BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHƯƠNG PHÁP HEURISTIC TỐI ƯU PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành : Thiết bị mạng nhà máy điện Mã số ngành : 60 52 50 TP HỒ CHÍ MINH - 08/2015 NỘI DUNG BÁO CÁO OPF TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MBA tăng áp MBA giảm áp Đường dây Máy phát điện Phụ tải Nghiên cứu toán OPF Nghiên cứu toán ED (Economic Dispatch) (Optimal Power Flow)  OPF tốn lập trình tốn học phi tuyến sử dụng rộng rãi vận hành hệ thống nhà máy  OPF sử dụng tất biến điều khiển nhằm tối thiểu chi phí vận hành hệ thống đảm bảo an ninh hệ thống TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI  Vào năm 1962, Carpentier bắt đầu tìm hiểu tốn OPF  Có nhiều kỹ thuật tốn học khác sử dụng để giải toán OPF Phương pháp lặp Lambda (equal incremental cost interion - EICC) Phương pháp Newton Được đề cập D I Sun, B Ashley, B Brewer, A Hughes − − − − Khá nhạy với giá trị ban đầu lambda Thường hội tụ đến lời giải cực trị địa phương phân kỳ Có nhiều ràng buộc khơng cân Khá nhạy với điều kiện ràng buộc ban đầu W F Tinney [10] Nghiệm suy đưa số Phương pháp lập trình tuyến tính − − Nhanh tin cậy Xấp xỉ chi phí tuyến tính đoạn Cần phải đơn giản hóa ràng buộc để chắn lời giải hội tụ Được đề cập O Alsac, J Bright, M Prais B Stott [11] ràng buộc số luật Phương pháp điểm nội Được đề cập Y Wu, A S Debs R E Marsten [12] − − Chuyển ràng buộc không cân sang ràng buộc cân Nếu chọn khơng xác step size khơng thể xác định lời giải MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU MBA tăng áp MBA giảm áp Đường dây Máy phát điện Phụ tải Nghiên cứu toán ED Nghiên cứu toán OPF dựa phương pháp Newton Heuristic giải toán OPF Điểm (Nghiệm suy đưa số ràng buộc số luật) Mơ OPF có quan tâm đến ràng buộc (Trong môi trường PowerWorld) ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện mẫu (có nút) Các phụ tải tiêu thụ Giới hạn đề tài: Các nhà máy điện   Mạng điện Các trạm tăng áp Các trạm giảm áp Các khóa điện Các trạm bù Phần nguồn xét đến nhà máy nhiệt điện Xem biến tỉ số đầu phân áp góc lệch pha máy biến áp biến liên tục Nghiên cứu toán OPF chế độ xác lập, mạng điện đối xứng (Không quan tâm đến vấn đề ổn định độ, ổn định động, phân tích cố xác lập) Tải không thay đổi theo thời gian NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Chương 1: LÝ THUYẾT VẬN HÀNH KINH TẾ CÁC TỔ MÁY  ED _ Bỏ qua tổn thất không hạn chế điện phát Chương 2: OPF DỰA VÀO PHƯƠNG PHÁP NEWTON  ED _ Kể đến tổn thất công suất Chương BÀI TỐN OPF 3: HEURISTIC Phát biểu bàiGIẢI tốn OPF  Nguồn gốc công thức tổn thất công suất HTĐ  Phân biến OPF  loại Khai triển Lagrang, Gradient Hessian  Giải thuật vận hành kinh tế hệ thống - econdispatch Chương OPFma TRONG POWERWORLD 4: MÔ Thực thi kỹ thuật trận thưa  PHỎNG Ứng dụng ràng buộc khơng cân vào tốn OPF   Giới thiệu phần mềm PowerWorl Giải thuật xác định hệ số tổn thất - cobloss  Xác định ràng buộc  Phương pháp giảikhông cân  Tổng quan về OPF PowerWorld Giải thuật tính tổng chi phí sản xuất - togencost  Đề xuất luật cho tốn OPF cơng  Các Ứng dụng phương pháp Newton vào OPF cụ PowerWorld    Thuật tốn Các bước xây dựng mơtìm hìnhkiếm  Mô Mô OPF theo thời gian + OPF loại bỏ tải đường dây + OPF xác định giá P giá Q + OPF xác định giá P vùng + OPF xác định giá truyền tải thơng qua SRMC + OPF có thay đổi đầu phân áp MBA để điều khiển U + OPF có thay đổi đầu phân áp MBA để điều khiển Q qua MBA NGHIỆM SUY CÁC RÀNG BUỘC CHO BÀI TOÁN OPF  Pint erchange − Vscheduled int erchange = Ràng buộc cứng: t km ≤ t km ≤ t km max α km ≤ α km ≤ α km max Load Load 2 S km − S km max ≤ Pk = Qk = VGi − VGisetpoint = PGi ≤ PGi ≤ PGi max QGi ≤ QGi ≤ QGi max VÙNG P23int VÙNG Phụ tải Vi ≤ Vi ≤ Vi max P12int P13int Phụ tải VÙNG +VGi: Biên độ điện áp đầu cực máy phát thứ i +VGisetpoint: Điện áp cài đặt chuẩn +Skm: Dòng cơng suất biểu kiến từ nút k đến nút m +PGi: Công suất tác dụng phát nút thứ i +QGi: Công suất phản kháng phát nút thứ i +tkm: Tỉ số đầu phân áp MBA nút k m +αkm: Góc lệch pha MBA nút k m +Vi: Biên độ điện áp nút i +Pk: Công suất tác dụng bơm vào nút k +Qk: Công suất phản kháng bơm vào nút k Load Hình 4.2 Hệ thống nhiều vùng có giao dịch vùng +Pint: Công suất tác dụng trao đổi vùng +Psched: Công suất tác dụng hoạch định trao đổi vùng NGHIỆM SUY CÁC RÀNG BUỘC CHO BÀI TOÁN OPF   Ràng buộc mềm cho Vi: Giá trị hàm phạt Wi Ràng buộc mềm cho Skm: Giá trị hàm phạt Wkm Wi = k (Vi − Vi ) Wi = k (Vi − Vi max ) Vimin Hình 4.3 Hàm phạt điện áp nút Với : k = $200/V ( Wkm = k S km − S km max ) 2 Vimax Vi S km max S km Hình 4.4 Hàm phạt giới hạn dòng MVA đường dây Với : k = $100/MVA PHÁT BIỂU BÀI TOÁN OPF Minimize: Chi phí sản xuất máy phát f ( x) = Hàm phạt ∑ (ai + bi PGi + ci PGi ) + generators ∑W + ∑W i penalties km penalties (ai, bi, ci: Các hệ số đường cong chi phí bậc hai máy phát.) Ràng buộc cân bằng: Pk =   Qk =  h( x ) = ⇒   Vi − Viset =   Pint − Pscheduled=0 Ràng buộc không cân bằng:  PGi − PGi max ≤ g ( x) ≤ ⇒   PGi − PGi ≤ Vi − Vi max ≤  Vi − Vi ≤ and S km − S km max  t km − t km max ≤ t  km − t km ≤ ≤ and  α km − α km max ≤ α km − α km ≤ OPF LOẠI BỎ QUÁ TẢI TRÊN ĐƯỜNG DÂY  So sánh thông tin kinh tế cho chế độ vận hành: Hình thức vận hành Vận hành Part.Generator Vận hành ED Vận hành OPF Tổng chi phí tính theo [$/hour] 8019.04 7825.89 7910.08 Bảng 6.89 Tổng kết thông tin kinh tế hệ thống nút, vùng Nhận xét:  Tổng chi phí mơ OPF cao so với mô ED thấp so với trường hợp điều khiển Part AGC  Bài tốn OPF có khả tối thiểu tổng chi phí vận hành hệ thống đảm bảo yêu cầu an ninh MÔ PHỎNG OPF XÁC ĐỊNH GIÁ P TẠI CÁC NÚT  OPF Slimit(4,5) 50MVA:  OPF Slimit(4,5) bằng100MVA: demo 2.1 demo 2.2 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level Hình 6.4 Hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF, giới hạn đường dây từ nút đến nút Hình 6.5 Hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF, giới hạn đường dây từ nút đến nút 50MVA 100MVA Nhận xét:   Tổng chi phí sản xuất hệ thống có đường dây khơng bị tới hạn nhỏ tổng chi phí tổng chi phí hệ thống có đường dây bị tới hạn Chi phí biên MW nút nút giảm giới hạn mang tải đường dây từ nút đến nút tăng từ 50MW lên 100MW Chi phí biên MW nút tăng MÔ PHỎNG OPF XÁC ĐỊNH GIÁ P TRONG HỆ THỐNG NHIỀU VÙNG  OPF trường hợp vùng khơng thực giao dịch: demo 3.1 Hình 6.6 Hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF, giao dịch MW Area Num Area Name Gen MW Load MW Tot Sched MW Int MW ACE MW Lambda Loss MW AREA ONE 302.86 300 0 16.66 2.86 AREA TWO 302.91 300 0 12.88 2.91 Bảng 6.14 Thông tin vùng hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF Nhận xét:   Hai vùng tự cung cấp đủ tải có kể đến tổn thất điện cho vùng Điện vùng rẻ điện vùng 1(mua điện từ vùng có lợi hơn) MƠ PHỎNG OPF XÁC ĐỊNH GIÁ P TRONG HỆ THỐNG NHIỀU VÙNG Trao đổi 50 MW: Trao đổi 55 MW: demo 3.2 demo 3.3 Hình 6.7 Hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF, giao dịch 50MW Area Gen Load Tot Sched Int ACE Num MW MW MW MW MW 252.84 300 -50 -50 354.01 300 50 50 Bảng 6.18 Thông tin vùng hệ thống nút, vùng, giao dịch 50 MW Hình 6.8 Hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF, giao dịch 55MW Loss Area Gen Load Tot Sched Int ACE MW Num MW MW MW MW MW 15.66 2.84 247.99 300 -55 -55 15.93 2.99 13.07 4.01 359.14 300 55 55 13.57 4.14 Lambda Bảng 6.23 Thông tin vùng hệ thống nút, vùng, giao dịch 55 MW Lambda Loss MW MÔ PHỎNG OPF XÁC ĐỊNH GIÁ P TRONG HỆ THỐNG NHIỀU VÙNG Trao đổi 60 MW: Trao đổi 65 MW: demo 3.4 demo 3.5 Hình 6.9 Hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF, giao dịch 60MW Area Gen Load Tot Sched Int ACE Num MW MW MW MW MW 243.21 300 -60 -60 364.67 300 60 60 Bảng 6.28 Thông tin vùng hệ thống nút, vùng, giao dịch 60 MW Hình 6.10 Hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF, giao dịch 65MW Loss Area Gen Load Tot Sched Int ACE MW Num MW MW MW MW MW 15.92 3.21 238.44 300 -65 -65 15.92 3.44 13.6 4.67 370.21 300 65 65 13.63 5.21 Lambda Bảng 6.33 Thông tin vùng hệ thống nút, vùng, giao dịch 65 MW Lambda Loss MW MÔ PHỎNG OPF XÁC ĐỊNH GIÁ P TRONG HỆ THỐNG NHIỀU VÙNG Trao đổi 70 MW: Trao đổi 75 MW: demo 3.6 demo 3.7 Hình 6.11 Hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF, giao dịch 70MW Area Gen Load Tot Sched Int ACE Num MW MW MW MW MW 233.77 300 -70 -70 375.89 300 70 70 Bảng 6.38 Thông tin vùng hệ thống nút, vùng, giao dịch 70 MW Hình 6.12 Hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF, giao dịch 75MW Loss Area Gen Load Tot Sched Int ACE MW Num MW MW MW MW MW 15.92 3.77 229.07 300 -75 -75.01 -0.01 16.54 4.08 13.67 5.88 381.6 300 75 75.01 0.01 14 6.6 Lambda Bảng 6.43 Thông tin vùng hệ thống nút, vùng, giao dịch 75 MW Lambda Loss MW MÔ PHỎNG OPF XÁC ĐỊNH GIÁ P TRONG HỆ THỐNG NHIỀU VÙNG Trao đổi 80 MW: demo 3.8 Hình 6.13 Hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF, giao dịch 80 MW Area Num Area Name Gen MW Load MW Tot Sched MW Int MW ACE MW Lambda Loss MW AREA ONE 224.39 300 -80 -80.01 -0.01 16.54 4.4 AREA TWO 387.39 300 80 80.01 0.01 14.04 7.38 Bảng 6.48 Thông tin vùng hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF, giao dịch 80 MW MÔ PHỎNG OPF XÁC ĐỊNH GIÁ P TRONG HỆ THỐNG NHIỀU VÙNG  Tổng kết trường hợp giao dịch hệ thống nút, vùng: Cơng suất giao dịch Chi phí vùng [$/hr] Chi phí vùng [$/hr] Tổng chi phí 4553.45 3505.15 8058.6 50 3765.95 4147.47 7913.42 55 3687.71 4213.63 7901.34 60 3611.16 4285.69 7896.85 65 3535.36 4360.72 7896.08 70 3461.8 4440.28 7902.08 75 3388.32 4523.11 7911.43 80 3315.74 4609.73 7925.47 Bảng 6.53: Bảng tổng kết trường hợp giao dịch hệ thống nút, vùng  Nhận xét: Khi hai vùng giao dịch 65MW tổng chi phí sản xuất hệ thống bé MÔ PHỎNG OPF XÁC ĐỊNH GIÁ TRUYỀN TẢI THÔNG QUA SRMC Sử dụng hệ thống nút, vùng, Plimit đường dây từ nút nút 50 MW demo 4.2 demo 4.1 Hình 6.6 Hệ thống nút, vùng, giao dịch MW Hình 6.10 Hệ thống nút, vùng, giao dịch 65 MW Generation Before BMC Before Generation BMC Pi, transaction BMCi* Pi,transaction Transaction Transaction [$/MWhr] After Transacton [MW] After Transaction [$/MWhr] [MW] [$/hr] 170 16.08 130 15.12 -40 -604.8 132.91 12.15 191.9 13.28 58.99 783.3872 132.86 16.45 108.44 15.82 -24.42 -386.3244 170 12.6 178.31 12.75 8.31 105.9525 Number SRMCtransaction =   ∑ BMC * P i i , transaction = all busesintransaction Bảng 6.54 Bảng tính chi phí biên ngắn hạn cho hệ thống nút, vùng, điều khiển OPF -101.7847 MÔ PHỎNG OPF XÁC ĐỊNH GIÁ TRUYỀN TẢI THÔNG QUA SRMC Trường hợp 2: Hệ thống nút, vùng, Plimit đường dây từ nút nút 100 MW demo 4.3 demo 4.1 Hình 6.6 Hệ thống nút, vùng, giao dịch MW Generation Before BMC Before Generation BMC Pi, transaction BMCi* Pi,transaction Transaction [MW] Transaction [$/MWhr] After Transacton [MW] After Transaction [$/MWhr] [MW] [$/hr] 170 16.08 130 15.12 -40 -604.8 132.91 12.15 170 12.86 37.09 476.9774 132.87 16.45 108.33 15.82 -24.54 -388.2228 170 12.6 199.38 13.15 29.38 386.347 Number   Hình 6.15 Hệ thống nút, vùng, giao dịch 65MW SRMCtransaction = ∑ BMC * P i i , transaction = allbusesin transaction Bảng 6.55 Bảng tính chi phí biên ngắn hạn cho hệ thống nút, vùng, đường dây từ nút đến nút 100MW -129.6984 MÔ PHỎNG OPF SỬ DỤNG ĐẦU PHÂN ÁP MBA ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP Sử dụng hệ thống có nút, máy phát, đường dây truyền tải MBA demo 5.2 demo 5.1 Hình 6.16 Hệ thống nút, khơng kích hoạt tự động thay đổi t km để điều khiển U Hình 6.17 Hệ thống nút, kích hoạt tự động thay đổi t km để điều khiển U Nhận xét: MBA có khả điều khiển điện áp đầu nhằm giảm tổng chi phí tổng tổn thất hệ thống mà đảm bảo tỷ số MBA điện áp nút giới hạn MÔ PHỎNG OPF SỬ DỤNG ĐẦU PHÂN ÁP MBA ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP Sử dụng hệ thống có nút, máy phát, đường dây truyền tải MBA demo 6.2 demo 6.1 Hình 6.18 Hệ thống nút, vùng, khơng kích hoạt tự động thay đổi đầu phân áp MBA để điều khiển dòng Q chạy qua MBA Hình 6.19 Hệ thống nút, vùng, kích hoạt tự động thay đổi đầu phân áp MBA để điều khiển dòng Q chạy qua MBA Nhận xét: Tổng chi phí hệ thống giảm 111.5 $/hr thay đổi đầu phân áp MBA để điều khiển dòng cơng suất phản kháng qua MBA ĐIỂM MỚI & GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN Điểm luận văn  Nghiên cứu lập giải thuật vận hành kinh tế máy phát, xác định hệ số tổn thất tính tổng chi phí sản xuất hệ thống  Nghiệm suy số ràng buộc toán tối ưu phân bố cơng suất số luật cho tốn OPF  Sử dụng kỹ thuật mơ hình hóa mơ để kiểm tra tốn OPF giúp hiểu rõ cách thức vận hành kinh tế hệ thống có xét đến ràng buộc thực tế phần tử hệ thống Giá trị thực tiễn luận văn  Đề tài làm tài liệu tham khảo cho quan tâm đến lĩnh vực tối ưu PBCS sử dụng để phục vụ nghiên cứu mức cao  Giới thiệu kỹ thuật mơ hình hóa mơ việc giải toán, kỹ thuật nghiên cứu phát triển đầy đủ phục vụ tốt cho công tác huấn luyện, đào tạo trợ giúp điều độ viên định vận hành kinh tế-kỹ thuật HTĐ XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN SỰ CHÚ Ý LẮNG NGHE CỦA QUÝ THẦY CÔ VÀ CÁC ANH CHỊ HỌC VIÊN LIÊN KẾT MÔ PHỎNG OPF LOẠI BỎ QUÁ TẢI TRÊN ĐƯỜNG DÂY MÔ PHỎNG OPF XÁC ĐỊNH GIÁ P TẠI CÁC NÚT MÔ PHỎNG OPF XÁC ĐỊNH GIÁ P TRONG HỆ THỐNG NHIỀU VÙNG MÔ PHỎNG OPF XÁC ĐỊNH GIÁ TRUYỀN TẢI THÔNG QUA SRMC MÔ PHỎNG OPF SỬ DỤNG ĐẦU PHÂN ÁP MBA ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MÔ PHỎNG OPF SỬ DỤNG ĐẦU PHÂN ÁP MBA ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP ... suất Chương BÀI TỐN OPF 3: HEURISTIC Phát biểu bàiGIẢI toán OPF  Nguồn gốc công thức tổn thất công suất HTĐ  Phân biến OPF  loại Khai triển Lagrang, Gradient Hessian  Giải thuật vận hành... ED Nghiên cứu toán OPF dựa phương pháp Newton Heuristic giải toán OPF Điểm (Nghiệm suy đưa số ràng buộc số luật) Mơ OPF có quan tâm đến ràng buộc (Trong môi trường PowerWorld) ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN... km penalties (ai, bi, ci: Các hệ số đường cong chi phí bậc hai máy phát.) Ràng buộc cân bằng: Pk =   Qk =  h( x ) = ⇒   Vi − Viset =   Pint − Pscheduled=0 Ràng buộc không cân bằng:  PGi