Mục đích nghiên cứu của luận văn Luận văn dự kiến tìm hiểu về các chỉ tiêu và phương pháp đánh giá độ tin cậy cho lưới phân phối, thống kê và thu thập dữ liệu thực tế về sự cố và thời gian xử lý của lưới điện phân phối quận Hoàn Kiếm Hà Nội, tính toán phân tích và xây dựng số liệu điển hình tương ứng. Từ đó đề xuất, xây dựng phương án tối ưu và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của các phương án nâng cao độ tin cậy cho lưới điện phân phối quận Hoàn Kiếm Hà Nội. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận văn là phương pháp phân tích đánh giá cũng như các chỉ tiêu áp dụng cho nghiên cứu độ tin cậy của lưới điện phân phối tại Việt Nam. Trong đó đối tượng nghiên cứu cụ thể là xuất tuyến lưới phân phối trung áp (22kV) quận Hoàn Kiếm, thành phố Hà Nội với số liệu vận hành thực tế năm 2016. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Hiện tại trong các bài toán quy hoạch thiết kế lưới điện phân phối, các tiêu chuẩn độ tin cậy cung cấp điện còn chưa được quan tâm đánh giá đúng mức. Việc định lượng được độ tin cậy cho lưới phân phối sẽ đánh giá được chất lượng lưới phân phối về mặt liên tục cung cấp điện cho phụ tải. Từ đó sẽ chọn lựa được các phương án quy hoạch tối ưu nhất về cả mặt kỹ thuật và kinh tế, giảm thiểu phát sinh các chi phí sau này để nâng cao khả năng vận hành của lưới. Luận văn dự kiến tìm hiểu các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối thực tế tại Việt Nam. Trên cơ sở chỉ tiêu phù hợp, luận văn dự kiến áp dụng đánh giá độ tin cậy cho lưới phân phối thực tế. Từ đó tính toán hiệu quả kinh tế áp dụng các biện pháp nâng cao độ tin cậy cho lưới điện. Nội dung nghiên cứu Nhằm đạt được mục đích nghiên cứu trên, các nội dung sau đã được thực hiện trong luận văn: Nghiên cứu tổng quan về yêu cầu và phương pháp đánh giá độ tin cậy cho lưới điện phân phối. Thu thập, thống kê và tổng hợp số liệu thực về sự cố và thời gian xử lý của lưới điện phân phối quận Hoàn Kiếm Hà Nội. Tính toán phân tích và xây dựng số liệu điển hình tương ứng cho các chỉ số độ tin cậy của lưới điện phân phối. Đề xuất, xây dựng phương án tối ưu và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của các phương án nâng cao độ tin cậy cho xuất tuyến lưới điện phân phối trung áp 22kV quận Hoàn Kiếm Hà Nội.
TỔNG QUAN VỀ YÊU CẦU ĐẢM BẢO ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN CHO LƯỚI PHÂN PHỐI VIỆT NAM
Khái niệm độ tin cậy cung cấp điện
Độ tin cậy không chỉ giới hạn trong hệ thống điện mà còn được áp dụng cho bất kỳ phần tử hoặc hệ thống vận hành nào trên thực tế Theo [2], độ tin cậy được định nghĩa là xác suất để hệ thống hoặc phần tử hoàn thành nhiệm vụ yêu cầu một cách triệt để trong một khoảng thời gian nhất định và dưới điều kiện vận hành cụ thể.
Độ tin cậy luôn liên quan đến việc hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể trong khoảng thời gian nhất định và trong hoàn cảnh nhất định, được đo bằng xác suất hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời gian đó Khái niệm này dựa trên dữ liệu thống kê từ kinh nghiệm làm việc trong quá khứ của hệ thống hoặc phần tử Trong các hệ thống có khả năng phục hồi, như hệ thống điện, khái niệm về thời gian xác định không còn phù hợp, và độ tin cậy được đánh giá qua độ sẵn sàng — xác suất hệ thống hoặc phần tử sẵn sàng hoàn thành nhiệm vụ tại một thời điểm bất kỳ Độ sẵn sàng được tính bằng tỷ lệ thời gian hệ thống ở trạng thái tốt so với tổng thời gian hoạt động, trong khi đó, độ không sẵn sàng biểu thị xác suất hệ thống ở trạng thái hỏng Đối với các hệ thống điện, việc sử dụng độ sẵn sàng hoặc độ không sẵn sàng là chưa đủ để đánh giá toàn diện độ tin cậy, cần kết hợp nhiều chỉ tiêu xác suất khác để có cái nhìn chính xác hơn về độ tin cậy của hệ thống.
Các bài toán đánh giá độ tin cậy của hệ thống điện được phân chia thành các bài toán nhỏ theo cấu trúc như sau (theo [2]):
Hình 1.1 Các bài toán đánh giá độ tin cậy trong hệ thống điện
Như vậy bài toán đánh giá độ tin cậy của hệ thống điện được chia làm bốn loại:
- Bài toán về độ tin cậy của hệ thống phát, chỉ xét riêng các nguồn điện;
- Bài toán về độ tin cậy của hệ thống điện, xét cả nguồn điện đến các nút tải hệ thống do lưới hệ thống cung cấp điện;
- Bài toán về độ tin cậy của lưới truyền tải và lưới phân phối;
- Bài toán về độ tin cậy của phụ tải.
Bên cạnh đó, tùy theo mục đích khảo sát cụ thể, bài toán độ tin cậy trong hệ thống điện có thể được chia làm 2 nhóm là:
- Bài toán quy hoạch, phục vụ quy hoạch phát triển hệ thống điện;
- Bài toán vận hành, phục vụ vận hành hệ thống điện.
Còn theo nội dung tính toán phân tích, bài toán đánh giá độ tin cậy có thể được chia thành các loại sau:
- Bài toán giải tích, nhằm mục đích tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống điện có cấu trúc cho trước.
Bài toán tổng hợp nhằm xác định trực tiếp thông số của một phân tử dựa trên yêu cầu độ tin cậy và các thông số của các phần tử khác Do tính phức tạp cao của bài toán tổng hợp trực tiếp, việc áp dụng chỉ phù hợp cho các bài toán nhỏ, hạn chế về quy mô và phạm vi.
Các bài toán lớn về nguồn điện và lưới điện vẫn cần sử dụng phương pháp tổng hợp gián tiếp, trong đó lập nhiều phương án khác nhau để đánh giá độ tin cậy của hệ thống Phương pháp này thường áp dụng kỹ thuật phân tích để tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy nhằm so sánh và lựa chọn phương án tối ưu nhất Việc sử dụng phương pháp tổng hợp gián tiếp giúp đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của hệ thống điện trong các thiết kế và vận hành lớn.
Trong các bài toán về độ tin cậy, thường xuyên xuất hiện các vấn đề liên quan đến quy hoạch và vận hành hệ thống Các bài toán này bao gồm cả giải tích và tổng hợp, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo độ tin cậy cao nhất cho hệ thống Việc phân tích chính xác giúp cải thiện khả năng dự báo và nâng cao tính bền vững của các cơ cấu kỹ thuật.
Phụ tải Lưới phân phối
Phân tích độ tin cậy đóng vai trò quan trọng trong quy hoạch, thiết kế và vận hành hệ thống điện, giúp đảm bảo tính ổn định và an toàn của hệ thống Việc tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy dựa trên các thông số của các phần tử hệ thống như trạm biến áp hoặc sơ đồ lưới điện là yếu tố then chốt để đánh giá hiệu suất hoạt động Các chỉ tiêu này luôn đi kèm với tiêu chuẩn hỏng hóc hoặc tiêu chuẩn hoàn thành nhiệm vụ, do người phân tích độ tin cậy xác định nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục và hiệu quả.
Tuy nhiên các kết quả nói chung cũng vẫn sử dụng được trong quy hoạch cũng như vận hành hệ thống điện.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Mối quan hệ giữa độ tin cậy cung cấp điện và tính kinh tế
1.2.1 Độ tin cậy và tổn thất kinh tế do mất điện Điện năng là động lực chính của toàn bộ nền kinh tế Việc mất điện gây ảnh hưởng lớn đến sinh hoạt và sản xuất, để lại nhiều hậu quả cho kinh tế xã hội Mất điện đặc biệt nghiêm trọng ở những nơi cần độ an toàn công cộng và môi trường cao như bệnh viện, nhà máy xử lý nước thải, hầm mỏ Những nơi này thường có các nguồn điện dự phòng như máy phát điện tuy nhiên việc mất nguồn điện chính vẫn để lại hậu quả và thiệt hại đáng kể.
Theo hậu quả của mất điện, các phụ tải được chia làm 2 loại:
- Loại phụ tải mà sự mất điện gây ra các hậu quả mang tính chính trị - xã hội.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Tổn thất kinh tế đối với các cơ sở sản xuất và kinh doanh là thiệt hại mà họ phải gánh chịu khi gặp mất điện đột xuất hoặc theo kế hoạch Những sự cố mất điện này gây gián đoạn quá trình sản xuất, ảnh hưởng đến doanh thu và lợi nhuận của doanh nghiệp Hậu quả của mất điện còn gồm các chi phí bổ sung để khắc phục sự cố và duy trì hoạt động kinh doanh liên tục Do đó, việc đảm bảo nguồn điện ổn định đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tổn thất kinh tế cho các cơ sở sản xuất, kinh doanh.
Mất điện đột ngột có thể gây hỏng hóc sản phẩm, gián đoạn quá trình sản xuất và dẫn đến tổn thất kinh tế lớn Mức độ thiệt hại phụ thuộc vào tần suất mất điện, lượng điện năng bị gián đoạn, hoặc cả hai yếu tố này cùng lúc Trong các trường hợp mất điện theo kế hoạch, thiệt hại thường thấp hơn nhờ vào sự chuẩn bị từ trước của các cơ sở sản xuất.
Tổn thất điện năng được tính toán dựa trên từng loại xí nghiệp hoặc cơ sở kinh doanh cụ thể, nhằm đảm bảo chính xác trong việc thiết kế hệ thống cung cấp điện phù hợp Việc phân tích kỹ lưỡng này giúp tối ưu hóa hiệu suất quản lý điện và giảm thiểu hao hụt, đảm bảo nguồn điện ổn định và tiết kiệm chi phí vận hành Do đó, việc xác định chính xác tổn thất trên từng loại hình doanh nghiệp là yếu tố quan trọng trong quá trình lên kế hoạch và thiết kế hệ thống điện năng hiệu quả.
Tổn thất kinh tế trong hệ thống điện phản ánh các tổn thất thực tế tại phụ tải và được tính toán dựa trên các quan điểm hệ thống điện Các tổn thất này đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và quy hoạch hệ thống điện, nhằm đảm bảo đáp ứng nhu cầu về độ tin cậy của phụ tải Đồng thời, việc quản lý tổn thất kinh tế còn giúp tối ưu hóa hiệu quả kinh tế của toàn bộ hệ thống điện, góp phần giảm chi phí và nâng cao hiệu suất hoạt động.
Tổn thất điện năng được tính riêng biệt cho lưới phân phối, lưới truyền tải và nguồn điện để đảm bảo chính xác trong quản lý năng lượng Ngoài ra, các tổn thất còn được xác định cho từng loại phụ tải trong mỗi lần mất điện, dựa trên mức tổn thất tính theo 1 kW hoặc 1 kWh Việc đánh giá tổn thất còn bao gồm cả thời gian mất điện, giúp tối ưu hoá hệ thống truyền tải và phân phối điện năng, nâng cao hiệu quả hoạt động của mạng lưới điện.
Tổn thất kinh tế do mất điện gây ra rất lớn, đồng thời yêu cầu nâng cao độ tin cậy cấp điện để đảm bảo an toàn chính trị - xã hội Hệ thống điện cần liên tục hoàn thiện về cấu trúc và cải tiến về vận hành nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Lưới phân phối là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới độ liên tục cung cấp điện cho khách hàng Tăng cường đảm bảo độ tin cậy cho khách hàng không chỉ giảm thiểu chi phí xã hội mà còn mang lại lợi ích to lớn cho nền kinh tế quốc dân.
1.2.2 Bài toán tối ưu đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho lưới phân phối
Ngành điện và các công ty điện lực luôn hướng tới mục tiêu cung cấp điện liên tục, ổn định và chất lượng cao cho khách hàng Họ sử dụng hệ thống và trang thiết bị hiện có một cách hiệu quả về mặt kinh tế để đảm bảo dịch vụ điện không gián đoạn Cung cấp điện liên tục được hiểu là việc cung cấp điện một cách chắc chắn và an toàn cho con người, thiết bị, đồng thời duy trì chất lượng điện năng trong giới hạn của điện áp và tần số trong phạm vi cho phép, gần với giá trị danh định.
Giá trị độ tin cậy là yếu tố quan trọng để đánh giá khả năng hoạt động liên tục của hệ thống và dự đoán tỷ lệ tăng trưởng của nó Phân tích độ tin cậy trong kinh tế giúp đưa ra các quyết định chi tiêu tài chính chính xác nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống Việc đầu tư thêm vào hệ thống dựa trên phân tích này là một công cụ kế hoạch hiệu quả để cải thiện hiệu suất và giảm thiểu rủi ro vận hành.
Trong môi trường cạnh tranh ngày càng gay gắt, các công ty điện lực phải đối mặt với nhiều ràng buộc về kinh tế, xã hội, chính trị và môi trường, đòi hỏi các quyết định về quy hoạch, đầu tư tài chính và vận hành phải tối ưu để duy trì và mở rộng hệ thống điện liên kết Tăng cường độ tin cậy trong cung cấp điện là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng dịch vụ của các công ty điện lực, đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí và giá thành điện năng, qua đó đảm bảo khả năng sinh lời và sự chấp nhận của khách hàng Do đó, việc đánh giá mối quan hệ giữa chi phí, độ tin cậy và giá thành điện năng là cần thiết để thiết lập các tiêu chuẩn thực tiễn, mặc dù tính toán chi phí độ tin cậy còn phức tạp, chủ quan và khó thực hiện trực tiếp Phương pháp tính toán thay thế, chủ yếu dựa trên thiệt hại của khách hàng do mất điện, được sử dụng rộng rãi để ước lượng chi phí độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện Chi phí mất điện phản ánh rõ ràng giá thành của độ tin cậy, trong khi chi phí xã hội liên quan đến chất lượng và độ liên tục của cung cấp điện thể hiện lợi ích và giá trị xã hội của hệ thống điện ổn định.
Việc quy hoạch hệ thống điện gặp thách thức trong việc lựa chọn các phương án phát triển dựa trên phân tích chi phí Các phương pháp đánh giá ảnh hưởng của sự cố cung cấp điện đối với khách hàng đóng vai trò quan trọng trong quá trình ra quyết định Nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa độ tin cậy hệ thống và chi phí đầu tư, thể hiện rõ qua đường cong trong Hình 1.2, giúp xác định chiến lược tối ưu để cân bằng giữa độ tin cậy và chi phí.
Hình 1.2 Quan hệ giữa độ tin cậy và chi phí đầu tư
Độ tin cậy tiệm cận với giá trị 1 khi vốn đầu tư tăng lên vô hạn, cho thấy rằng độ tin cậy càng cao thì chi phí đầu tư càng lớn Tuy nhiên, sau một mức vốn nhất định, việc tăng thêm vốn đầu tư không còn làm tăng đáng kể độ tin cậy, tạo thành vùng bão hòa của đường cong độ tin cậy Điều này phản ánh mối quan hệ nghịch lý giữa chi phí và độ tin cậy trong quản lý dự án và đầu tư.
Hình 1.3 Độ tin cậy và chi phí tối ưu
Tăng chi phí đầu tư giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện, từ đó giảm thiểu tổn thất kinh tế do mất điện Tổng chi phí của hệ thống gồm chi phí đầu tư và chi phí mất điện, và mức độ tối ưu được xác định tại điểm mà tổng chi phí thấp nhất Độ tin cậy không phải là cố định mà phụ thuộc vào điểm tối ưu của tổng chi phí Trong các quốc gia có nền công nghiệp phát triển, chi phí mất điện cao hơn khiến việc duy trì độ tin cậy tối ưu trở nên cần thiết để giảm thiểu tổn thất kinh tế.
1.3 Các chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện phân phối Đối với lưới điện phân phối, khi không xét đến ảnh hưởng của sự cố tại nguồn điện, và là nơi trực tiếp cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ, các chỉ tiêu phân phối thuộc bộ tiêu chuẩn IEEE-P1366 được sử dụng, bao gồm: tần suất mất điện trung bình của hệ thống (SAIFI), thời gian mất điện trung bình của hệ thống (SAIDI), tần suất mất điện trung bình của khách hàng (CAIFI), thời gian mất điện trung bình của khách hàng (CAIDI), tần suất mất điện thoáng qua trung bình (MAIFI), khả năng sẵn sàng phục vụ trung bình (ASAI) …
1.3.1 Tần suất mất điện trung bình của hệ thống SAIFI (System average interruption frequency index)
Yêu cầu và các biện pháp nâng cao độ tin cậy cho lưới điện phân phối
1.4.1 Các quy định của Bộ Công Thương về đảm bảo chỉ tiêu độ tin cậy cho lưới điện phân phối
Thông tư 39/2015/TT-BCT của Bộ Công Thương quy định về các yêu cầu vận hành hệ thống phân phối điện, trong đó tiêu chuẩn về độ tin cậy vận hành của lưới điện phân phối được đánh giá định kỳ hàng quý và phê duyệt hàng năm cho các đơn vị điện lực toàn quốc Các chỉ số đánh giá độ tin cậy này hướng tới khách hàng nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ của các đơn vị phân phối điện theo chuẩn quốc tế IEEE-P1366.
Cụ thể các chỉ số đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối được yêu cầu thống kê và bảo đảm bao gồm:
- Chỉ số về thời gian mất điện trung bình của lưới điện phân phối (SAIDI);
- Chỉ số về số lần mất điện trung bình của lưới điện phân phối (SAIFI);
- Chỉ số về số lần mất điện thoáng qua trung bình của lưới điện phân phối (MAIFI).
1.4.2 Trình tự phê duyệt tiêu chuẩn độ tin cậy hàng năm cho lưới điện phân phối
Trước ngày 15 tháng 9 hàng năm, Tập đoàn Điện lực Việt Nam có trách nhiệm tổng hợp các tính toán độ tin cậy cho năm tiếp theo của các đơn vị phân phối điện Việc này nhằm đảm bảo kế hoạch vận hành hệ thống điện được xây dựng chính xác Sau đó, các kết quả sẽ được trình lên Cục Điều tiết điện lực để xem xét, phê duyệt Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và ổn định cung cấp điện quốc gia.
Trước ngày 15 tháng 10 hàng năm, Cục Điều tiết điện lực phê duyệt chỉ tiêu độ tin cậy cho lưới điện phân phối của các đơn vị phân phối điện Chỉ tiêu này là cơ sở để tính toán giá phân phối điện, đảm bảo cung cấp dịch vụ ổn định và tin cậy cho khách hàng Việc phê duyệt này giúp các đơn vị phân phối điện định hướng nâng cao chất lượng mạng lưới và tối ưu chi phí vận hành.
1.4.3 Chế độ báo cáo tại các đơn vị điện lực
Trước ngày 15 của tháng đầu tiên mỗi quý, đơn vị phân phối điện phải gửi báo cáo bằng văn bản đến Cục Điều tiết điện lực Báo cáo này phản ánh việc thực hiện chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối trong quý trước đó Việc báo cáo đúng hạn giúp đảm bảo việc theo dõi và đánh giá hiệu quả hoạt động cung cấp điện của các đơn vị phân phối Điều này cũng góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ và đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.
Các biện pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối
1.5 Các biện pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối
Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống phân phối điện, cần tập trung nâng cao độ tin cậy của các phần tử hợp thành lưới, như đường dây, máy biến áp, máy cắt, thiết bị bảo vệ, điều khiển và tự động hóa Hiện nay, sự phát triển của công nghệ vật liệu mới đã giúp ứng dụng nhiều vật liệu và thiết bị điện có độ tin cậy cao, chẳng hạn như vật liệu cách điện chịu điện áp cao và các loại máy cắt điện chân không, SF6 Công nghệ kỹ thuật số trong các thiết bị bảo vệ và tự động hóa đang thay thế các thiết bị rơ le điện từ, giúp nâng cao độ tin cậy hệ thống Trong khi đó, máy biến áp mới với tổn thất thấp và vật liệu thép kỹ thuật điện chất lượng cao cũng góp phần tăng độ tin cậy của lưới điện Tuy nhiên, việc lựa chọn sử dụng thiết bị có độ tin cậy cao cần cân nhắc đến chi phí đầu tư và điều kiện cụ thể của từng loại phụ tải, như đối với các hộ không được phép mất điện Hiện nay, nhiều thiết bị cũ và công nghệ lạc hậu trong lưới điện đang dần được thay thế bằng các thiết bị hiện đại giúp nâng cao độ tin cậy hệ thống phân phối điện một cách rõ rệt.
Việc sử dụng các thiết bị tự động và hệ thống điều khiển từ xa như SCADA là giải pháp hiệu quả để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện Các thiết bị tự động như tự động đóng nguồn dự phòng và thiết bị tự động đóng lại giúp giảm thiểu thời gian mất điện do các sự cố thoáng qua như sét đánh hay vật thể rơi vào đường dây, nhờ khả năng đóng lại nhanh chóng trong vòng 2-5 giây và đảm bảo phụ tải không bị gián đoạn Hệ thống SCADA cho phép giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa, giúp nhanh chóng phân đoạn lưới sự cố và khôi phục cấp điện cho các phân đoạn không bị ảnh hưởng, đặc biệt trong mạng lưới phân phối nhiều nguồn, phức tạp như nội thành Tuy nhiên, đối với các vùng ngoại thành và nông thôn, chi phí lắp đặt hệ thống này khá lớn, ảnh hưởng đến tính kinh tế của công trình.
Biện pháp thứ ba nhằm tăng cường khả năng dự phòng của hệ thống điện bằng cách áp dụng sơ đồ kết dây lưới điện hợp lý như sử dụng đường dây mạch kép, lưới kín vận hành hở hoặc lưới phân đoạn, giúp nâng cao độ tin cậy của mạng lưới Trong khi lưới hình tia có phân nhánh và độ tin cậy thấp thường được dùng cho hệ thống phân phối hiện nay do yếu tố kinh tế, việc cải tiến sơ đồ kết dây linh hoạt giúp hạn chế tối đa khả năng mất điện đối với phụ tải Những sơ đồ này cho phép chuyển đổi kết dây linh hoạt, góp phần đảm bảo liên tục cấp điện và nâng cao độ tin cậy của lưới phân phối.
Hiện nay, các sơ đồ kết dây phổ biến bao gồm sơ đồ sử dụng đường dây mạch kép, sơ đồ lưới kín vận hành hở, và sơ đồ lưới có phân đoạn, phù hợp với các nhu cầu khác nhau Sơ đồ mạch kép sử dụng hai đường dây cấp điện cho phụ tải, cho phép vận hành song song hoặc độc lập, đảm bảo độ tin cậy cao nhưng chi phí lớn, phù hợp cho phụ tải quan trọng như các hộ phụ tải loại 1 Sơ đồ lưới kín vận hành hở kết hợp nhiều nguồn và phân đoạn, chỉ mất điện từng đoạn khi có sự cố, giúp giảm chi phí đầu tư và phù hợp với hệ thống phân phối điện, phụ thuộc vào tình hình nguồn điện khu vực Trong khi đó, sơ đồ lưới có phân đoạn, đặc biệt dạng sơ đồ hình tia, là lựa chọn phổ biến hiện nay nhờ chi phí thấp và tính đơn giản, tuy nhiên có độ tin cậy chưa cao, khi xảy ra sự cố tại một phân đoạn thì chỉ phần phía sau bị mất điện.
Nguồn điện chỉ bị mất tạm thời trong quá trình thao tác nhờ vào các thiết bị phân đoạn, giúp giảm thời gian mất điện của phụ tải Việc lựa chọn vị trí và số lượng thiết bị phân đoạn ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả vận hành hệ thống điện, đòi hỏi phải phù hợp với từng lưới cụ thể Kinh nghiệm thực tế cho thấy sử dụng nhiều thiết bị phân đoạn trên đường dây giúp giảm thiểu tổn thất điện năng do bảo dưỡng định kỳ và sự cố, tuy nhiên, việc lắp đặt quá nhiều thiết bị sẽ làm tăng chi phí đầu tư và phần tử gây cố trong lưới Đối với hệ thống trung áp, chiều dài các đoạn phân đoạn thường chọn từ 2-3 km để cân bằng giữa hiệu quả và chi phí Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống phân phối, có thể kết hợp các thiết bị tự động đóng cắt và điều khiển từ xa, giúp loại trừ ảnh hưởng của sự cố thoáng qua và rút ngắn thời gian thao tác Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm về chi phí đầu tư khá lớn, đòi hỏi so sánh giữa lợi ích nâng cao độ tin cậy và khoản đầu tư cần bỏ ra.
Tổ chức tìm và sửa chữa sự cố nhanh là giải pháp quan trọng để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giúp rút ngắn thời gian mất điện của phụ tải Đảm bảo có đủ nhân lực, dụng cụ, vật tư, thiết bị dự phòng và phương tiện sẵn sàng để ứng phó mọi tình huống là điều cần thiết Việc thu thập, phân tích và cô lập sự cố nhanh chóng góp phần giảm thời gian mất điện và điện năng bị mất do sự cố, nâng cao chỉ số độ tin cậy của lưới phân phối Ngoài ra, tăng cường đào tạo kỹ năng, nâng cao tính kỷ luật của nhân viên vận hành sẽ giúp nâng cao tỷ lệ sửa chữa lưới điện theo hình thức hot-line — phương pháp đơn giản, tiết kiệm và hiệu quả trong giảm thời gian mất điện khi xảy ra sự cố.
Kết luận chương 1
Độ tin cậy của lưới điện nói chung và lưới phân phối nói riêng là một trong những chỉ tiêu quan trọng trong công tác quản lý và vận hành, giúp giảm thiểu tổn thất gây ra bởi mất điện và chi phí khắc phục Việc nâng cao độ tin cậy đòi hỏi đầu tư phù hợp, vì chi phí này tỉ lệ nghịch với thiệt hại kinh tế do mất điện gây ra Hiện nay, yếu tố độ tin cậy chưa được chú trọng đầy đủ trong quy hoạch phát triển lưới điện để tối ưu hóa cấu trúc ngay từ giai đoạn thiết kế Để nâng cao hiệu quả vận hành, cần định lượng độ tin cậy dựa trên các chỉ số phù hợp, từ đó xây dựng các phương án quy hoạch tối ưu Tại Việt Nam, việc đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối được thực hiện theo Thông tư 39/2015/TT-BCT và các tiêu chuẩn IEEE-P1366, so sánh với chỉ tiêu cấp phát hàng năm của Tổng công ty Điện lực Luận văn sẽ nghiên cứu phương pháp đánh giá các chỉ tiêu độ tin cậy dựa trên dữ liệu thực tế, các biện pháp nâng cao độ tin cậy, phân tích hiệu quả kinh tế của các biện pháp này, đồng thời áp dụng tính toán cho lưới điện trung áp điển hình tại Hà Nội.
PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Cấu trúc điển hình của lưới điện phân phối tại các đơn vị điện lực
Lưới điện phân phối đóng vai trò là khâu cuối cùng trong hệ thống cung cấp điện, chịu trách nhiệm truyền tải điện năng đến các phụ tải tiêu thụ Đây là thành phần quan trọng do các đơn vị điện lực (Power Companies - PCs) quản lý và vận hành, đảm bảo nguồn điện ổn định và hiệu quả cho người tiêu dùng Việc duy trì và phát triển lưới điện phân phối đóng góp vào sự an toàn, liên tục và chất lượng cung cấp điện trong toàn bộ hệ thống năng lượng quốc gia.
Lưới phân phối điện bắt đầu từ các trạm biến áp trung gian, nằm tại trung tâm các cụm phụ tải địa phương và cung cấp điện trực tiếp cho các hộ tiêu thụ Phần lưới trung áp (1-35kV) kết nối với lưới hạ áp (380/220V) qua các trạm biến áp phân phối, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp điện ổn định và hiệu quả Lưới phân phối ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của hệ thống điện, góp phần nâng cao hiệu suất vận hành và giảm chi phí sản xuất điện.
- Chi phí cho đầu tư xây dựng lưới phân phối chiếm tỷ lệ lớn.
- Tổn thất điện năng trong lưới phân phối lớn gấp 2-3 lần lưới truyền tải và chiếm (65-70)% tổn thất toàn hệ thống.
- Thời gian ngừng điện sự cố và ngừng điện kế hoạch lớn hơn lưới truyền tải nhiều lần.
- Lưới phân phối ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện năng cung cấp cho phụ tải (chủ yếu là chỉ tiêu điện áp).
- Độ tin cậy của lưới phân phối ảnh hưởng trực tiếp nhất đến phụ tải.
Nghiên cứu độ tin cậy của lưới phân phối là rất cần thiết trong hệ thống điện, giúp đảm bảo hoạt động ổn định và liên tục của nguồn cung cấp điện Việc này là một trong những yếu tố quan trọng để nâng cao chất lượng dịch vụ và giảm thiểu rủi ro mất điện cho người tiêu dùng Đánh giá độ tin cậy lưới phân phối góp phần tăng cường hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn cho hệ thống điện quốc gia.
Lưới phân phối điện gồm hai cấp chính là lưới phân phối trung áp và lưới phân phối hạ áp, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải điện năng đến các khu vực dân cư và doanh nghiệp Các cấp điện áp trung áp hiện nay được sử dụng trong lưới phân phối để đảm bảo hiệu quả truyền tải và ổn định nguồn điện Việc lựa chọn cấp điện áp phù hợp trong lưới phân phối trung áp giúp tối ưu hóa quá trình phân phối điện năng, giảm thiểu tổn thất và nâng cao độ tin cậy của hệ thống Điều này góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp điện và đảm bảo nguồn điện liên tục, ổn định cho người dùng cuối.
Lưới phân phối trung áp truyền tải điện từ các trạm biến áp trung gian đến các trạm biến áp hạ áp, đảm bảo cung cấp điện ổn định và hiệu quả Cấp điện áp phổ biến cho lưới phân phối hạ áp là 0,4kV, phù hợp để phân phối điện năng đến các hộ tiêu thụ Lưới phân phối hạ áp có chức năng cấp điện trực tiếp cho các khách hàng, đảm bảo nguồn điện ổn định để sinh hoạt và sản xuất.
Lưới phân phối có nhiệm vụ cung cấp điện cho phụ tải với chất lượng điện năng đạt tiêu chuẩn và độ tin cậy cao trong phạm vi cho phép Tuy nhiên, do ảnh hưởng của các yếu tố kinh tế và điều kiện kỹ thuật, độ tin cậy của lưới phân phối hiện nay phụ thuộc vào nhu cầu của phụ tải và chất lượng của hệ thống Do đó, việc nâng cao độ tin cậy của lưới phân phối là yếu tố quan trọng để đảm bảo cung cấp điện ổn định, liên tục và chất lượng cao cho khách hàng.
Về phương diện độ tin cậy cung cấp điện, cấu trúc của lưới phân phối tại các đơn vị điện lực của Việt Nam thường là (theo [3]):
Lưới phân phối hình tia có đặc điểm đơn giản, chi phí đầu tư thấp, nhưng lại có độ tin cậy khá thấp và không phù hợp để đáp ứng các phụ tải quan trọng trong hệ thống điện.
Lưới phân phối hình tia có phân đoạn (Hình 2.1b) là hệ thống phân phối điện được chia thành nhiều đoạn nhờ thiết bị phân đoạn như dao cách ly, cầu dao phụ tải hoặc máy cắt phân đoạn, có thể đóng cắt bằng tay hoặc hệ thống điều khiển từ xa Độ tin cậy của lưới này phụ thuộc vào chất lượng của thiết bị phân đoạn và hệ thống điều khiển chúng, giúp nâng cao tính an toàn và ổn định trong phân phối điện.
Lưới kín vận hành hở (Hình 2.1c) có cấu trúc mạch vòng kín hoặc gồm hai nguồn, cùng với các thiết bị phân đoạn trong mạch vòng Khi hệ thống hoạt động bình thường, lưới vận hành theo chế độ hở, giúp dễ dàng điều chỉnh sơ đồ cấp điện khi có sự cố hoặc cần sửa chữa đường dây nhờ các thiết bị đóng cắt Trong quá trình sửa chữa, phân đoạn bị mất điện nhưng các phân đoạn còn lại vẫn tiếp tục cấp điện bình thường, đảm bảo độ tin cậy cao hơn các sơ đồ truyền thống Mặc dù nguyên tắc có thể vận hành lưới kín, nhưng do yêu cầu sử dụng thiết bị bảo vệ và điều khiển chất lượng cao, hệ thống này sẽ đắt hơn Vận hành lưới hở đơn giản, tiết kiệm chi phí và dễ thực hiện hơn nhiều so với các hệ thống phức tạp khác.
Hình 2.1 Các cấu trúc điển hình của lưới phân phối
Thông số độ tin cậy phần tử
Các phần tử của hệ thống điện thường là các phần tử phục hồi, có khả năng được sửa chữa và khôi phục sau khi gặp sự cố Đặc trưng của phần tử phục hồi bao gồm các thông số độ tin cậy như cường độ hỏng hóc λ, thời gian làm việc trung bình T0, cường độ phục hồi μ và thời gian phục hồi trung bình τ0 Cường độ hỏng hóc của một phần tử, hay số lần hỏng hóc trong một đơn vị thời gian, phản ánh khả năng gặp sự cố đột ngột của các phần tử trong lưới điện vận hành Khả năng hỏng hóc này được mô tả bằng cường độ hỏng hóc λ(t), vốn thay đổi theo thời gian, nhưng trong nghiên cứu độ tin cậy thường sử dụng giá trị trung bình của λ gọi là cường độ hỏng hóc trung bình của phần tử trong một năm, dựa trên thống kê dữ liệu quan sát các phần tử.
Trong đó: m: số lần hỏng quan sát được. n: số phần tử T: thời gian làm việc Với 1 thiết bị cường độ hỏng hóc chia thành 3 thời kỳ:
- Thời kỳ phần tử mới bắt đầu làm việc hay xảy ra hỏng hóc do các khuyết tật khi lắp ráp, λ(t) giảm dần (thời kỳ chạy roda).
- Thời kỳ làm việc bình thường của phần tử: λ(t) = hằng số.
- Thời kỳ già cỗi λ(t) tăng dần.
Hình 2.2 Mô hình cường độ hỏng hóc b Thời gian làm việc trung bình:
Thời gian giữa hai lần sửa chữa được tính bằng giá trị nghịch đảo của cường độ hỏng hóc, giúp xác định chính xác khoảng thời gian tối ưu để bảo trì Chỉ cần thống kê một trong hai thông số này để có thể đánh giá hiệu quả và lập kế hoạch bảo trì phù hợp Việc hiểu rõ mối liên hệ giữa thời gian giữa các lần sửa chữa và cường độ hỏng hóc là yếu tố then chốt để tối ưu hoá quy trình bảo trì và nâng cao độ tin cậy của thiết bị.
(2.2) c Thời gian phục hồi sửa chữa trung bình τ0:
Trong quá trình phân tích độ tin cậy, chỉ cần thống kê một thông số duy nhất để đánh giá cường độ hỏng hóc giữa τ0 và μ Độ sẵn sàng của hệ thống được đo bằng thời gian sửa chữa Th, phản ánh khả năng khôi phục hoạt động sau khi phần tử bị hỏng Khi gặp sự cố, phần tử sẽ được sửa chữa hoặc thay thế bằng phần tử dự phòng, sau đó hệ thống tiếp tục vận hành Để thể hiện đặc tính này một cách chính xác, chúng ta sử dụng đại lượng mới gọi là độ sẵn sàng A, giúp đánh giá hiệu quả phục hồi của hệ thống trong quá trình hoạt động.
Độ sẵn sàng của hệ thống được xác định bằng công thức A = Tlv / (Tlv + Th), phản ánh xác suất để phần tử ở trạng thái hoạt động tốt, sẵn sàng phục vụ bất kỳ thời điểm nào t Thời gian ngừng điện công tác, là số lần cắt điện trong năm để bảo trì hệ thống lưới điện, được đặc trưng bởi số lần ngừng điện yearly λCT và thời gian trung bình mỗi lần ngừng điện TCT, nhằm đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả của hệ thống.
Phương pháp tính độ tin cậy cho lưới điện phân phối
2.3.1 Lưới phân phối không phân đoạn
Sơ đồ lưới phân phối hình tia được thể hiện trên (Hình 2.3)
Lưới phân phối hình tia không phân đoạn, như đã trình bày trong Hình 2.3a, dễ bị ngừng cung cấp điện toàn bộ khi xảy ra hỏng hóc hoặc sự cố ở bất kỳ vị trí nào Khi có sự cố trên lưới này, toàn bộ hệ thống sẽ mất điện, vì lưới được xem như là một phần tử duy nhất Do đó, tính liên tục cung cấp điện của lưới phân phối hình tia không phân đoạn phụ thuộc hoàn toàn vào tình trạng của từng điểm trong hệ thống.
Cường độ hỏng hóc toàn lưới phân phối là:
(2.6) Trong đó: λ0 - Cường độ hỏng hóc cho 100km
L - Độ dài lưới phân phối Cường độ ngừng điện tổng là:
(2.7) Trong đó: λ0 - Cường độ ngừng điện công tác
Thời gian ngừng điện do sự cố trong một năm là:
(2.8) Trong đó: TSC - Thời gian sửa chữa sự cố
Thời gian ngừng điện công tác là:
(2.9) Trong đó: TCT - Thời gian trung bình một lần ngừng điện công tác
Tổng thời gian ngừng điện là:
(2.10) Công suất và thời gian sử dụng công suất lớn nhất của toàn lưới phân phối là:
(2.12) Điện năng mất do sự cố:
(2.13) Điện năng mất do ngừng điện công tác là:
2.3.2 Lưới phân phối phân đoạn Để tăng cường độ tin cậy, lưới phân phối hình tia được phân thành nhiều đoạn bằng thiết bị đóng cắt có thể là: dao cách ly hoặc máy cắt điều khiển bằng tay tại chỗ hoặc điều khiển từ xa.
Trong trường hợp phân đoạn bằng dao cách ly, nếu xảy ra sự cố ở một phân đoạn, máy cắt đầu nguồn sẽ nhảy tạm thời để cắt toàn bộ lưới phân phối nhằm đảm bảo an toàn Dao cách ly phân đoạn giúp cô lập phần tử bị sự cố khỏi nguồn điện, ngăn chặn tình trạng lan rộng và gây ảnh hưởng nguy hiểm Sau khi xác định và xử lý sự cố, nguồn điện được đóng lại để cấp trở lại cho các phân đoạn nằm trước phần bị sự cố, đảm bảo vận hành liên tục và an toàn của hệ thống điện.
Khi xảy ra sự cố tại một phân đoạn, phụ tải của phân đoạn đó và các phân đoạn phía sau (được cấp điện qua phân đoạn sự cố) sẽ mất điện trong suốt quá trình sửa chữa Trong khi đó, phụ tải của các phân đoạn nằm trước phân đoạn sự cố về phía nguồn chỉ mất điện trong thời gian thao tác cô lập phần tử sự cố, giúp giảm thiểu ảnh hưởng đến hệ thống điện và nâng cao độ tin cậy của lưới.
Trong quá trình phân đoạn bằng máy cắt, khi xảy ra sự cố trên một phần tử, máy cắt sẽ tự động ngắt và cô lập phần tử này để đảm bảo an toàn và ngăn chặn sự lan rộng gây ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống Các phần tử nằm trước phần tử sự cố hoàn toàn không bị ảnh hưởng, giúp duy trì hoạt động ổn định của hệ thống phân đoạn Quá trình tự động cắt và cô lập này là giải pháp hiệu quả để đảm bảo an toàn và liên tục trong vận hành của hệ thống điện.
Giải pháp phân đoạn giúp tăng đáng kể độ tin cậy của lưới phân phối và giảm tổn thất kinh tế do mất điện, tuy nhiên đòi hỏi đầu tư vốn lớn Phân đoạn là bài toán tối ưu nhằm xác định số lượng, vị trí đặt và loại thiết bị phân đoạn sao cho đạt hiệu quả kinh tế cao nhất Để tính độ tin cậy của lưới phân đoạn, cần đẳng trị các đoạn lưới thành các đoạn chỉ có một phụ tải, dựa trên các công thức (2.11) và (2.12); các thông số độ tin cậy của các đoạn lưới được tính theo công thức (2.6) đến (2.10) Hình 2.3b trình bày lưới phân phối phân đoạn gồm hai phân đoạn, còn Hình 2.3c thể hiện lưới phân phối đẳng trị của nó, tính từ nguồn, đoạn lưới I đứng trước đoạn lưới II.
Đoạn lưới I có thể ngừng hoạt động do hỏng hóc nội bộ hoặc bị ảnh hưởng bởi sự cố trên đoạn lưới phía sau, ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống điện.
Trong đoạn I, cường độ ngừng điện là λ’1 và thời gian ngừng điện là T’1 Việc xác định các giá trị này quan trọng để phân tích hậu quả của ngừng điện, đặc biệt trong các tình huống sự cố hoặc ngừng điện công tác Để tính toán chính xác, cần áp dụng các công thức phù hợp với từng loại ngừng điện, đảm bảo đánh giá đúng mức độ ảnh hưởng đến hệ thống điện.
- Ảnh hưởng của sự cố trên các đoạn lưới sau nó, ở đây là đoạn II, ảnh hưởng này phụ thuộc vào thiết bị phân đoạn.
+ Nếu dùng máy cắt thì đoạn II hoàn toàn không ảnh hưởng đến đoạn I: λII>I = 0; TII>I = 0
Khi sử dụng dao cách ly, sự cố đoạn II gây ngừng cung cấp điện đoạn I trong quá trình thao tác cô lập sự cố Ttt, dẫn đến việc λII > I = λ’II và TII > I = Ttt.
Tổng số lần ngừng điện và thời gian ngừng điện của đoạn lưới I được tính bằng tổng các yếu tố liên quan: λI = λ’I + λII>I và T1 = T’1 + TII>I, cho thấy các nguyên nhân gây mất điện Đoạn lưới II có khả năng ngừng điện do sự cố riêng hoặc ảnh hưởng của sự cố trên các đoạn trước và sau nó, trong đó đoạn I nằm ở trước giúp xác định phạm vi tác động Các yếu tố này đều ảnh hưởng đến độ tin cậy và vận hành của hệ thống lưới điện, giúp các kỹ thuật viên đưa ra các giải pháp tối ưu nhằm giảm thiểu thời gian ngừng điện.
- Cường độ hỏng hóc của đoạn lưới II là λ’II và thời gian ngừng điện nằm là T’II.
Đoạn I ảnh hưởng hoàn toàn đến đoạn II mà không phụ thuộc vào thiết bị phân đoạn Điều này có nghĩa là cường độ hỏng hóc và thời gian ngừng điện của đoạn II chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi đoạn I, với các mối quan hệ λI>II = λ’I và TI>II = T’1 Hiểu rõ mối liên hệ này giúp tối ưu hóa quá trình vận hành và giảm thiểu rủi ro trong hệ thống điện, đồng thời nâng cao độ tin cậy của các đoạn truyền tải.
- Tổng số lần ngừng điện và tổng thời gian ngừng điện của đoạn lưới II là: λII = λ’II + λ’I; TII = T’II + T’I
Do đó có thể rút ra kết luận chung như sau:
Các đoạn lưới phía sau chịu ảnh hưởng toàn phần của các đoạn lưới phía trước, trong khi các đoạn lưới phía trước chỉ chịu ảnh hưởng không toàn phần của các đoạn lưới phía sau Mức độ ảnh hưởng này phụ thuộc vào loại thiết bị phân đoạn sử dụng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của hệ thống lưới Hiểu rõ mối quan hệ này giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành các hệ thống lưới điện nhằm đảm bảo ổn định và hiệu quả vận hành.
Trong tính toán trên bỏ qua hỏng hóc của thiết bị phân đoạn và sử dụng thiết bị phân đoạn không phải bảo dưỡng định kỳ.
Sau khi tính được TI và TII thì điện năng mất sẽ tính theo (2.13) và (2.14).
Công cụ tính toán đánh giá độ tin cậy
Bài viết trình bày phương pháp và công cụ tính toán độ tin cậy cho lưới điện phân phối hình tia, phù hợp với các hệ thống có số lượng nhánh và nút bất kỳ Việc xác định độ tin cậy là yếu tố quan trọng giúp nâng cao độ ổn định và khả năng vận hành của hệ thống điện phân phối Các phương pháp phân tích và mô hình toán học được đề xuất giúp đánh giá chính xác rủi ro và xác định các điểm yếu trong lưới điện Công cụ tính toán hiện đại hỗ trợ tối ưu hóa quá trình phân tích, giảm thiểu thời gian và công sức, đồng thời nâng cao hiệu quả kiểm tra độ tin cậy của hệ thống Bằng cách áp dụng những phương pháp này, các kỹ thuật viên và nhà quản lý hệ thống điện có thể đưa ra các quyết định chính xác nhằm đảm bảo cung cấp điện liên tục, an toàn và ổn định cho khách hàng.
2.4.1 Mô phỏng cấu trúc lưới phân phối và hoạt động của thiết bị phân đoạn
Lưới phân phối trung áp cấp điện cho các trạm biến áp phân phối hạ áp TA/0,4kV đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện Lưới này có thể có cấu trúc hình cây hoặc mạch kín, nhưng khi vận hành sẽ phải cắt ra để đảm bảo hoạt động ở chế độ hở Trong quá trình vận hành, lưới phân phối chỉ được cấp điện từ một phía để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành của hệ thống.
Cấu trúc của lưới điện được mô tả cho máy tính bằng các nhánh và nút.
- Điểm đấu phụ tải bao gồm cả máy biến áp phân phối;
- Điểm nối các nhánh rẽ;
- Điểm nối hai đoạn đường dây có tiết diện hay loại dây khác nhau;
- Điểm đấu tụ bù ngang;
- Điểm đấu kháng điện, tụ bù dọc, thiết bị đóng cắt.
Các nút được đánh số từ 1 tới N Nút nguồn đánh số 0, số nhỏ gần nguồn hơn số lớn.
Nhánh là đoạn lưới hay phần tử lưới nối giữa hai nút kề nhau Nhánh có thể là:
- Đường dây điện trên không hoặc cáp;
- Kháng điện, tụ bù dọc;
Nhánh được đánh số trùng với nút cuối của nó.
Cấu trúc của lưới phân phối được nhận dạng đầy đủ nếu cho biết nhánh và nút đầu, nút cuối của mỗi nhánh.
Cặp thông số nút dầu NĐ(i) và nút cuối NC(j) của nhánh j được cho như sau:
Đầu tiên, đánh số các nút trong lưới điện từ nút nguồn đến nút tải cuối cùng, trong đó nút nguồn được đánh số 0 và các nút gần nguồn hơn được gắn số nhỏ hơn Lưới phân phối theo dạng hình tia có số nút và số nhánh bằng nhau, đều bằng N, giúp dễ dàng quản lý và phân tích hệ thống điện Việc đánh số hợp lý này là bước quan trọng trong quá trình thiết kế và vận hành lưới điện hiệu quả.
Sau đó đánh số nhánh theo quy tắc số nhánh trùng với nút cuối của nó Cách đánh số này cho phép máy tính hiểu biết dễ dàng mối quan hệ giữa các nhánh và nút, Ví dụ khi biết một nhánh là I có NĐ(i) vả NC(i) thì ta biết ngay nhánh cấp điện cho nhánh này là j = NĐ(i), còn nó cấp điện cho nhánh k có nút đầu là NĐ(k) NC(i) = i.
Cách mô tả lưới phân phối này gọi là mô tả theo cấu trúc ngược Mô tả được lập cho một đơn vị lưới phân phối, tức là toàn bộ lưới phân phối trực thuộc một trạm trung gian hoặc khu vực Nếu muốn xét đồng thời lưới phân phối của nhiều trạm nguồn thì phải lập nút nguồn giả 0 và các đoạn lưới giả có độ dài 0 km, nối nút nguồn giả có độ dài 0 km, nối nút nguồn giả với các nguồn thật đánh số từ 1,2,3…
Ví dụ, cho lưới phân phối như trên hình 2.2, ta có số nút và nhánh như sau:
Ta thấy hai hàng đầu có giá trị như nhau, như vậy cấu trúc lưới phân phối chỉ cần mô tả bởi vector NĐ(i). Để giải tích độ tin cậy của mỗi nhánh và nút cần cho biết các thông số sau: Thông số nút gồm: Công suất phụ tải tối đa Pmax và thời gian sử dụng công suất lớn nhất Tmax.
- Cường độ hỏng hóc λ0, 1/100 km.năm;
- Thời gian phục hồi sự cố t0, h;
- Độ dài lưới diện l, km;
- Thiết bị đóng cắt được cho bởi các thông số:
+ K(i) = 1 không có thiết bị đóng cắt hoặc thiết bị đóng cắt là dao cách ly.
+ K(i) = 0 thiết bị đóng cắt là máy cắt.
+ M(i) = 0 nếu không có thiết bị đóng cắt.
+ M(i) = 1 nếu có thiết bị đóng cắt.
+ Nếu là dao cách ly thì cho thời gian thao tác là tc tính theo giờ, nếu là máy cắt thì tc = 0.
+ M(i) dùng để đẳng trị lưới phân phối.
Thiết bị phân đoạn đặt ở đầu các đoạn lưới giúp máy cắt tự động cắt điện khi phát hiện sự cố, bảo vệ đoạn lưới phía trước không bị mất điện và hạn chế tác động đến các đoạn phía sau Tuy nhiên, dao cách ly không có khả năng tự động đóng cắt để bảo vệ các đoạn lưới phía trước khi xảy ra sự cố phía sau Khi có sự cố trên đoạn lưới đặt dao cách ly, máy cắt gần nguồn nhất sẽ ngắt điện, sau đó dao cách ly mới được cắt ra để cô lập đoạn lưới phía sau, rồi máy cắt đóng lại cấp điện cho các đoạn lưới còn lại từ chỗ đặt máy cắt đến đoạn lưới trước dao cách ly Trong trường hợp này, các đoạn lưới phía trước dao cách ly sẽ chịu toàn bộ ảnh hưởng về số lần và thời gian mất điện, gọi là thời gian thao tác tC, từ khi phát sinh sự cố đến khi cô lập và đóng lại máy cắt Mọi đoạn lưới đều chịu ảnh hưởng toàn phần từ đoạn lưới phía trước, bất kể đặt dao cách ly hay máy cắt, nghĩa là các đoạn phía sau sẽ gặp số lần và thời gian mất điện tương tự đoạn lưới phía trước khi xảy ra sự cố.
2.4.2 Các chỉ tiêu độ tin cậy cần tính a) Số lần cắt điện trung bình năm của một trạm biến áp phân phối TA/HA:
(2.15)Trong đó: SLPi - số lần cắt điện trạm phân phối i trong một năm.
N1 - số trạm phân phối thuộc lưới phân phối được tính. b) Thời gian cắt điện trung bình cho một trạm phân phối trong một năm:
(2.16) Trong đó: thPi - thời gian cắt điện một trạm phân phối một năm. c) Điện năng mất của toàn lưới phân phối:
2.4.3 Phương pháp tính chung chỉ tiêu độ tin cậy của lưới phân phối được cấp điện bởi một nguồn a) Đẳng trị các đoạn lưới liền nhau mà giữa chúng không có thiết bị phân đoạn thành một đoạn lưới có thiết bị phân đoạn. Độ dài đẳng trị của m đoạn lưới liền nhau thành đoạn lưới j là:
(2.18) Cường độ hỏng hóc của đoạn lưới i là:
(2.19) Cường độ hỏng hóc của lưới đẳng trị j là:
(2.20) Thời gian phục hồi trung bình của đoạn lưới j là:
(2.21) Tổng phụ tải do đoạn lưới j cấp điện khi hệ số đồng thời bằng 1 là:
Hình 2.4 trình bày ví dụ về đẳng trị lưới phân phối, thể hiện rằng cường độ hỏng hóc λj của đoạn lưới cũng chính là cường độ hỏng hóc của tất cả các trạm phân phối i, vì khi đoạn lưới j mất điện, các trạm phân phối i cũng mất điện Theo đó, công thức λPj = λj mô tả mối liên hệ này một cách rõ ràng, đảm bảo tính chính xác trong phân tích độ tin cậy của hệ thống phân phối điện.
Ví dụ về đẳng trị lưới phân phối trên (Hình 2.4) trong đó nhánh 5 nhập vào nhánh 1, nhánh 6 nhập vào nhánh 2, nhánh 7 nhập vào nhánh 3. b) Tính ma trận ảnh hưởng
Số lần cắt điện SL(i) và thời gian cắt điện th(i) của mỗi đoạn lưới là do hai nguyên nhân:
- Hỏng hóc bản thân đoạn lưới.
Hỏng hóc của các đoạn lưới trong hệ thống phân phối có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất vận hành, chia thành hai loại dựa trên vị trí tương đối của các đoạn lưới Loại 1 bao gồm các đoạn lưới nằm trên đường nối từ nguồn điện đến đoạn lưới quan tâm, với ảnh hưởng này gây ra ngừng điện hoàn toàn cho đoạn lưới xét, tương ứng chính xác với đoạn lưới ảnh hưởng, làm gián đoạn cung cấp điện một cách triệt để.
Loại 2 là các đoạn lưới còn lại nằm ngoài đường nối; đó là ảnh hưởng không toàn phần, phụ thuộc vào tính chất của các thiết bị phân đoạn chia cắt đoạn lưới ảnh hưởng với đoạn lưới xét, hoặc với các đoạn lưới trên đường nối của đoạn lưới xét. Cho lưới phân phối có N đoạn lưới, ảnh hường lẫn nhau của chúng được mô tả bằn hai ma trận ảnh hưởng AS(i,j) và AH(i,j) Ma trận AS(i,j) cho ảnh hường về số lần cắt điện của đoạn lưới i đến đoạn lưới j còn ma trận AH(i,j) cho ảnh hưởng về thời gian cắt điện của đoạn lưới i đến đoạn lưới j.
Các phần tử của hai ma trận được tính như sau:
- Ảnh hưởng của đoạn lưới j đến chính nó:
- Ảnh hưởng của các đoạn lưới k nằm trên đường nối 0 - j từ nguồn đến đoạn lưới j (cũng là nút j):
- Ảnh hướng của các đoạn lưới i còn lại nằm ngoài đường nối nhưng nối vào đoạn lưới z trên đường nối 0 - j:
- Ảnh hưởng của các đoạn lưới còn lại nằm ngoài đường nối và cũng không nối vào đoạn lưới z trên đường nối 0 - j:
K(a), K(b) chỉ thông số của các thiết bị phân đoạn trên các đoạn lưới a, b, … nối giữa đoạn lưới i và đoạn lưới j.
Trong hệ thống lưới điện, khi tích K(a).K(b)…K(i) = 1, điều này nghĩa là hỏng hóc đoạn lưới i gây ra ngừng điện trên đoạn lưới j, còn khi tích này bằng 0, nghĩa là hỏng hóc đoạn i không gây ngừng điện cho đoạn j do có ít nhất một máy cắt giữa các điểm Tính chỉ tiêu độ tin cậy của các đoạn lưới là bước quan trọng để đánh giá khả năng vận hành ổn định của hệ thống điện, giúp xác định những đoạn cần cải thiện nhằm nâng cao độ tin cậy của toàn bộ hệ thống.
Chỉ tiêu độ tin cậy của đoạn lưới j phản ánh chính xác độ tin cậy của phụ tải j (TPP j) đấu vào đoạn lưới đó Đặc biệt, chỉ tiêu này được xác định dựa trên tổng của cột j trong hai ma trận ảnh hưởng, giúp đánh giá mức độ an toàn và ổn định của hệ thống điện khi phụ tải j hoạt động Việc phân tích các chỉ tiêu độ tin cậy này là rất quan trọng để đảm bảo vận hành liên tục và an toàn của hệ thống lưới điện.
SL(j) = SLPj = ΣAS(i,j) (2.34) th(j) = thPj = ΣAH(i,j) (2.35)
(2.37) Các chỉ tiêu trung bình của toàn lưới phân phối tính theo công thức (2.15) và (2.16)
2.4.4 Giới thiệu chương trình tính toán độ tin cậy lưới phân phối
Chương trình tính toán độ tin cậy của lưới điện phân phối hình tia được xây dựng dựa trên nhiều phân đoạn phù hợp cho máy tính ([4]) Công cụ này sử dụng thuật toán và phương pháp đã được kiểm chứng trong các nghiên cứu trước để đánh giá độ tin cậy lưới điện Luận văn ứng dụng phần mềm này vào việc phân tích hiệu quả và so sánh kinh tế của các phương án nâng cao độ tin cậy của lưới điện thực tế.
Hình 2.5 Chương trình tính toán độ tin cậy của lưới điện phân phối
Phần mềm có giao diện thân thiện, dễ sử dụng với các dữ liệu đầu vào bao gồm cấu trúc phân đoạn và số liệu ngừng điện sự cố, ngừng điện công tác, được nhập vào phần bên trái của giao diện Để tính toán chính xác, người dùng cần chuyển đổi sơ đồ lưới điện về chuẩn chuẩn Chức năng [Chọn] cho phép lựa chọn các thông số cần nhập cho từng nhánh, trong khi ô trống bên cạnh dùng để nhập số liệu, với dữ liệu mặc định có thể được điều chỉnh tùy theo từng bài toán cụ thể Chiều dài của nhánh i được nhập vào ô tương ứng, các số liệu của nút ban đầu đều có giá trị mặc định và có thể chỉnh sửa để phù hợp với thực tế lưới Vector nút đầu nhánh mặc định bằng 0, nhưng có thể chỉnh sửa để phản ánh đúng cấu trúc lưới Thiết bị phân đoạn nhánh chỉ chấp nhận giá trị 0 (máy cắt) hoặc 1 (dao cách ly), và nhập sai sẽ gây lỗi chương trình Mỗi nhánh phải có ít nhất một trạm biến áp để đảm bảo tính chính xác Sau khi nhập dữ liệu hoàn tất, người dùng sử dụng chức năng [TÍNH ĐỘ TIN CẬY] để nhận các chỉ tiêu độ tin cậy như điện năng thiếu do sự cố, tổng lượng điện năng thiếu (EENS), cùng các chỉ số SAIFI và SAIDI của toàn lưới Công cụ này giúp đánh giá nhanh tác động của các yếu tố như cấu trúc lưới và dữ liệu vận hành đến các chỉ tiêu độ tin cậy, đặc biệt khi thay đổi phân đoạn trong lưới phân phối.
Kết luận chương 2
Luận văn giới thiệu các chỉ số độ tin cậy hướng tới khách hàng theo tiêu chuẩn IEEE-P1366, phù hợp với quy hoạch lưới điện dựa trên dữ liệu thống kê trung bình thay vì số lần ngừng điện thực tế Việc áp dụng phương pháp xác suất dựa trên dữ liệu thống kê trung bình là cần thiết để đánh giá định lượng các chỉ số độ tin cậy trong quy hoạch phát triển lưới điện phân phối Để nâng cao độ tin cậy theo chỉ tiêu hàng năm, cần định lượng độ tin cậy bên cạnh các tiêu chí kinh tế kỹ thuật khác trong quá trình lập kế hoạch thiết kế lưới phân phối Luận văn sẽ tính toán các chỉ số SAIFI, SAIDI theo quy định của Bộ Công Thương (thông tư 39) nhằm đáp ứng yêu cầu đảm bảo độ tin cậy Đồng thời, việc đánh giá lượng điện năng bị thiếu hụt do mất điện sẽ giúp so sánh các phương án nâng cao độ tin cậy về mặt kinh tế Trong chương tiếp theo, luận văn sẽ áp dụng các chỉ số hướng tới khách hàng và phương pháp tính toán phù hợp vào các bài toán cải thiện độ tin cậy cho lưới điện phân phối tại quận Hoàn Kiếm, thành phố Hà Nội.