Tích hợp công nghệ thông tin địa lí và matlab trong bài toán phân tích và quản lí hệ thống điện

TÍCH HỢP CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỊA LÍ VÀ MATLAB TRONG BÀI TOÁN PHÂN TÍCH VÀ QUẢN LÍ HỆ THỐNG ĐIỆN INTEGRATION OF GIS AND MATLAB INTO ANALYZING AND MANAGING POWER NETWORK PROBLEMS Nguyễn Hữu Phúc, Nguyễn Trọng Duy, Đỗ Hồng Phúc Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM TÓM TẮT Bài báo trình bày việc tích hợp công nghệ GIS với công cụ MatLAB vào công việc quản lí và tính toán lưới điện hệ thống điện trong các trường hợp tổng quát nhất. Trên nền GIS việc quản lí, phân tích lưới điện cho các kết quả chính xác, nhanh chóng và mang tính trực quan, sinh động, thân thiện với người vận hành lưới và người quản lí. Các kết quả nghiên cứu được phát triển thành một chương trình thực tế, áp dụng trong việc quản lí, tính toán các lưới điện phân phối của các điện lực địa phương cũng như phục vụ như một công cụ trực quan trong giáo dục. ABSTRACT The paper presents a technique integrating the Geographical Information System and the well- known computing package of MatLAB into to the management and analysis of power networks of complicated configuration. Good results in terms of accuracy, reasonable time of computing as well as visual, user-friendly features make the technique a promising approach dealing with power system analysis and management. The technique was developed into a practical GIS-based program applied to managing and analyzing distribution network of power companies and may serve as a visual, self- explanatory tool for power engineering education. I. GIỚI THIỆU Việc áp dụng công nghệ thông tin, hệ thống thông tin địa lí (GIS = Geographic Information System) trong các ngành mang tính hạ tầng (cấp thoát nước, năng lượng điện, …) trong thập niên qua đã có tác dụng to lớn trong việc nâng cao chất lượng dịch vụ được cung cấp cho xã hội. Mặt khác, sự xâm nhập của các kĩ thuật mới này trong ngành điện đã làm thay đổi khá sâu sắc việc quản lí cũng như phân tích hệ thống điện. Trong xu thế hiện đại hoá việc quản lí lưới điện ở các cấp độ khác nhau, từ sản xuất, truyền tải, đến phân phối, ngành điện Việt Nam đang triển khai việc ứng dụng những kĩ thuật tiên tiến này trong việc xây dựng các chương trình ứng dụng vào các lãnh vực khác nhau. Đồng hành với tốc độ phát triển và hiện đại hoá của ngành điện- đặc biệt, hệ thống lưới phân phối ngầm với cấu trúc mạch vòng tại các đô thị lớn- các vấn đề quản lí, phân tích, thiết kế …lưới điện trên nền thống nhất về dữ liệu GIS đối với địa bàn trở nên thời sự, cấp bách và yêu cầu có những phương pháp tiếp cận mới có thể cung cấp các kết quả nhanh chóng, chính xác, cũng như khả năng quản lí cập nhật, chi tiết và hướng tới tức thời theo thời gian thật. Tận dụng các khả năng quản lí, khả năng thể hiện sinh động các cấu trúc lưới điện trên nền bản đồ địa lí và khả năng phân tích, tính toán ma trận của công cụ MatLAB bài báo trình bày các nghiên cứu hướng tới kết quả là chương trình ứng dụng quản lí- giải tích lưới điện trên nền GIS. Các dữ liệu liên quan đến quản lí hệ thống điện, các kết quả được tính toán cho bài toán phân bố công suất, ngắn mạch trên lưới điện sẽ được thể hiện trực tiếp trên nền bản đồ làm cho công việc quản lí, phân tích, đánh giá và ra quyết định trở nên hữu hình, sinh động và gần gũi hơn nhiều so với trên sơ đồ đơn tuyến khô khan, vốn thường chỉ dành cho các nhà chuyên môn kĩ thuật. II. TÍCH HỢP PHẦN MỀM QUẢN LÍ BẢN ĐỒ VÀ CÔNG CỤ TÍNH TOÁN MATLAB – CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG GIS POWER 1. Tích hợp phần mềm quản lí bản đồ và phần mềm MatLAB Sự phát triển của công nghệ thông tin đã đặt nền móng cho sự ra đời và phát triển nhanh chóng của hệ thống thông tin không gian, với khởi đầu là phương tiện để lưu trữ đơn thuần thông tin đồ họa. Ngày nay, hệ thống thông tin địa lí GIS đã trở thành hệ thống quản lí thông tin không gian có khả năng lưu trữ, thống nhất, phân tích, mô hình hoá và mô tả được nhiều loại dữ liệu, đặc biệt là khả năng phân tích và liên kết dữ liệu thuộc tính với dữ liệu không gian. Hệ thống thông tin địa lí đang là một công cụ mạnh, đáng tin cậy không những chỉ của các người làm công tác kĩ thuật, mà còn của cả các người quản lí xã hội… và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành, các lĩnh vực hoạt động kinh tế, xã hội. Chương trình MatLAB được sử dụng rộng rãi trong các trường đại học, cơ quan nghiên cứu, các công ti …mặt khác, là công cụ rất mạnh trong việc giải quyết các bài toán khoa học, kĩ thuật, với khả năng tính toán ma trận. MatLAB cung cấp nhiều hàm cho phép truy cập vào các ứng dụng khác trên Windows đồng thời cũng cho phép các ứng dụng trong Windows có thể truy cập vào MatLAB theo nhiều phương thức khác nhau. Một trong những hàm này sử dụng phương thức trao đổi dữ liệu động, cho phép các ứng dụng của Microsoft Windows có thể giao tiếp với nhau bằng cách trao đổi dữ liệu lẫn nhau. Việc tích hợp các chương trình trên Windows là cơ sở để tạo ra chương trình mới có nhiều khả năng tổng hợp. OLE là một công nghệ hướng đối tượng mới cho phép phát triển bằng cách sử dụng lại các thành phần của một phần mềm. OLE(Object Linking and Embedding) với ý nghĩa nhúng và liên kết đối tượng, được hiểu như một mô hình đối tượng để phát triển rộng tối đa các khả năng vốn có của một phần mềm. Khác với lập trình hướng thủ tục truyền thống, OLE cho phép chia sẻ các đối tượng thành phần của một chương trình có những chức năng chuyên biệt khác nhau (Hình 1). Hình 2. Sử dụng phương thức giao tiếp DDE với MATLAB Hình 1. Sử dụng đối tượng OLE MAPINFO MAPINFO 7.5 VISUAL BASIC 6.0 GIS POWER Các thao tác trên GIS được xử lí bằng MAPBASIC - phần mềm chuyên dụng đi kèm với MAPINFO DDEOLE MATLAB 6.5 Giải thuật giải tích lưới điện được lập trình trên MATLAB Hình 3. Mô hình tạo chương trình ứng dụng GIS POWER 2. Giới thiệu chương trình ứng dụng GIS POWER Chương trình GIS POWER là một ứng dụng máy tính dùng để mô phỏng, tính toán, vận hành quản lí lưới điện dựa công nghệ hệ thống thông tin địa lí (GIS- Geographic Information System), được viết bằng ngôn ngữ Visual Basic sử dụng đối tượng OLE MAPINFO và phương thức trao đổi dữ liệu động (DDE) với MATLAB (Hình 2 và Hình 3). Chương trình tích hợp chặt chẽ phần mềm quản lí bản đồ chuyên nghiệp MapInfo 7.5 của hãng MapInfo Corporation trên nền chươ là MatLAB 6.5 của hãng Mathworks. Vì vậy, GIS POWER cung cấp và hỗ tr uỳ biến cao với tất cả các chức năng tính toán mạnh mẽ của MATLAB và côn Tổng quan các chức năng (Hình 4) ™ Hỗ trợ nạp bản đồ nền nhanh v sẵn một cách dễ dàng và nhanh ™ Tích hợp nhiều công cụ thao t tảng phần mềm GIS của hãng M ™ lí thông tin toàn bộ thiế ™ u thông tin trạm biến áp ™ ông tin thiế Chứ quản lí (Hình 5) ố các ™ m biến áp ™ h hức năng tìm kiếm và trợ giúp sử ™ Tương tác đồ hoạ trên bản đồ v Quản dây. Tra cứ điện mạnh, tìm kiếm nhanh, đặ kiếm theo bất kỳ điều kiện và cách đơn giản. Công cụ tìm kiếm th ™ Thực hiện giải tích lưới điện m ™ Kết xuất báo cáo dưới dạng văn dụng. c năng ™ Quản lí thông tin, thông s địa hình tỷ lệ 1:500. Xác định vị trí cột, trạ ™ Vẽ biên tập các đối tượng đồ h vị trí trực quan trên bản đồ. Thể hiện quan hệ về mặt hìn dây với các yếu tố địa hình xun C ™ Tra cứu toàn bộ dữ liệu thiết bị ™ Tìm kiếm trên cả bản đồ và thông trình tính toán rất mạnh ợ cho người dùng khả năng t g cụ quản lí bản đồ chuyên nghiệp của MAPINFO. ới khuôn dạng ký hiệu có chóng. ác xử lí bản đồ trên nền apInfo Corporation. Hình 4. Giao diện đồ họa của GIS POWER t bị lưới điện và đường , đường dây, thiết bị lưới t bị đường dây dễ sử dụ định theo yêu cầu của người sử thiết bị trên mạng phân phối TP - Hồ Chí Minh trên hệ thống bản đồ , đường dây chính xác đến decimet do xử lí bằng công nghệ GIS. ng, học giữa thiết bị với đư ới dữ liệu thuộc tính cao. t biệt hỗ trợ khả năng tìm hỗ trợ nhập liệu một ng và tốc độ nhanh. ạch vòng, nhiều nguồn trên nền GIS. bản, bản đồ, đồ thị và biểu mẫu quy ọa, quản lí toàn bộ thiết bị lưới điện với đầy đủ thuộc tính hình dạ g quanh với độ chính xá năng quHình 5. Chức dụng GIS POWER ( lưới điện trên bản đồ. ng tin thuộc tính. ờng dây, giữa thiết bị với thiết bị, giữa đường ) c cao. ản lí Hình 6 ™ Thao tác đơn giản thuận tiện. ™ Cung cấp nhiều tuỳ chọn tìm kiếm. trên bản đồ và có khả năng kết xuất trực tiếp ra báo cáo. goài ra, GIS POWE ™ ™ ời dù ™ Kết quả tìm kiếm thể hiện trực quan N rất dễ dàng cài đặt, gỡ hức năng phân tícC ™ Phân tích, mô p lưới điện. Thể hiện trên bá các kết quả phân sinh động. Hỗ trợ ngư hoạch, thiết kế. IS POWER tin, kết G xuất báo cáo bài toán thường gặp tính ngắn mạch…Vi Newton-Raphson đảm lặp trước khi hội tụ rấR cò ôi trường Windows, ợ, báo cáo (Hình 7 và Hình 8) ản đồ tất cả ng trong công tác lập kế n được đóng gói như là một sản phẩm hoàn chỉnh trong m bỏ. h, hỗ tr hỏng các bài toán trong o cáo, trên b tích một cách trực quan ố liệu, tra cứu thông Hình 8. Nhập thông số lưới đi ầu người sử dụng Hình 6. Chức năng tìm kiế và trợ giúp sử dụng Hình 7. Thanh công cụ m ện theo yêu c có khả năng thực hiện các chức năng nhập liệu, hiệu chỉnh s thống kê, thiết kế đường dây, phân tích bản đồ, đặc biệt là khả năng giải quyết các trên lưới điện như tính phân bố công suất, xác định hướng của dòng chảy công suất, ệc phân tích lưới điện mạch vòng, nhiều nguồn được thực hiện trên giải thuật bảo kết quả có độ chính xác cao, tin cậy, và thời gian tính toán nhanh với số lần t thấp (Hình 9). Hình 9. Tính toán - hiển thị kết quả trên nền GIS và xuất báo cáo hỗ trợ công tác quản lí Cách thức làm việc Chương trình sẽ quản lí và tính toán trên lưới điện dựa trên các dữ liệu bản đồ có sẵn hoặc do người sử dụng tạo ra trên phần mềm khác hoặc ngay trên GIS POWER. Các dữ liệu này được lưu dưới dạng: raster, vectơ và bảng biểu. Các dữ liệu dạng raster và vectơ chủ yếu dùng để giao tiếp với người sử dụng một cách trực quan, giúp việc thay đổi, cập nhật, nhập, xuất dữ liệu gần gũi với cách suy nghĩ, cách làm của con người. Mọi việc tính toán, quản lí, xử lí lại được thực hiện trên kiểu bảng biểu - kiểu dữ liệu gần gũi với cách thức làm việc của máy tính. Chương trình được áp dụng trên địa bàn một điện lực thuộc thành phố Hồ Chí Minh, việc tính toán phân tích kiểm tra được thực hiện trên một phát tuyến với 241 nút, 3 nguồn(các trạm biến áp trung gian). Các kết quả về điện áp tại các nút, dòng chảy công suất trên các nhánh, tổn thất công suất tác dụng, phản kháng, giá trị các dòng ngắn mạch trong các trường hợp khác nhau… được so sánh với kết quả chạy trên phần mềm ETAP Power Station Version 4.0 cho thấy độ chính xác cao của các phương pháp, thuật toán được dùng. Sai số tính toán giữa 2 chương trình nằm trong khoảng 1,0 -1,5%. Thời gian tính toán, hiển thị trên nền bản đồ lần lượt là 5 và 1 giây và cần 3 lần lặp trước khi hội tụ cho trường hợp lưới mạch vòng 241 nút, trên máy tính cá nhân CPU Intel 4 với tốc độ 2,4 GHz, RAM 256 Mb. III. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO QUẢN LÍ & TÍNH TOÁN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ PHỤC VỤ GIẢNG DẠY TRONG CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC Trong thực tế cho đến nay, những tính toán trong lưới điện thường được thực hiện trên sơ đồ đơn tuyến, trong khi việc quản lí thường trên các bản đồ giấy. Việc sử dụng các cơ sở thể hiện khác nhau trong công việc như trên làm cho công việc của bộ phận quản lí và bộ phận tiến hành các phân tích lưới không cùng tiếng nói chung, vì thiếu các hình ảnh trực quan của địa bàn mà các bộ phận đều quan tâm, điều này phần nào gây khó khăn cho người vận hành cũng như người quản lí. Do đó việc tích hợp các tính toán giải tích lưới điện phân phối trên nền GIS luôn là vấn đề có tính thời sự, mang lại nhiều lợi ích đối với người vận hành và quản lí lưới điện. Trong nhu cầu phát triển lưới điện, đặc biệt việc ngầm hoá lưới điện tại các đô thị lớn trong tương lai, việc quản lí, tiến hành các dự án phát triển, phân tích, dự đoán các phát triển phụ tải trong một không gian cho trước với các ràng buộc về hệ thống phục vụ hạ tầng đi kèm (đường sá, hệ cấp thoát nước, điện thọai,…) đòi hỏi một công cụ quản lí-phân tích thống nhất hơn bao giờ hết. Bên cạnh đó, về phương diện giáo dục đại học, phương pháp nghiên cứu và chương trình được phát triển có thể được sử dụng với nỗ lực giúp cho việc tiếp cận các bài toán giải tích lưới điện một các thực tế, trực quan, và hơn nữa, có thể giúp người học cảm nhận sinh động và gợi lên các suy nghĩ, sáng tạo trong quá trình tiếp thu và áp dụng. IV. KẾT LUẬN Bài báo cho thấy hướng nghiên cứu tích hợp hệ thông tin địa lí với công cụ MatLAB mở ra các triển vọng to lớn trong lĩnh vực quản lí, phân tích, thiết kế, đánh giá, dự báo cho các lưới điện. Các kết quả có được từ việc thực hiện chương trình ứng dụng GIS POWER trên cơ sở tích hợp MapInfo và MatLAB giúp giải quyết các bài toán giải tích lưới điện một cách tổng quát nhất, lưới kín nhưng vận hành hở, thông thường có nhiều nút tải và một nút nguồn, và cũng có thể giải bài toán của mạng điện kín với nhiều nguồn cung cấp. Việc thực hiện tất cả các phân tích, truy cập tất cả các thông tin về lưới điện, và thể hiện các kết quả trực tiếp trên nền GIS, rõ ràng sẽ giúp ích cho người vận hành, quản lí lưới điện được làm việc trong một môi trường thân thiện hơn. Trong tương lai khi hệ thống AM/FM/GIS được xây dựng trên một nền thống nhất, việc hợp tác giữa các ngành cung cấp các nhu cầu cơ bản của xã hội (điện, nước, điện thọai…) sẽ cùng tiếng nói chung, mang lại hiệu quả cao hơn. Trên phương diện phát triển ngành điện, các kết quả của nghiên cứu theo hướng trên thúc đẩy quá trình vận hành, quản lí tối ưu hệ thống điện, mặt khác về phương diện giảng dạy đại học, có thể được sử dụng như một công cụ trực quan, góp phần gợi lên các suy nghĩ, sáng tạo trong quá trình tiếp thu của người học. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ming-Tong Tsay, Shun-Yu Chan; A Personal Computer Graphical Environment for Industrial Distribution System Education, Design, and Analysis, IEEE Transactions on Power Systems, vol. 15, no. 2, pp. 472-476, May 2000. 2. Ali Abur, Fernando Magnago, Yunquiang Lu; Educational Toolbox for Powere System Analysis, IEEE Computer Applications in Power, vol. 13, no. 4, pp.31-45, Oct. 2000. 3. Nguyễn Hữu Phúc; Quản Lí Và Tính Toán Lưới Điện Phân Phối Trên Nền Hệ Thống Thông Tin Địa Lí, Tạp chí Khoa Học Và Công Nghệ Các Trường Đại Học Kĩ Thuật, số 44+45, trang 80- 84, tháng 12- 2003.