áp dụng phương pháp đơn hình quy hoạch phát triển hệ thống điện

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 03 - 2007
Trang 63

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐƠN HÌNH QUY HOẠCH PHÁT TRIỂN
HỆ THỐNG ĐIỆN
Lưu Hữu Vinh Quang
Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG – HCM
(Bài nhận ngày 02 tháng 06 năm 2006, hồn chỉnh sửa chữa ngày 09 tháng 03 năm 2007)
TĨM TẮT: Tập thơng số cấu trúc của hệ thống điện được hiểu là các thơng số liên quan đến các
nguồn phát và đường dây truyền tải điện chủ đạo. Mức cơng suất máy phát và sản lượng điện năng tối
ưu của các nhà máy điện phụ thuộc vào chi phí nhiên liệu và chi phí lắp đặt tổ máy, và đồng thời cũng
phụ thuộc vào chi phí lắp đặt đường dây, có xét khấu hao thiế
t bị và tổn thất điện truyền tải hàng năm.
Thơng thường thì bài tốn tối ưu hóa cấu trúc của hệ thống điện thuộc lớp bài tốn tối ưu đa mục tiêu
với hàm mục tiêu có dạng phi tuyến. Áp dụng phép tuyến tính hóa hàm mục tiêu cùng với các phương
trình ràng buộc dạng tuyến tính cho phép ứng dụng thuận lợi giải thuật quy hoạch tuyến tính để tối ưu
hóa cấu trúc của h
ệ thống điện. Một chương trình áp dụng phương pháp đơn hình cho phép tính tốn
cực tiểu hàm tổng chi phí quy dẫn và thỏa mãn các điều kiện ràng buộc truyền tải cơng suất, có xét mức
dự trữ cơng suất của các nút và mức dự trữ nhiên liệu để phát triển mở rộng cấu trúc hệ thống điện.
1.
GIỚI THIỆU

Mơ hình tốn quy hoạch hệ thống điện truyền tải thơng thường là loại mơ hình tổng hợp, được xem
như là một phương tiện tính tốn khởi đầu từ việc nhập các số liệu dự báo, phối hợp mở rộng tính tốn
theo một quy trình xác định trước nhằm đưa ra các phương án thiết kế tối ưu hoặc gần tối ưu. Mơ hình
tốn quy hoạch có thể thực hiện các luận lý phối h
ợp với chun gia thiết kế, các phối hợp này thường có
giới hạn ở mức hiệu chỉnh số liệu trong khi chương trình đang thi hành tính tốn. Một số phương pháp
tốn tối ưu hóa được ứng dụng nhiều trong quy hoạch mở rộng hệ thống điện, ví dụ như : quy hoạch
tuyến tính [1][2][3], quy hoạch động, quy hoạch phi tuyến, quy hoạch ngun hỗn hợp, phương pháp cận
và nhánh, cũng như các kỹ
thuật định vị, phân lập và phối hợp …Tùy theo quy trình quy hoạch mở rộng
một hệ thống điện mà mơ hình tính tốn quy hoạch hệ thống có thể áp dụng phương pháp tốn tối ưu
chặt chẽ hoặc chỉ có thể vận dụng các quy phạm kỹ thuật để áp dụng các giải pháp tính tốn ước lượng,
dẫn đến kết quả chấp nhận gần tối ưu. Thực tế áp dụ
ng một mơ hình tốn chặt chẽ sẽ cho ra một giải
pháp quy hoạch tối ưu, nhưng chỉ là tối ưu thỏa mãn các giả thiết theo thơng tin dự báo chưa đủ chính
xác trong điều kiện biến động về kỹ thuật, về tài chính và về mơi trường đầu tư.
Mơ hình quy hoạch hệ thống điện truyền tải có thể phân biệt thành loại mơ hình tĩnh hay mơ hình
động. Mơ hình tĩnh thường được áp dụng khi quy hoạ
ch hệ thống điện trong một giai đoạn duy nhất,
khơng xét đầu tư vốn lắp đặt thiết bị ở nhiều thời điểm khác nhau, chỉ xác định một tình huống phương
án tối ưu quy dẫn về một năm. Trong bài viết này chúng tơi đưa ra kết quả áp dụng mơ hình động với
phương pháp đơn hình trong việc quy hoạch phát triển mở rộng hệ thống điệ
n, xem xét vài giai đoạn đầu
tư vốn lắp đặt thiết bị trong nhiều năm, xác định phương án phát triển tối ưu của các giai đoạn khác
nhau đối với một hệ thống điện cần quy hoạch.
2.
THIẾT KẾ MỞ RỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐƠN HÌNH

2.1. Vấn đề quy hoạch thiết kế mở rộng hệ thống điện

Cơng suất điện tiêu thụ cho phát triển sản xuất hàng hóa và phục vụ nhu cầu hoạt động văn hóa xã
hội ngày càng phát triển. Quy luật phát triển tương lai của phụ tải điện được cơ quan chức năng dự báo,
quy hoạch thành bản đồ phát triển MW/km
2
của các đơn vị khu vực tiêu thụ điện tập trung. Thơng
thường các số liệu khởi đầu để giải quyết bài tốn này là các trị số P(MW) và cosj của tải điện được phát
Science & Technology Development, Vol 10, No.03 - 2007
Trang 64
triển theo thời gian tại các điểm nút trên lưới điện; Tập hợp các công trình điện hiện hữu và phương án
quy hoạch các công trình điện mới; Các đặc tính kỹ thuật của trang thiết bị điện và các chỉ số quy phạm
kinh tế –kỹ thuật, giá cả trang thiết bị và định mức chi phí vận hành. Để thiết kế mở rộng một sơ đồ hệ
thố
ng điện tương lai thì cần định hướng các phương án sơ đồ cơ sở phát triển của hệ thống mạng lưới
điện; cần chọn lựa thành phần cấu trúc và thông số của các phần tử tham gia trong sơ đồ hệ thống điện
theo từng giai đoạn quy hoạch phát triển hệ thống và xác định thời hạn hoạt động hiệu quả kinh tế – kỹ

thuật của tổng sơ đồ quy hoạch hệ thống điện.
Bài toán tối ưu hóa cấu trúc hệ thống điện bao gồm tính toán đáp ứng cực tiểu chi phí đặt trang thiết
bị và cực tiểu chi phí vận hành các phần tử lưới điện, đồng thời đảm bảo tuân thủ các định mức quy
phạm kỹ thuật đối với chất lượng và độ tin c
ậy cung cấp điện trong các giai đoạn phát triển sơ đồ hệ
thống điện. Điều kiện tối ưu được thiết lập ở dạng cực tiểu tổng các chi phí quy dẫn xét trên tất cả các
phần tử lưới điện có xét đến tính chất động của sự biến đổi các chi phí này theo tiêu chuẩn kinh tế –kỹ
thuật. Khi so sánh các phương án khác nhau để xây dựng sơ
đồ lưới điện thì có thể giả thiết rằng thành
phần chi phí cố định đối với các công trình hiện hữu là bằng nhau đối với các phương án, và có thể loại
bỏ ra khỏi hàm mục tiêu. Thực hiện tối ưu hóa về tiết diện dây dẫn truyền tải điện sau khi chọn được
phương án sơ đồ lưới điện. Tùy theo dòng công suất tải trên đường dây biến đổi
ở vùng kinh tế –kỹ thuật
nào mà chọn được số lộ tối ưu, hàm chi phí tối ưu tùy thuộc vào số mạch song song của đường dây.
Bài toán thiết kế mở rộng hệ thống điện thường xuất phát từ các số liệu khởi điểm không đủ chính
xác về số lượng cũng như chất lượng. Bởi vậy, cho nên có thể chấp nhận các phương án gần tối
ưu theo
các cách tiếp cận giải quyết bài toán như sau : Biến đổi bài toán tối ưu hóa hệ thống điện về dạng cho
phép áp dụng được một phương pháp toán tối ưu có giải thuật chặt chẽ, cho phép dẫn đến một dạng đáp
số tối ưu toàn cục; Có thể bỏ qua một số điều kiện ràng buộc, như thế cho phép giải được bài toán một
cách chặ
t chẽ về mặt toán học, tuy nhiên có thể chỉ nhận được lời giải gần tối ưu. Giải quyết bài toán quy
hoạch phát triển mở rộng hệ thống điện theo tình huống động của các giai đoạn phát triển kinh tế, xét
theo một quy trình nhiều giai đoạn tính toán liên tiếp lặp lại để tiến đến một giải pháp tốt nhất. Điều kiện
cho phép phát triển hệ
thống theo từng giai đoạn phải được thỏa mãn trên mỗi giai đoạn phát triển hệ
thống điện, phải đảm bảo đủ các quy phạm kỹ thuật và phải cho phép phát triển chuyển biến từ một trạng
thái sơ đồ này sang một trạng thái sơ đồ khác. Trong trường hợp đầu tư vốn thực hiện cho phương án sơ
đồ phát triển trên các thời hạn khác nhau thì chi phí biến
đổi theo thời gian, khi so sánh các phương án
khác nhau cần phải thực hiện một tiêu chuẩn tối ưu mà các chi phí ở mỗi thời điểm khác nhau phải được
quy dẫn về cùng một thời điểm.
2.2.Phương pháp quy hoạch tuyến tính
.
Bài toán quy hoạch tuyến tính tổng quát [4][5][6][7] được phát biểu như sau, yêu cầu tìm cực tiểu
hàm mục tiêu :


=
→=
n
i
ii
minxc)x(F
1
; (1)
thỏa mãn tập (m) điều kiện ràng buộc :

,..,i;"bx"a;'bx'a;bxa
i
n
j
jiji
n
j
jiji
n
j
jij
21
111
==≤≥
∑∑∑
===
; (2)
với
x
i
≥0
là các biến số tối ưu hóa tham gia trong hàm mục tiêu;
c
i
là các hệ số liên quan đến định
mức chi phí kinh tế –kỹ thuật xét theo biến
x
i
;
a
ij
, a’
ij
, a”
ij
, b
i
, b’
i
,b”
i

là các hệ số mô tả các điều kiện
giới hạn kinh tế –kỹ thuật liên quan đến biến
x
j

trong mối liên hệ thuộc phạm vi của bài toán tối ưu hóa.
Thông thường giải bài toán này bằng phương pháp đơn hình, còn có thể gọi tên là phương pháp lần
lượt cải thiện mặt bằng. Bản chất của phương pháp đơn hình là trước hết phải bằng cách nào đó xác định
một mặt bằng khởi đầu làm chuẩn của bài toán được khảo sát, mặt bằng này được biểu thị bởi một tậ
p
x
j t

, mà có số lượng bằng với số m các điều kiện ràng buộc. Các biến
x
k
không liên quan đến mặt bằng
chuẩn khởi điểm được cho bằng zero. Biết rằng lời giải tối ưu của bài toán quy hoạch tuyến tính sẽ đạt
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 03 - 2007
Trang 65
được trên một trong số các mặt bằng chuẩn như thế, mà số lượng các mặt bằng này khơng vượt q
mức
()
!mn!m
!n

. Như vậy thì việc tìm được lời giải tối ưu chính là lần lượt chọn lọc có định hướng các
mặt bằng chuẩn, sao cho trong q trình tìm kiếm dần dần làm giảm hàm mục tiêu
F(x)
bởi đưa vào mặt
bằng chuẩn các biến số mới với các hệ số nhỏ nhất có trong hàm mục tiêu
F(x)
.
Khi áp dụng để giải bài tốn tối ưu hóa cấu trúc cơng suất nguồn phát của hệ thống điện thì các biến
số
x
i

được nhận bởi các trị số cơng suất và điện năng phát ra từ các nguồn điện, cũng như dòng cơng
suất và điện năng truyền tải trên các tuyến đường dây.
3. MƠ HÌNH TỐN TỐI ƯU HĨA CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN
Bài tốn tối ưu hóa cấu trúc hệ thống điện là loại bài tốn phức tạp. Phân tích các phương pháp quy
hoạch tốn học (phi tuyến, tuyến tính, quy hoạch động và lý thuyết q trình tối ưu) đã rút ra kết luận
rằng có thể áp dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính một cách hiệu quả cao đối với lớp bài tốn này
[2].
Hàm mục tiêu
F(x)
được nhận bởi tổng chi phí quy dẫn
C
để phát triển nguồn và đường dây. Điều
kiện ràng buộc là các phương trình cân bằng cơng suất cung cấp điện của hệ thống và các ràng buộc về
giới hạn các dạng nhiên liệu khác nhau. Có thể phát biểu bài tốn như sau : tìm cấu trúc tối ưu của cơng
suất nguồn phát và các đường dây truyền tải chủ đạo sao cho cực tiểu chi phí tính tốn quy dẫn, có xét
đến tính chất phát triển động của các nút phụ tải, có xét đến thành phầ
n các cơng trình năng lượng hiện
hữu và được đưa vào khai thác mới trong suốt khoảng thời hạn quy hoạch và có xét đến độ tin cậy của hệ
thống điện.
Đầu tiên sẽ xét đến bài tốn tối ưu hóa chỉ trong một khoảng thời gian ngắn nào đó (chưa xét đến sự
phát triển động). Hàm mục tiêu cực tiểu tổng chi phí tính tốn sẽ được viết như sau :

∑∑
→+=
f,r,ij,i
M
ijij
)f,r(
gi
)f,r(
i
minPcPcC
; (3)
với
)f,r(
gi
P
là cơng suất của nguồn phát (r) hoạt động với loại nhiên liệu (f) tại hệ thống thứ (i) ;
M
ij
P

mức truyền tải dòng cơng suất của các đường dây (i-j) mới đưa vào vận hành;
c
(r,f)
i


c
i
là suất chi phí
quy dẫn của nguồn thuộc hệ thống (i) và của tuyến đường dây (i-j).
Tại mỗi hệ thống thuộc nút thứ (i) thành lập được điều kiện ràng buộc bất đẳng thức về cơng suất
MW, thỏa mãn điều kiện cung cấp điện ở thời điểm tải tính tốn:
∑∑∑
+≥−+
f,rjj
dt
iptiji
)p(
ijij
)f,r(
gi
PPPhPP
; (4)
với
P
pti
là tổng cơng suất phụ tải của hệ thống thuộc nút (i) ;
P
dt
i
là mức độ u cầu dự trữ cơng
suất đối với hệ thống thứ (i) ;
P
ij

P
ji

là cơng suất trên nhánh (i-j) cũng như nhánh (j-i) ;
h
(p)
ij

hệ số
xét đến mức tổn hao cơng suất trên đường dây (i-j).
Thực chất việc huy động cơng suất máy phát có thể bị giới hạn thời gian sử dụng trong năm bởi quy
phạm kỹ thuật hoạt động của chúng, ví dụ một khối tổ máy nhiệt điện ngưng hơi được quy định hoạt
động trong một năm khơng ít hơn 1500giờ và khơng nhiều hơn 7200giờ. Do đó, cầ
n thành lập bất đẳng
thức đối với điều kiện cung cấp điện năng tại nút thứ (i):

∑∑∑
≥−+
f,rj
ptiji
)w(
ji
j
ij
)f,r(
gi
)f,r(
gi
AAhATP
; (5)
với
A
ij

A
ji
là lượng điện năng truyền giữa 2 nút (i-j) trong một năm ;
h
(A)
ji
là hệ số xét đến tổn
hao điện năng truyền tải trên đường dây (i-j) ;
A
pti
là mức độ u cầu điện năng hàng năm của phụ tải ở
Science & Technology Development, Vol 10, No.03 - 2007
Trang 66
hệ thống thuộc nút (i) ;
T
(r,f)
gi

là số giờ hoạt động công suất của nguồn phát thuộc hệ thống (i) trong một
năm ;
Viết được dạng bất phương trình về điều kiện cân bằng điện năng như ở đây là nhờ giả thiết rằng chế
độ hoạt động của các nhà máy điện đã được biết, do đó mà
T
(r,f)
gi
được xem là các hằng số. Tuy nhiên,
trong thực tế chế độ hoạt động của các nhà máy điện chưa được biết, chỉ biết được sau khi tối ưu hóa
xong cấu trúc công suất các nguồn phát.
Để áp dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính thì áp dụng cách tính như sau:
Công suất phải tìm của các nguồn máy phát được biểu thị ở dạng tổng các số hạng công suất thành
phần
P
gi
= ( P’
gi
+ P”
gi
+ … )
và mỗi thành phần công suất này sẽ tương ứng với mỗi trị số thời gian sử
dụng trong năm là
T’
gi
, T”
gi
, …

Như vậy, điều kiện cung cấp điện năng trong năm tại hệ thống (i) được viết như sau :

∑∑∑
≥−+++
f,rj
ptiji
)w(
ji
j
ij
)f,r(
gi
)f,r(
gi
)f,r(
gi
)f,r(
gi
AAhA...)"T"P'T'P(
; (6)
Đồng thời phải xét đến các giới hạn ràng buộc về công suất phát và lượng điện năng sản xuất ra
trong năm:

)f,r(
ghg
)f,r(
gi
PP

; (7)



)f,r(
ghg
)f,r(
gi
)f,r(
gi
ATP
; (8)
Các ràng buộc về giới hạn truyền công suất và điện năng trên các đường dây hiện hữu và cải tạo
mới:

H
ij
M
ijjiij
PPPP
≤−+
; (9)

ij
H
ijij
M
ijjiij
TPTPAA
≤−+
; (10)
Ràng buộc về dự trữ khai thác sử dụng nguồn nhiên liệu :



r,i
f
)f,r(
i
)f,r(
gi
)f,r(
gi
BSCTP
; (11)
Với
SC
(r,f)
i

là suất chi phí nhiên liệu dạng (f) của loại nguồn điện (r) tại nút (i) trong khoảng thời
gian
T
(r,f)
gi

phát công suất
P
(r,f)
gi

; còn
B
f
là định mức giới hạn sử dụng tài nguyên nhiên liệu dạng (f) ;
Có thể xét đến điều kiện bị hạn chế mức vốn đầu tư xây dựng công trình điện lực dạng (r) liên quan
đến tiêu thụ nguyên nhiên liệu dạng (f) thuộc hệ thống thứ (i) :



f,r,i
gh
)f,r(
gi
)f,r(
i
VPV
; (12)
Ngoài ra, còn có thể phát sinh các điều kiện ràng buộc khác, tùy thuộc vào nội dung cụ thể của bài
toán áp dụng trong thực tế.
Cần có phương pháp thích hợp để xác định các hệ số của hàm mục tiêu.
Đối với các nguồn máy phát xây dựng mới, cần phải viết biểu thức suất chí phí quy dẫn với hệ số
như sau :
)f(
Ni
)f,r(
Vi
)f,r(
i
CCc
+=
; (13)
với
C
(r,f)
i V
là hệ số liên quan đến chi phí đầu tư đặt và khấu hao tổ máy hàng năm ;
C
(f)
i N
là hệ số
liên quan đến chi phí nhiên liệu dạng (f) của tổ máy ở nút (i) ;
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 10, SỐ 03 - 2007
Trang 67
Đối với các đường dây xây dựng mới thì hệ số đối với
P
M
ij


c
ij
= aV
ij

; với
V
ij

là suất vốn đầu
tư cho một kW khả năng truyền tải của đường dây (i-j);
a
là hệ số định mức khấu hao, bảo trì và sửa
chữa đối với đường dây.
Đối với nguồn máy phát điện hiện hữu thì:
)f(
Ni
)f,r(
i
Cc
=
;
Đối với các đường dây hiện hữu thì các hệ số đối với
P
ij

P
ji
được cho bằng zero.
4.
VÍ DỤ QUY HOẠCH PHÁT TRIỂN MỞ RỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN

Xét bài tốn u cầu quy hoạch phát triển tối ưu hóa cấu trúc của một hệ thống liên kết 3 hệ thống
điện khu vực (xem sơ đồ mơ phỏng đẳng trị như trên Hình 1) với bảng số liệu dự báo tổng tải điện phát
triển trong một giai đoạn 12 năm.Trong hệ thống điện khu vực I (mơ phỏng đẳng trị bởi nút số 1) quy
hoạch phát triển 2 nguồn cơng su
ất gồm: một nhà máy nhiệt điện ngưng hơi chạy bằng than và một nhà
máy nhiệt điện turbin khí. Trong hệ thống điện khu vực II (được đẳng trị bởi nút số 2) quy hoạch phát
triển nhà máy nhiệt điện nhiên liệu dầu khí hỗn hợp với mức giới hạn cho phép sử dụng nhiên liệu là
2900000tấn/năm.Trong hệ thống điện khu vực III (được đẳng tr
ị bởi nút số 3) dự kiến sẽ đặt một nhà
máy điện nhiên liệu dầu khí hỗn hợp với mức giới hạn cho phép sử dụng nhiên liệu là 2570000tấn/năm.
Đường dây liên kết hiện hữu, nối hệ thống I với các hệ thống II và III, có khả năng truyền tải điện
300MW.