and T J Overbye, “Incorporating the geomagnetic disturbance models into the existing power system test cases,” in 2017 IEEE Power and Energy Conference at Illinois (PECI), Feb 2017, pp 1–6, doi:

The IEEE Reliability Test System-1996, developed by the Reliability Test System Task Force of the Application of Probability Methods Subcommittee, is detailed in a report by C Grigg et al This report, published in the IEEE Transactions on Power Systems, volume 14, issue 3, pages 1010 and onwards, provides essential insights into reliability testing in power systems.

[4] N Padmini, P Choudekar, and M Fatima, “Transmission Congestion

Management of IEEE 24-Bus Test System by Optimal Placement of TCSC,” in 2018 2nd IEEE International Conference on Power Electronics, Intelligent Control and Energy Systems (ICPEICES), Oct 2018, pp 44–49, doi:

[5] J Contreras and F F Wu, “A kernel-oriented algorithm for transmission expansion planning,” IEEE Trans Power Syst., vol 15, no 4, pp 1434–1440,

[6] A J C Pereira and J T Saraiva, “Generation expansion planning (GEP) – A long-term approach using system dynamics and genetic algorithms (GAs),” Energy, vol 36, no 8, pp 5180–5199, Aug 2011, doi:

[7] S Kannan, S M R Slochanal, and N P Padhy, “Application and

Comparison of Metaheuristic Techniques to Generation Expansion Planning Problem,” IEEE Trans Power Syst., vol 20, no 1, pp 466–475, Feb 2005, doi: 10.1109/TPWRS.2004.840451

[8] A Bhuvanesh, S T J Christa, and S Kannan, “Electricity Generation

Expansion Planning for Tamil Nadu Considering Greenhouse

Gassesemission,” Asian J Res Soc Sci Humanit., vol 7, no 3, p 264, 2017, doi: 10.5958/2249-7315.2017.00170.8

[9] N E Koltsaklis and A S Dagoumas, “State-of-the-art generation expansion planning: A review,” Appl Energy, vol 230, no July, pp 563–589, Nov

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NGUỒN TRỮ NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TRUYỀN TẢI SỮ DỤNG GIẢI THUẬT MAX – FLOW – MIN – CUT CẢI TIẾN

DETERMINE LOCATE ENEGY SOURCES IN POWER TRANSMISSION

SYSTEMS USING AN IMPROVED MFMC ALGORITHM

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Phát triển nguồn trữ năng để cung cấp năng lượng giá rẻ và ngược lại cho hệ thống điện với giá cao đang thu hút sự chú ý Một thách thức lớn là chọn vị trí thích hợp cho nguồn trữ năng Thuật toán Max-Flow-Min-Cut (MFMC) đã được áp dụng để xác định vị trí TCSC nhằm quản lý tắc nghẽn, nhưng vẫn còn một số hạn chế Bài báo này cải tiến thuật toán MFMC kết hợp với thuật toán heuristic để loại bỏ tắc nghẽn Kết quả mô phỏng trên hệ thống điện chuẩn 24 bus IEEE cho thấy tính khả thi của phương pháp xác định vị trí và công suất của nguồn trữ năng.

Từ khóa: Hệ thống điện, vị trí thích hợp, nguồn trữ năng, thuật toán heuristic, thuật toán mặt cắt tối thiểu

The development of cost-effective energy storage solutions and backup power systems is crucial in today's high-priced electricity market A significant challenge lies in selecting optimal locations for these energy sources The Max-Flow-Min-Cut (MFMC) algorithm has been utilized to identify congested branches for effective congestion management; however, it has certain limitations This paper aims to enhance the MFMC algorithm to more efficiently address congestion issues, integrating a heuristic approach Simulation results demonstrate the method's feasibility in determining the optimal positions and power reserves within the IEEE 24-bus standard power system.

Keywords: Electrical system, proper location, power source, heuristic algorithm, minimum cross section algorithm

Quy hoạch phát triển điện và nguồn trữ năng

Trong quy hoạch phát triển hệ thống điện, việc tối ưu hóa là yếu tố quan trọng nhất để đạt được các mục tiêu nghiên cứu Có nhiều vấn đề cần giải quyết, trong đó quy hoạch mở rộng nguồn (GEP) đóng vai trò then chốt trong việc đưa ra các giải pháp quy hoạch cơ bản.

Xét về quy hoạch dài hạn, TEP vẫn là giải pháp cần thiết để giải quyết vấn đề quy hoạch hệ thống điện, nhưng không phải lúc nào cũng là lựa chọn tốt nhất để xử lý quá tải, tắc nghẽn hoặc nâng cao độ tin cậy Nhược điểm chính của TEP là chi phí cao và hạn chế về số lượng đường dây có thể mở rộng trên một trụ hiện có, cũng như yêu cầu đền bù nếu xây dựng đường dây mới Bên cạnh đó, các thiết bị FACTS và giải pháp GEP với công nghệ mới hơn cũng cần được xem xét Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng và không phải phương pháp nào cũng có thể thay thế cho nhau Gần đây, nguồn năng lượng tái tạo như điện gió và năng lượng mặt trời đã được tích hợp vào hệ thống điện, mở ra nhiều cơ hội mới.

Nguồn năng lượng tái tạo đang phát triển nhanh chóng và phổ biến trên toàn cầu, nhưng thời gian phát điện của chúng không đồng bộ với nhu cầu tiêu thụ điện, dẫn đến tình trạng thừa điện khi nhu cầu thấp và thiếu điện khi nhu cầu cao Để khắc phục vấn đề này, việc sử dụng nguồn điện trữ năng (ES) là một giải pháp thiết yếu, cho phép bơm năng lượng vào hệ thống điện khi cần thiết ES có khả năng cung cấp năng lượng trong thời gian quá tải, đảm bảo hệ thống điện hoạt động ổn định mà không cần nâng cấp Ngoài ra, ES còn cải thiện khả năng truyền tải và giảm tắc nghẽn cho hệ thống, nâng cao hiệu quả vận hành và độ tin cậy Các công nghệ trữ năng thương mại hiện nay chủ yếu là pin, với nhiều loại khác nhau dựa trên dung môi và vật liệu điện cực Bên cạnh đó, công nghệ flywheels và supercapacitors cũng được sử dụng để ổn định công suất trong thời gian ngắn, cùng với các hệ thống trữ năng Pumped Hydro.

Compressed Air có công suất lớn và khả năng trữ năng lượng cao, được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điện Mỗi công nghệ trữ năng phục vụ cho những mục đích khác nhau, đặc biệt là trong bối cảnh phát triển nguồn năng lượng tái tạo Tuy nhiên, khi quy hoạch GEP cho nguồn ES, cần xem xét vị trí lắp đặt và công suất của nguồn để đảm bảo hiệu quả tối ưu trong hệ thống lưới điện.

Cơ sở lý thuyết mặt cắt tối thiểu

Mạng có đồ thị có hướng G = (V, E) bao gồm một đỉnh phát A không có cung đi vào và một đỉnh thu B không có cung đi ra Giá trị của luồng trong mạng được xác định bằng tổng luồng trên các cung đi ra khỏi đỉnh phát bằng tổng luồng trên các cung đi vào đỉnh thu.

Lát cắt (X, Y) là cách phân chia tập đỉnh V của mạng thành hai tập rời nhau, trong đó X chứa đỉnh phát A và Y chứa đỉnh thu B Khả năng thông qua của lát cắt (X, Y) được tính bằng tổng khả năng thông qua của các cung (u, v) với u thuộc X và v thuộc Y Lát cắt có khả năng thông qua nhỏ nhất được gọi là lát cắt hẹp nhất (Min cut) Theo định lý Ford-Fulkerson, giá trị luồng cực đại trên mạng tương đương với khả năng thông qua của lát cắt hẹp nhất.

Vậy bài toán mặt cắt tối thiểu là bài toán đi tìm lát cắt có luồng nhỏ nhất

The "min cut" algorithm developed by Mechtild Stoer and Frank Wagner is based on the Ford-Fulkerson theorem, which establishes a method for determining the minimum cut in a flow network.

"Min cut" là phương pháp xác định lát cắt nhỏ nhất trong mạng, bằng cách phân chia tập hợp các đỉnh thành hai phần riêng biệt Trọng số của lát cắt được tính bằng tổng trọng số của các cạnh mà lát cắt đó đi qua.

Thuật toán Cho đồ thị vô hướng G = (V, E), với V là tập đỉnh, E tập cạnh và mỗi cạnh e có trọng số dương w(e)

Để xây dựng tập A các đỉnh đồ thị, bắt đầu với một đỉnh đơn tùy ý và tiếp tục cho đến khi A = V Trong mỗi bước, thêm vào A đỉnh kết nối mạnh nhất với trọng số lớn nhất, ghi lại bước cắt và rút lại G bằng cách cộng hai đỉnh được thêm vào cuối cùng.

Tiêu đề	Optimal Location and Capacity of Energy Storage in Electricity Development Planning
Tác giả	Lê Minh Thanh
Người hướng dẫn	PGS.TS Trương Việt Anh
Trường học	University of Science and Technology
Chuyên ngành	Electrical Engineering
Thể loại	thesis
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Hanoi

Định dạng
Số trang	70
Dung lượng	2,38 MB