TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH độ TIN cậy của hệ THỐNG CUNG cấp điện và ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ của các THIẾT bị PHÂN đoạn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---PHẠM THỊ VƯƠNG TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC THIẾT BỊ PHÂN ĐOẠN Chuyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-PHẠM THỊ VƯƠNG

TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU

QUẢ CỦA CÁC THIẾT BỊ PHÂN ĐOẠN

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

Mã số : 60520202

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2014

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Cán bộ HDKH : GS.TS Lã Văn Út

Phản biện 1 : TS Nguyễn Quân Nhu

Phản biện 2 : TS Nguyễn Văn Vỵ

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng 201 nhà A8,trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào 9 giờ 30 phút ngày 17 tháng 08 năm 2014

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư việntrường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

MỞ ĐẦU 1.Mục đích nghiên cứu và lý do chọn đề tài

Trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hoá đất nước ta hiện nay, nhu cầu điện năng trong tất cảcác lĩnh vực công nghiệp, dịch vụ, sinh hoạt, nông nghiệp luôn luôn không ngừng tăng lên và nó ngày càngđóng vai trò không thể thiếu trong nên kinh tế quốc dân

Nền kinh tế quốc dân ngày càng phát triển, tốc độ công nghiệp hóa tăng nhanh, do đó ngày càng đòihỏi nhiều năng lượng điện Điều đó đặt ra cho hệ thống cung cấp một nhiệm vụ khó khăn là vừa phải thỏamãn lượng điện năng tiêu thụ, vừa phải đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng điện năng pháp định và độ tin cậyhợp lý Đó là một nhiệm vụ hết sức khó khăn, trong đó việc nâng cao độ tin cậy ở lưới cung cấp điện có ảnhhưởng đáng kể đến chất lượng điện năng và chỉ tiêu kinh tế của toàn bộ hệ thống cung cấp điện

Độ tin cậy cung cấp điện (ĐTC CCĐ) là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượngđiện năng Nếu các chỉ tiêu về điện áp, tần số được đảm bảo nhưng điện năng không được cung cấp liên tụcthì không những không đưa lại hiệu quả kinh tế mà còn gây thiệt hại, ảnh hướng lớn đến các hoạt động và an

sinh xã hội Chính vì vậy ngành điện cần phải có phương pháp tính toán thích hợp để đánh giá độ tin cậy

cung cấp điện

Với đề tài: “Tính toán phân tích độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện và đánh giá hiệu quả của

các thiết bị phân đoạn ” luận văn mong muốn đóng góp một phần nhỏ những tìm tòi nghiên cứu của mình

vào việc tính toán đánh giá độ tin cậy cung cấp điện, nhằm đảm bảo yêu cầu sử dụng điện tin cậy cho từng

hộ tiêu thụ điện

2 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan các chỉ tiêu tin cậy và các phương pháp tính toán độ tin cậy của hệ thống điện nói

chung và độ tin cậy cung cấp điện nói riêng

Chương 2: Phương pháp đồ thị - giải tích để đánh giá độ tin cậy cung cấp điện của từng nút phụ tải.

Chương 3: Tính toán chế độ xác lập và đánh giá độ tin cậy cung cấp điện cho các phụ tải thuộc lộ 372E6.8

Thái Nguyên

Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo GS.TS.Lã Văn Út – người đã hướng dẫn

tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đãđóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường ĐạiHọc Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 18 tháng 09 năm 2014

Người thực hiện

Phạm Thị Vương

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC CHỈ TIÊU TIN CẬY VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NÓI CHUNG VÀ ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN

NÓI RIÊNG1.1 Khái niệm chung về độ tin cậy của hệ thống điện

1.1.1 Hệ thống điện và các phần tử

1.1.2 Độ tin cậy của các phần tử hệ thống cung cấp điện

1.1.3 Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện

- Thời gian ngừng CCĐ cho các khách hàng trong năm (T mđ )

Ý nghĩa: là chỉ tiêu hướng tới phụ tải, chỉ thời gian mất điện trung bình của khách hàng trong năm,đơn vị tính h/năm (tương tự như CAIDI)

+ Thời gian mất điện trung bình hệ thống (SAIDI).

+ Độ sẵn sàng cung cấp điện trung bình hệ thống (ASAI)

Các chỉ tiêu này giúp người lập quy hoạch, quản lí có thể đánh giá được độ tin cậy CCĐ cho các kháchhàng và so sánh với yêu cầu

- Điện năng ngừng CCĐ ( E mđ )

Điện năng ngừng CCĐ được xem xét cho khách hàng và của toàn HTCCĐ

+ Điện năng ngừng CCĐ cho các khách hàng:

Ý nghĩa: là chỉ số hướng tới phụ tải, chỉ điện năng bị mất do ngừng CCĐ đối với khách hàng, đơn vị tínhkWh/năm Chỉ tiêu này giúp người lập quy hoạch, quản lí có thể đánh giá được mức độ thiệt hại của cáckhách hàng do CCĐ kém tin cậy gây ra

+ Điện năng ngừng CCĐ cho HTCCĐ:

Ý nghĩa: là chỉ số hướng tới HTCCĐ, chỉ điện năng ngừng CCĐ của HTCCĐ trong năm, đơn vị tính kWh/năm Chỉ tiêu này giúp người lập quy hoạch, quản lí có thể đánh giá chung được ĐTC của toàn HTCCĐ vềphương diện thỏa mãn nhu cầu điện năng

1.2 Tổng quan về các phương pháp tính toán độ tin cậy cung cấp điện

1.2.1 Phương pháp không gian trạng thái

Với phương pháp này, hệ thống được diễn tả bởi các trạng thái hoạt động và khả năng chuyển giữa cáctrạng thái đó.Trạng thái hệ thống được xác định bởi tổ hợp các trạng thái của các phần tử Mỗi tổ hợp trạngthái của phần tử cho một trạng thái của hệ thống.Phương pháp không gian trạng thái có thể xét các phần tử

có nhiều trạng thái khác nhau và với các giả thiết nhất định có thể áp dụng phương pháp quá trình Markovmột cách hiệu quả để tính xác suất trạng thái và tần suất trạng thái, từ đó tính được các chỉ tiêu ĐTC củaHTCCĐ

Như vậy phương pháp không gian trạng thái chủ yếu được sử dụng trong bài toán đánh giá độ tin cậylưới điện truyền tải

1.2.2 Phương pháp mô phỏng Monte - Carlo

Phương pháp Monte Carlo mô phỏng hoạt động của các phần tử trong hệ thống điện như một quá trìnhngẫu nhiên Nó tạo ra lịch sử hoạt động của phần tử và hệ thống một cách nhân tạo trên máy tính điện tử, sau

đó sử dụng các phương pháp đánh giá thống kê để phân tích, đánh giá và rút ra các kết luận ĐTC của cácphần tử và hệ thống điện

Phương pháp này cho phép xét đến tác động vận hành tới các chỉ tiêu ĐTC, tuy nhiên nhược điểm của

phương pháp là cần nhiều thời gian, khối lượng tính toán lớn Trong ([9], [11]), [12] ) đã sử dụng phươngpháp này để tính toán ĐTC

Phương pháp Monte Carlo chủ yếu dùng để đánh giá độ tin cậy nguồn điện xét đến đặc trưng xác suấtdòng chảy ở các nhà máy thủy điện

1.2.3 Phương pháp đồ thị - giải tích

Phương pháp này bao gồm việc lập sơ đồ ĐTC và áp dụng phương pháp giải tích bằng đại sốBoole và lý thuyết xác suất các tập hợp để tính toán ĐTC

Trong sơ đồ ĐTC bao gồm:

+ Các nút trong đó có nút nguồn, nút tải, nút trung gian;

+ Nhánh được thể hiện bằng các khối mô tả trạng thái tốt của các phần tử của HTĐ

Phương pháp đồ thị-giải tích áp dụng rất hiệu quả cho các bài toán độ tin cậy lưới điện Trong ([8],[10])đã áp dụng khá hiệu quả phương pháp đồ thị - giải tích để đánh giá ĐTC cho HTCCĐ có cấu trúc phứctạp

1.2.4 Phương pháp cây hỏng hóc.

Phương pháp cây hỏng hóc mô tả bằng đồ thị quan hệ nhân quả giữa các dạng hỏng hóc trong hệthống, giữa hỏng hóc hệ thống và các hỏng hóc thành phần trên cơ sở hàm đại số Boole Cơ sở cuối cùng đểtính toán là các hỏng hóc cơ bản của các phần tử

Phương pháp cây hỏng hóc cũng mô tả quan hệ logic giữa các phần tử hay giữa các phần tử và từngmảng của hệ thống một cách rõ nét, giữa các hỏng hóc cơ bản và hỏng hóc đỉnh mà ta đang khảo sát

Phương pháp cây hỏng hóc thích hợp với bài toán độ tin cậy của nhà máy điện, sơ đồ bảo vệ,điều khiển

Qua đây ta thấy nhìn chung các phương pháp tính toán ĐTC của HTĐ phức tạp đều có những ưu,nhược điểm riêng của nó, do đó việc lựa chọn phương pháp tính toán phụ thuộc vào nhiệm vụ và yêu cầu dobài toán đặt ra Hơn nữa, trong những điều kiện cụ thể người nghiên cứu luôn luôn phải vận dụng và pháttriển phương pháp ở mức độ nhất định trước khi áp dụng tính toán cho sơ đồ thực tế

Trong luận văn này tác giả sẽ đi sâu tìm hiểu và áp dụng phương pháp đồ thị - giải tích nhằm tính toánĐTC của HTCCĐ Đặc điểm của lưới điện này là có sơ đồ hình tia và có thiết bị phân đoạn

Các nội dung của phương pháp này được trình bầy riêng ở chương 2

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ - GIẢI TÍCH ĐỂ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP

ĐIỆN CỦA TỪNG NÚT PHỤ TẢI

Hình 2.1.Nguồn dự phòng trong lưới điện phân phối

2.2 Mô hình bài toán và cơ sở phương pháp tính

2.2.1 Mô tả bài toán

Lưới điện được đưa vào xem xét, tính toán ĐTC CCĐ bao gồm: các khách hàng (phụ tải), thanh cáicung cấp công suất vô cùng lớn, các nguồn điện dự phòng, các thiết bị phân đoạn (TBPĐ) đặt tại một số vịtrí trên các mạch đường dây (hình 2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ HTCCĐ nghiên cứu Bài toán đặt ra là: cho trước cấu trúc HTCCĐ, biểu đồ phụ tải, cường độ hỏng hóc/phục hồi của cácphần tử, thời gian thao tác của các TBPĐ , cần tính các chỉ tiêu ĐTC cung cấp điện cho các phụ tải và cácchỉ tiêu chung cho HTCCĐ

S1

6

7 8

13 14 15

17 18 19 21

S1

6

7 8

13 14 15

17 18

19 21 22

24

a Phân miền khu vực trong sơ đồ HTCCĐ

Ma trận F gồm n hàng và n cột tương ứng với n khu vực Các số hạng trong ma trận F có thông số Để

tính toán ĐTC riêng cho các hộ phụ tải cần phân miền khu vực cho sơ đồ Các TBPĐ phân chia lưới điệnthành các khu vực khác nhau Các khách hàng trong cùng khu vực có ĐTC CCĐ như nhau bởi đồng thờiđược đóng hoặc cắt điện

Hình 2.4 Sơ đồ HTCCĐ với phân miền khu vực

b Các thông số ĐTC đẳng trị của phần lưới điện khu vực

Để tính toán ĐTC, trước tiên cần đẳng trị các đoạn lưới liền nhau mà giữa chúng không có TBPĐ(trong mỗi khu vực)

Độ dài đẳng trị của n đoạn lưới nhánh liền nhau thành đoạn lưới Lj của khu vực j:

j oi

S1S

S1

13 14 15

17 18

1 9

21

25 26 27 28

là 1 hoặc 0 Trong đó F(i, j) = 1 khi i nối với j, F(i, j) = 0 khi i không nối với j.

2.2.4.2 Ma trận đường nối D(nxn)

Ma trận đường nối D thể hiện tất cả các đường nối, nối từ nguồn S tới nút tải Các số hạng trong

ma trận D có thông số là 1 hoặc 0; D(i, j) = 1, có nghĩa là khu vực j nằm trên đường nối từ nguồn S đến nút i,nếu D(i, j) = 0, có nghĩa là khu vực j không nằm trên đường nối từ nguồn S đến nút i

2.2.4.3 Ma trận liên hệ giữa nguồn chính S với các khu vực khi có một khu vực bị sự cố A s (nxn)

Các số hạng trong ma trận As có giá trị là 1 hoặc 0 Trong đó: As(i, j) = 0, khi hỏng hóc tại khu vực j,

nguồn S không cấp cho khu vực i As(i, j) = 1, khi hỏng hóc tại khu vực j, nguồn S vẫn cấp được cho khu

vực i

2.2.4.4 Ma trận ảnh hưởng thiết bị phân đoạn C(i, j) và R pd (i, j)

Ma trận ảnh hưởng TBPĐ, kí hiệu C, với các số hạng C(i, j) có giá trị bằng 1 hoặc bằng 0 Số hạngC(i,j) = 1 nếu khi sự cố tại khu vực j, khu vực i được cấp điện trở lại (từ nguồn chính S hoặc nguồn dự phòng

Sk ) với thời gian bị mất điện tạm thời hữu hạn (bằng rpdij) Số hạng C(i, j) = 0 trong các trường hợp còn lại,bao gồm các trường hợp thời gian bị mất điện tạm thời rất ngắn có thể bỏ qua (rpdij=0) hoặc mất hẳn (rpdij=∞).Việc thiết lập ma trận cấu trúc C(i,j) có ý nghĩa rất quan trọng nhằm xét đến ảnh hưởng thời gian thao tácTBPĐ đến ĐTC CCĐ

2.3 Tính toán độ tin cậy cung cấp điện

2.3.1 Lưới điện hình tia không có nguồn dự phòng

Xét HTCCĐ như hình 2.5, giả thiết biết biểu đồ phụ tải, cường độ hỏng hóc, thời gian phục hồi sự cố, sốlần ngừng điện công tác, thời gian ngừng điện mỗi lần thao tác của các khu vực, thời gian thao tác của cácTBPĐ, các ma trận As(i, j), C(i, j), tính các chỉ tiêu ĐTCCCĐ cho các khu vực và hệ thống cung cấp điện

Hình 2.5 Sơ đồ HTCCĐ hình tiaTrong trường hợp này ta sử dụng ma trận kết nối nguồn S là As(i, j) và ma trận ảnh hưởng TBPĐ C(i,j) hoặc Rpd(i, j)

Từ ý nghĩa của các ma trận dễ suy ra biểu thức tính thời gian ngừng CCĐ của khu vực i gây ra bởi khuvực j ( j có thể bằng i ):

Tmđij={Rpd(i,j)+[1-As(i,j)]rj}λj (2.4)

Bỏ qua sự cố xếp chồng, thời gian ngừng CCĐ cả năm của khu vực i do sự cố tất cả các khu vực gây ratính được:

Emđij= [Rpd(i,j)+(1-As(i,j) rj]λj

= {Rpd(i,j)+[1-As(i,j)] rj}λjtbi (2.6)

Ở đây Pi(t) công suất phụ tải khu vực i, tương ứng với thời gian kéo dài t, tính theo biểu đồ phụ tải kéodài năm, T=8760 h (Có thể quy đổi từ biểu đồ phụ tải ngày kéo dài)

Điện năng ngừng CCĐ tổng của khu vực i:

2.3.2 Lưới điện hình tia có nguồn dự phòng

Xét HTCCĐ hình tia có một nguồn dự phòng như hình 2.6, giả thiết nguồn dự phòng có công suất đủlớn, biết cường độ hỏng hóc, thời gian phục hồi sự cố, số lần ngừng điện công tác, các ma trận As(i,j), Ak(i,j),

Rpd(i,j), tính các chỉ tiêu ĐTCCCĐ cho các khu vực và HTCCĐ

Hình 2.6 Lưới điện điều khiển tự động có nguồn dự phòngTrong trường hợp này không cần quan tâm đến tương quan giữa công suất nguồn và biểu đồ phụ tảibởi luôn đủ công suất và khu vực tốt sẽ được cấp điện trở lại, nếu sau khi cách li khỏi khu vực sự cố nó đượcnối đến ít nhất một nguồn

Thời gian ngừng CCĐ của khu vực i gây ra bởi khu vực j (j có thể bằng i):

Tmđij = {Rpd(i,j)+[1-As(i,j)]

Tích này chỉ bằng 1 khi mọi giá trị A(i, j) =0, nghĩa là không được nối với nguồn nào Lúc nàythời gian mất điện khu vực i do sửa chữa khu vực j sẽ là:

Điện năng ngừng CCĐ khu vực i do sự cố khu vực j như sau:

Emđij= {Rpd(i,j)+[1-As(i,j)]

Chương 3 TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN

CHO CÁC PHỤ TẢI THUỘC LỘ 372 E6.8 THÁI NGUYÊN3.1 Đặc điểm tự nhiên, kinh tế xã hội

3.1.1 Đặc điểm tự nhiên:

3.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội

3.2 Đặc điểm lưới điện tỉnh Thái Nguyên

Hiện tại toàn tỉnh Thái nguyên được cấp điện từ hai nguồn: Nguồn điện mua từ Trung Quốc và nguồn

điện Việt Nam Cũng do tình hình thiếu điện chung của cả nước, tỉnh Thái Nguyên là nơi điều chỉnh tải giữa

2 nguồn điện mua từ Trung Quốc và nguồn điện Việt Nam

Nhìn chung, chất lượng điện năng của lưới điện Tỉnh Thái Nguyên là khá tốt Trong lưới điện TỉnhThái Nguyên có lộ 372E6.8 Đồng Hỷ làm nhiệm vụ cung cấp nguồn cho một phần khu vực huyện Đồng Hỷ

và cung cấp cho các phụ tải công nghiệp quan trọng của huyện Đồng Hỷ - Võ Nhai như: Mỏ Đá Minh Lập,Nhà máy Gạch siêu nhẹ…

Qua nghiên cứu, xét thấy Lộ 372E6.8 có đầy đủ các loại phụ tải, có thể đặc trưng cho một lưới điệnphân phối Từ những đánh giá trên, Tôi quyết định chọn lộ 372E6.8 để khảo sát, thu thập số liệu và tính toán

Sơ đồ nguyên lý lộ 372.E6.8

3.3.4 Ứng dụng phần mềm CONUS tính toán chế độ xác lập lộ 372E6.8

3.3.4.1 Cơ sở tính toán

Số liệu tính toán gồm : số liệu về đường dây, số liệu phụ tải, số liệu MBA được cấp từ thực tế

Trên cơ sở bộ số liệu thu thập được từ thực tế Cập nhập thông số cần tính toán vào chương trình CONUS

Sử dụng chương trình CONUS tính toán, với các lựa chọn ban đầu:

- Tần số mặc định khi tính ở chế độ xác lập : f = 50 Hz

- Nút cơ sở hay nút cân bằng : nút số 1

- Độ chính xác theo công suất : 0,010

3.3.4.2 Các số liệu ban đầu (nhập vào chương trình CONUS)

- Nhập số liệu nút

- Nhập số liệu nhánh

- Nhập số liệu cho máy biến áp

3.3.4.3.Kết quả tính toán

Sau khi cập nhật bộ số liệu của lộ 372 E6.8 vào chương trình CONUS, ta thu được các kết quả như sau:

Bảng 3.4 Điện áp các nút trên lưới 35 kV Nút số Điện áp(kV) Nút số Điện áp(kV)