Luận án tiến sĩ Nguyễn Trung Thắng: Áp dụng AI giải bài toán phối hợp thủy nhiệt điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGUYỄN TRUNG THẮNG ÁP DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THÔNG MINH NHÂN TẠO GIẢI BÀI TOÁN PHỐI HỢP HỆ THỐNG THỦY NHIỆT ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN SKA 0 0 0 0 3 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN TRUNG THẮNG ÁP DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THÔNG MINH NHÂN TẠO GIẢI BÀI TOÁN PHỐI HỢP HỆ THỐNG THỦY NHIỆT ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN TRUNG THẮNG ÁP DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THÔNG MINH NHÂN TẠO GIẢI BÀI TOÁN PHỐI HỢP HỆ THỐNG THỦY NHIỆT ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN-62520202 Hướng dẫn khoa học: 1. TRƯƠNG VIỆT ANH LÝ LỊCH CÁ NHÂN I.

THÔNG TIN CÁ NHÂN Họ và Tên: NGUYỄN TRUNG THẮNG Phái : Nam Ngày/tháng/năm sinh : 06 / 08 / 1985 Tại : Bình Thuận II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO : - Từ 2003 - 2008 : Sinh viên ngành Điện khí hóa-cung cấp điện, Đại học sư phạm kỹ thuật TPHCM. - Từ 2008 - 2010 : Học viên cao học ngành Thiết bị Mạng và Nhà máy điện, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC : - Từ 2008 - 2009 : Giảng viên trường Cao đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng - Từ 2009 - Nay: Giảng viên trường Đại học Tôn Đức Thắng Tp.

HCM, ngày 06 tháng 10 năm 2017 Nguyễn Trung Thắng i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. HCM, ngày 06 tháng 10 năm 2017 Nguyễn Trung Thắng ii CẢM TẠ Sau một thời gian dài nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi vô cùng cảm ơn những đóng góp từ gia đình, thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè đã giúp tôi hoàn thành tốt luận án của mình. Tôi chân thành cảm ơn giảng viên hướng dẫn PGS.

Võ Ngọc Điều và PGS. Trương Việt Anh đã tận tình hướng dẫn tôi. Tôi chân thành cảm ơn sâu sắc thầy PGS. Quyền Huy Ánh đã dạy tôi các môn học ở mái trường đại học và hướng dẫn đồ án tốt nghiệp đại học.

Đặc biệt thầy đã truyền đam mê để tôi có tiếp tục học thạc sĩ và tiến sĩ. Tôi chân thành cảm ơn vợ Nguyễn Thị Tâm đã hỗ trợ tôi về tinh thần, cổ vũ những khi tôi nản chí và mệt mỏi. Tôi chân thành cảm ơn trưởng bộ môn kỹ thuật điện TS. Đinh Hoàng Bách và trưởng Khoa Điện-Điện Tử TS.

Võ Hoàng Duy đã tạo điều kiện tốt để tôi có thể học tốt và nghiên cứu tốt. Tôi xin chân thành cảm ơn những người bạn Trần Quang Thọ, Nguyễn Ngọc Âu và Phạm Hữu Lý đã sát cánh, ủng hộ và giúp đỡ tôi. iii ABSTRACT The study presents the application of several artificial interlligence based method for solving short-term hydrothermal scheduling problem. The objective of these problems is mainly to minimize total electricity generation fuel cost at thermal plants while neglecting the cost at hydropower plants so that all equality and inequality constraints of the system including power balance constraint considering transmission line, upper and lower limits on power generated by thermal and hydro plants, and hydraulic constraints at hydropower plants such as boundaries of water discharge, boundaries of reservoir volume, avaialbe water, initial volume as well as end volume.

In addition, constraints in transmission lines such as transmission capacity of lines, voltage at buses, tap setting, etc are also taken into consideration. The complicated level of the considered constraints is increased and ranged from the first problem to the final problem. Augmented Lagrange Hopfield Network and three other methods such as conventional Cuckoo Search algorithm, Modified Cuckoo Search algorithm and Adaptive Selective Cuckoo Search algorithm are applied for solving the problems in the study. Among the applied Cuckoo Search algorithms, conventional Cuckoo Search algorithm is the original one which has been successfully applied for recent years since it was first developed in 2009 meanwhile Modified Cuckoo Search algorithm has been developed based on the original one and Adaptive Selective Cuckoo Search algorithm is first introduced in the study.

In addition, Augmented Lagrange Hopfield Network is also a strong method which has been developed and successfully applied for solving electrical engineering problems.The performance of these methods are tested on several systems according to each kind of problem and there is a fact that not every applied method is applied for solving all considered problems because their different effcciency on considered problem. In fact, the three Cuckoo Search algorithms are run on all the problems but Augmented Lagrange Hopfield Network is only applied for the first problem where water head of reservoir is fixed and reservoir volume constraints are not taken into account. As a result, the comparison among these methods with many existing methods indicates that the methods are effecitve and robust for solving the short-term hydrothermal scheduling problem because they obtains better solution quality and shorter execution time than most methods available in the report. Among the methods, Augmented Lagrange Hopfield Network is very effective for the first problem where valve point loading effects of thermal units are not considered but it must stop working when the effects are taken into account.

On the contrary, the three Cuckoo Search algorithms become more effective for the problems with valve point loading effects. Among the three Cuckoo Search algorithm, Adaptive Selective Cuckoo Search is the most efficient method whereas the effectiveness between convnetional Cuckoo Search and Modified Cuckoo Search has a trade-off for different problems. In fact, the Modified Cuckoo Search is more effective than conventional Cuckoo Search for the first and the final problems; however, the Hình is opposite for the rest of the problems. iv TÓM TẮT Luận án trình bày ứng dụng của các phương pháp thông minh nhân tạo để giải các bài toán phối hợp tối ưu hệ thống thủy nhiệt điện với mục tiêu giảm thiểu chi phí phát điện của các nhà máy nhiệt điện khi không xét đến chi phí phát điện của các nhà máy thủy điện sao cho các ràng buộc cân bằng và bất cân bằng của hệ thống như ràng buộc cân bằng công suất có xét đến tổn hao truyền tải đường dây, các giới hạn công suất phát của nhà máy thủy điện và nhiệt điện và các ràng buộc từ hồ thủy điện như thể tích hồ chứa, lưu lượng xả, thể tích nước cho phép sử dụng phải được thỏa mãn.

Ngoài ra, ràng buộc trên lưới truyền tải như khả năng truyền tải đường dây, điện áp tại các nút, cài đặt đầu phân áp, và chọn công suất tụ bù cũng được xét đến. Mức độ phức tạp của các ràng buộc được tăng dần từ bài toán thứ nhất đến bài toán cuối cùng. Ba phương pháp Cuckoo Search (CSA) như Cuckoo Search cổ điển (CCSA), Cuckoo Search cải biên (MCSA) Cuckoo Search chọn lọc thi nghi (ASCSA), và phương pháp mạng Hopfield Lagrange tăng cường (ALHN) đã được áp dụng để giải các bài toán trên. CCSA là phương pháp Cuckoo Search đầu tiên được xây dựng năm 2009 trong khi đó MCSA được phát triển dựa trên CCSA vào năm 2011.

ALHN cũng là một phương pháp được phát triển từ một phương pháp khác và đã được áp dụng trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Khác với ba phương pháp này, ASCSA là phương pháp được phát triển đầu tiên trong luận án này dựa trên các cải biên từ CCSA và chưa được áp dụng cho bất cứ bài toán nào trước đây. Tính hiệu quả của các phương pháp được kiểm tra trên các hệ thống khác nhau với năm bài toán khác nhau. Kết quả được so sánh giữa bốn phương pháp với nhau và giữa bốn phương pháp với các phương pháp đã được nghiên cứu trước đây để đưa ra nhận xét về tính hiệu quả của bốn phương pháp này so với các phương pháp khác và tìm ra phương pháp hiệu quả nhất trong bốn phương pháp cũng như đề xuất khả năng áp dụng của từng phương pháp cho từng bài toán cụ thể.

Kết quả đánh giá cho thấy ALHN chỉ hiệu quả cho hai bai toán đầu tiên với chiều cao cột nước cố định bỏ qua thể tích hồ chứa và bỏ qua hiệu ứng xả van tại các nhà máy nhiệt điện. Trong khi đó, phương pháp được đề xuất ASCSA tỏ ra hiệu quả hơn CCSA và MCSA cho tất cả các hệ thống ở năm bài toán này và hiệu quả hơn ALHN cho ba bài toán còn lại. So sánh giữa CCSA và MCSA cho thấy MCSA chỉ hiệu quả hơn CCSA ở hai bài toán đầu tiên và bài toán cuối nhưng kém hơn ở bài toán thứ ba và thứ tư. Ngoài ra, so sánh với các phương pháp trước ở các công trình nghiên cứu khác cũng cho thấy bốn phương pháp áp dụng này là các công cụ mạnh khi hầu hết nổi trội hơn các phương pháp khác về chất lượng lời giải tối ưu và tốc độ hội tụ nhanh và đặc biệt là sự vượt trội của phương pháp ASCSA.

iv NỘI DUNG Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách các chữ viết tắt vi Danh sách các hình vii Danh sách các bảng viii Thuật ngữ ix CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Các Bài Toán Nghiên Cứu. Mục Tiêu Nghiên Cứu. Các Đóng Góp Của Luận Án.

Giới Hạn Đề Tài. Bố Cục Của Luận Án. 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Phối Hợp Hệ Thống Thủy Nhiệt Điện Ngắn Hạn Với Chiều Cao Cột Nước Cố Định Bỏ Qua Các Ràng Buộc Về Hồ Chứa.

Phối Hợp Hệ Thống Thủy Nhiệt Điện Ngắn Hạn Với Chiều Cao Cột Nước Cố Định Xét Các Ràng Buộc Về Hồ Chứa. Phối Hợp Hệ Thống Thủy Nhiệt Điện Ngắn Hạn Với Chiều Cao Cột Nước Biến Đổi Xét Các Hồ Thủy Điện Bậc Thang. Phối Hợp Hệ Thống Thủy Nhiệt Điện Ngắn Hạn Với Chiều Cao Cột Nước Cố Định Xét Mục Tiêu Chi Phí Và Phát Thải. Phân Bố Công Suất Tối Ưu Hệ Thống Thủy Nhiệt Điện.

19 v CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP CUCKOO SEARCH VÀ MẠNG HOPFIELD LAGRANGE TĂNG CƯỜNG 3. Thuật Toán Cuckoo Search Cổ Điển (CCSA). Đặc tính chim Cuckoo và Lévy Flights. Mô tả thuật toán Cuckoo Search.

Các áp dụng CCSA gần đây. Cuckoo Search Cải Biên (MCSA). Cuckoo Search cải biên (MCSA). Các ứng dụng gần đây của MCSA.

Cuckoo Search Chọn Lọc Thích Nghi (ASCSA). Kỹ thuật chọn lọc mới. Cơ chế phát hiện trứng lạ thích nghi. Mạng Hopfield Lagrange Tăng Cường (ALHN).

38 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THÔNG MINH NHÂN TẠO ĐIỀU ĐỘ TỐI ƯU HỆ THỐNG THỦY NHIỆT ĐIỆN NGẮN HẠN XÉT CHIỀU CAO CỘT NƯỚC CỐ ĐỊNH VÀ BỎ QUA RÀNG BUỘC THỂ TÍCH HỒ CHỨA 4. Mô Tả Bài Toán. Hàm mục tiêu .