Đề tài Áp dụng phương pháp đơn hình quy hoạch phát triển hệ thống điện - Lưu Hữu Vinh Quang

Nội dung text: Đề tài Áp dụng phương pháp đơn hình quy hoạch phát triển hệ thống điện - Lưu Hữu Vinh Quang

1. Science & Technology Development, Vol 10, No.03 - 2007 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 thống 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 cậy 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 chặt 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 F(x) = ∑cixi → min ; (1) i=1 thỏa mãn tập (m) điều kiện ràng buộc : n n n ∑ aij x j ≥ b i ; ∑ a'ij x j ≤ b'i ; ∑ a"ij x j = b"i ; i = 1,2, ; (2) j=1 j=1 j=1 với xi ≥0 là các biến số tối ưu hóa tham gia trong hàm mục tiêu; ci là các hệ số liên quan đến định mức chi phí kinh tế –kỹ thuật xét theo biến xi ; aij, a’ij, a”ij, bi, b’i,b”i là các hệ số mô tả các điều kiện giới hạn kinh tế –kỹ thuật liên quan đến biến xj 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 tập xj t , mà có số lượng bằng với số m các điều kiện ràng buộc. Các biến xk 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 Trang 64
2. Science & Technology Development, Vol 10, No.03 - 2007 (r,f) hệ thống thuộc nút (i) ; T 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 (r,f) độ hoạt động của các nhà máy điện đã được biết, do đó mà T 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 Pgi = ( 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 : (r,f ) (r,f ) (r,f ) (r,f ) ( w) ∑∑(P' gi T' gi + P" gi T" gi + ) + ∑ Aij − hji A ji ≥ Apti ; (6) rj,f j Đồng thời phải xét đến các giới hạn ràng buộc về công suất phát và lượng điện năng sản xuất ra trong năm: (r,f ) (r,f ) Pgi ≤ Pggh ; (7) (r,f ) (r,f ) (r,f ) và ∑ Pgi Tgi ≤ Aggh ; (8) Các ràng buộc về giới hạn truyền công suất và điện năng trên các đường dây hiện hữu và cải tạo mới: M H Pij + Pji − Pij ≤ Pij ; (9) M H và Aij + A ji − Pij Tij ≤ Pij Tij ; (10) Ràng buộc về dự trữ khai thác sử dụng nguồn nhiên liệu : (r,f ) (r,f ) (r,f ) ∑ Pgi Tgi SCi ≤ Bf ; (11) i,r (r,f) Với SC i là suất chi phí nhiên liệu dạng (f) của loại nguồn điện (r) tại nút (i) trong khoảng thời (r,f) (r,f) gian T gi phát công suất P gi ; còn Bf 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) : (r,f ) (r,f ) ∑ Vi Pgi ≤ Vgh ; (12) i,r,f 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 (r,f ) (r,f ) (f ) như sau : ci = Ci V + Ci N ; (13) (r,f) (f) với C i V là hệ số liên quan đến chi phí đầu tư đặt và khấu hao tổ máy hàng năm ; C i N là hệ số liên quan đến chi phí nhiên liệu dạng (f) của tổ máy ở nút (i) ; Trang 66
3. Science & Technology Development, Vol 10, No.03 - 2007 Nhà máy điện nhiên liệu than và nhà máy điện dầu khí hỗn hợp có hai mức phát công suất tính toán tương ứng với các khoảng thời gian sử dụng xấp xỉ 6000giờ và 4000giờ. Nhà máy điện turbin khí cũng có 2 mức công suất phát với hai khoảng thời gian sử dụng xấp xỉ 1000giờ và 500giờ. Lượng công suất truyền tải trên các đường dây được biểu thị với hệ số xét tổn hao gần bằng 0,97. Bài toán quy hoạch phát triển hệ thống điện này được thành lập với hàm mục tiêu gồm có 23 biến số và 14 điều kiện ràng buộc. 4.1.Áp dụng tính số cụ thể đối với thời điểm ngay trước khi khởi đầu giai đoạn quy hoạch: Hàm mục tiêu: F(x)=65,6x1 +55,3x2 +30,5x3 +25,5x4 +68,8x5 +57x6 +7x11 +7x14 +7x19 +68,8x22 +57x23 → min ; Khi khởi đầu giai đoạn quy hoạch thì hàm mục tiêu phải thỏa mãn 14 điều kiện ràng buộc như sau: x1 + x2 + x3 + x4 − x7 + 0,97x8 − x12 + 0,97x13 ≥ 1,3 ; 6x1 + 4x2 + x3 + 0,5x4 − x9 + 0,97x10 − x15 + 0,97x16 ≥ 6,464 ; x5 + x6 + 0,97x7 − x8 − x17 + 0,97x18 ≥ 1,7 ; 6x5 + 4x6 + 0,97x9 − x10 − x20 + 0,97x21 ≥ 8,5 ; 0,97x12 – x13 + 0,97x17 –x18 + x22 + x23 ≥ 0, 05; 0,97x15 – x16 + 0,97x20 –x21 + 6x22 + 4x23 ≥ 0, 25; x7 + x8 – x11 ≤ 0,3 ; x9 + x10 – 8x11 ≤ 2,4 ; x17 + x18 – x19 ≤ 0 ; x20 + x21 – 8x19 ≤ 0 ; x12 + x13 –x18 ≤ 0,3 ; x15 + x16 – 8x218 ≤ 2,4 ; 1,87x5 + 1,3x6 ≤ 2,9 ; 1,87x22 + 1,3x23 ≤ 2,57 ; Áp dụng chương trình tính toán theo phương pháp đơn hình, sau 10 lần tính lặp (sai số cho phép là 0,001) nhận được kết quả tối ưu cấu trúc hệ thống là: min F(x)=182,38629 (triệu $/năm); Và nhận thấy : khi chưa đưa đường dây nối các hệ thống II và III vào vận hành thì cần phải quy hoạch như sau : Yêu cầu công suất phát tại hệ thống khu vực I: Pg1 (Than)=1080,61MW; Pg1(Khí)=570,93MW; Yêu cầu công suất phát tại hệ thống khu vực II: Pg2 (DầuKhí)=1409MW; Chưa cần phát công suất tại hệ thống khu vực III. 4.2.Kết quả tính số cụ thể đối với 12 năm của giai đoạn quy hoạch : Tổng tải của hệ thống điện khởi đầu là 3050MW ở năm đầu tiên đến năm thứ 12 tăng đến 6350MW. Quy hoạch mở rộng nguồn công suất của các nhà máy điện ở các khu vực và xây dựng tăng cường các tuyến đường dây liên kết các hệ thống điện sẽ dựa theo kết quả tính toán như sau: Trang 68
4. Science & Technology Development, Vol 10, No.03 - 2007 4.4. Quan sát trên sơ đồ đẳng trị tóm tắt từng giai đoạn phụ trong quá trình quy hoạch phát triển hệ thống điện: Trang 70
5. Science & Technology Development, Vol 10, No.03 - 2007 programming algorithm for power system structure optimization. A PC program using the simplex method allows to compute the cost function minimum and to satisfy the power transmision constraint conditions, including the bus power reserves and the fuel reserves for the expansion of electric power system structure. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. J.K.Delson& S.M.Shahidehpour, Linear programming applications to power system economics planning and operations, EEE Transactions on Power System,Vol.7. No.3, August, (1992). [2]. O.V.Sherbatchev, Ứng dụng máy tính số trong kỹ thuật điện lực. Energie –Leningrad, (1980). [3]. H.M.Khodr, J.F.Gomez, L.Barnique, J.H.Vivas, P.Paiva, J.M.Yusta, A.J.Urdaneta, A Linear Programming Methodology for the Optimization of Electric Power–Generation Schemes. IEEE [4]. Transactions on Power Systems, Vol.17, No.3, August, (2002). [5]. Stephen G.Nash, Ariela Sofer, Linear and nonlinear programming, Mc-GrawHill, (1996). [6]. Bùi Thế Tâm, Trần Vũ Thiệu, Các phương pháp tối ưu hóa, NXB Giao thông vận tải, (1998). [7]. Đặng Hấn, Quy hoạch tuyến tính, Đại học Kinh tế Tp.HCM, (1995). [8]. Nguyễn Cảnh, Quy hoạch tuyến tính, ĐHQG – HCM, (2004). Trang 72