Nghiên cứu đánh giá độ tin cậy cho lưới điện phân phối áp dụng cho bài toán quy hoạch lưới điện phân phối 22 kv xuân trường nam định

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các trạng thái hỏng hóc của hệ thống điện Hình 1.2 Hàm phân bố Rt và FTt Hình 1.3 Mô hình cường độ hỏng hóc λt Hình 1.4 Chuyển trạng thái của phần

-

Trịnh Quang Vinh

ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI - ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN QUY HOẠCH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

22KV XUÂN TRƯỜNG NAM ĐỊNH

Chuyên ngành Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Lã Minh Khánh

Hà Nội - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các nghiên cứu và kết quả được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn nào trước đây

Trịnh Quang Vinh

LĐPP Lưới điện phân phối

LĐTT Lưới điện truyền tải

LOLP Xác suất thiếu điện cho phụ tải

LOLE Kỳ vọng thời gian mất điện trung bình năm

TBA Trạm biến áp

TTCS Tổn thất công suất

TTĐN Tổn thất điện năng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Số liệu đẳng trị của sơ đồ phương án

Bảng 3.2 Kết quả tính toán phương án 2

Bảng 3.3 Kết quả tính toán phương án 3

Bảng 3.4 Kết quả so sánh chỉ tiêu của các phương án

Bảng 3.5 Kết quả tính toán hiệu quả bằng NPV với dao cách ly Bảng 3.6 Kết quả tính toán hiệu quả bằng NPV với máy cắt

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các trạng thái hỏng hóc của hệ thống điện

Hình 1.2 Hàm phân bố R(t) và FT(t)

Hình 1.3 Mô hình cường độ hỏng hóc λ(t)

Hình 1.4 Chuyển trạng thái của phần tử

Hình 1.5 Mô hình bảo dưỡng định kỳ

Hình 1.6 Độ tin cậy trong bài toán kinh tế

Hình 1.7 Phân loại bài toán độ tin cậy

Hình 2.1 Lưới phân phối hình tia

Hình 2.2 Ví dụ về lưới phân phối cấu trúc ngược

Hình 3.1 Sơ đồ khối của quy trình quy hoạch mở rộng

Hình 3.2 Sơ đồ một sợi các phương án lưới điện phân phối Hình 3.3 Sơ đồ đánh số cấu trúc ngược phương án 1

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc ngược đẳng trị phương án 2

Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc ngược đẳng trị phương án 3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 4

MỤC LỤC 5

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY VẦ YÊU CẦU BẢO ĐẢM CÁC CHỈ TIÊU ĐỘ TIN CẬY CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 10

1.1 Các định nghĩa và khái niệm 10

1.1.1 Hệ thống điện và các phần tử 10

1.1.2 Độ tin cậy của hệ thống điện 11

1.1.3 Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của hệ thống điện 11

1.1.4 Trạng thái hỏng hóc của hệ thống điện 14

1.1.5 Độ tin cậy của các phần tử 17

1.2 Yêu cầu bảo đảm các chỉ tiêu độ tin cậy trong vận hành lưới điện 26

1.2.1 Quy định của bộ công thương về bảo đảm chỉ tiêu độ tin cậy cho lưới điện phân phối 26

1.2.2 Các nguyên nhân gây mất điện 28

1.2.3 Ảnh hưởng của độ tin cậy đến tổn thất kinh tế và cấu trúc lưới điện 29

1.2.4 Đảm bảo độ tin cậy trong bài toán kinh tế 31

1.2.5 Các biện pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện 32

1.2.6 Phân loại bài toán độ tin cậy 36

1.3 Tổng quan về tính toán độ tin cậy cho lưới phân phối 38

1.4 Tình hình nghiên cứu độ tin cậy lưới phân phối tại Việt Nam 40

1.5 Kết luận chương 1 41

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CHO LƯỚI PHÂN PHỐI 42

2.1 Độ tin cậy của lưới phân phối hình tia không phân đoạn 42

2.2 Độ tin cậy của lưới phân phối hình tia có phân đoạn 43

2.3 Xây dựng chương trình đánh giá độ tin cậy trên máy tính 46

2.3.1 Cấu trúc lưới phân phối và hoạt động của thiết bị phân đoạn 46

2.3.2 Các chỉ tiêu độ tin cậy cần tính 49

2.3.3 Phương pháp tính chung chỉ tiêu độ tin cậy của lưới phân phối được cấp điện bởi một nguồn 49

2.4 Giới thiệu chương trình tính toán độ tin cậy lưới phân phối 53

2.5 Kết luận chương 2 54

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG CÁC CHỈ TIÊU ĐỘ TIN CẬY VÀO BÀI TOÁN QUY HOẠCH PHÁT TRIỂN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 55

3.1 Bài toán quy hoạch phát triển lưới điện phân phối 55

3.2 Mở rộng bài toán quy hoạch với phương án nâng cao độ tin cậy 56

3.3 Phương án 1 59

3.4 Phương án 2 61

3.5 Phương án 3 66

3.6 Sơ bộ so sánh kinh tế các phương án 70

3.7 Nhận xét và kết luận chương 3 75

KẾT LUẬN CHUNG 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

Phụ lục Số liệu các nút phụ tải của xuất tuyến lưới phân phối 22kV 80

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Sự phát triển nhanh chóng của mạng lưới điện Việt Nam hiện nay cả về quy

mô công suất cũng như phạm vi cung cấp điện đã đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật phải giải quyết, trong đó vấn đề đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống ngày càng trở nên quan trọng do tính chất phụ tải yêu cầu ngày càng cao

Lưới điện phân phối do các đợn vị điện lực quản lý là một phần của hệ thống điện

và trực tiếp cung cấp điện tới từng hộ tiêu thụ điện Tuy nhiên việc xác định độ tin cậy cho lưới phân phối ở Việt Nam gặp rất nhiều khó khăn do thiếu các dữ liệu thống kê cho các phần tử của lưới, cấu trúc vận hành lưới và đặc biệt là dữ liệu về phụ tải Ngoài ra tại Việt Nam cũng có rất ít những nghiên cứu về tính toán độ tin cậy cho lưới phân phối dẫn đến yêu cầu áp dụng tiêu chuẩn độ tin cậy cung cấp điện vào các bài toán quy hoạch thiết kế và vận hành hệ thống điện gặp rất nhiều khó khăn chưa thể triển khai được

Bên cạnh việc đáp ứng đòi hỏi quy hoạch nâng cấp lưới điện phân phối theo quy định thì yêu cầu bảo đảm vận hành tin cậy và ổn định cho lưới phân phối điện tại các đơn vị điện lực cũng ngày càng cấp thiết Nhằm mục đích đánh giá và đưa ra giải pháp tối ưu nâng cao độ tin cậy theo chỉ tiêu hàng năm, cần thiết phải đánh giá thêm các chỉ tiêu độ tin cậy trong bài toán quy hoạch thiết kế lưới phân phối bên cạnh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác

Hiện nay khi quy hoạch thiết kế lưới điện phân phối bài toán lựa chọn phương án tối ưu cho lưới điện đều dựa trên so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật bao gồm: chỉ tiêu tổn thất điện áp, tổn thất công suất, tổn thất điện năng và chi phí vốn đầu tư Do đó phương án thiết kế được lựa chọn có thể không tối ưu về mặt độ tin cậy khi vận hành Ngoài ra những thiệt hại về kinh tế do ngừng cung cấp điện cũng chưa xác định được Luận văn đặt vấn đề tìm hiểu các yêu cầu và phương pháp tính toán độ tin cậy cho lưới điện phân phối, đưa ra các biện pháp nâng cao độ tin cậy và sử dụng kết quả tìm hiểu áp dụng tính toán cụ thể cho một lưới điện phân phối thực tế tại Việt Nam

Mục đích nghiên cứu của luận văn

Luận văn dự kiến tìm hiểu phương pháp tính toán độ tin cậy cho lưới phân phối, tìm hiểu về số liệu và xây dụng chương trình tính toán xử lý số liệu để xác định độ tin cậy của lưới phân phối, các biện pháp nâng cao độ tin cậy và các tính toán áp dụng vào lưới phân phối thực tế tại Việt Nam

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các nghiên cứu và tìm hiểu về phương pháp tính toán độ tin cậy lưới phân phối trên cơ sở là lý thuyết chung về phương pháp tính toán độ tin cậy và áp dụng vào đối tượng là lưới điện phân phối thực tế tại Việt Nam

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đánh giá và định lượng được chỉ tiêu độ tin cậy cho lưới phân phối sẽ đánh giá được chất lượng lưới phân phối về mặt liên tục cung cấp điện cho các phụ tải Tuy nhiên việc thống kê dữ liệu về lưới phân phối phục vụ cho tính toán độ tin cậy gặp không ít khó khăn, do đó trong các bài toán quy hoạch thiết kế hay vận hành thường không xét đến chỉ tiêu độ tin cậy, phương án được lựa chọn có thể không đảm bảo tối

ưu về mặt độ tin cậy cũng như tổn thất kinh tế gây ra do mất điện

Luận văn dự kiến tìm hiểu phương pháp xác định định lượng độ tin cậy cho lưới điện phân phối hình tia có phân đoạn, xây dựng một chương trình tính toán định lượng cho lưới điện phân phối thực tế Sử dụng chương trình xây dựng được mô phỏng bài toán quy hoạch thiết kế lưới điện phân phối thực tế tại Việt Nam và đề xuất sử dụng các chỉ tiêu độ tin cậy trong các bài toán quy hoạch thiết kế sau này cho lưới điện phân phối nói chung

Nội dung nghiên cứu

Nhằm đạt được mục đích nghiên cứu trên, các nội dung sau đã được thực hiện trong luận văn:

- Tìm hiểu lý thuyết về độ tin cậy nói chung và độ tin cậy của lưới phân phối, các yêu cầu về đánh giá độ tin cậy lưới phân phối trong các bài toán quy hoạch và vận hành

- Nghiên cứu lý thuyết phương pháp tính toán định lượng độ tin cậy cho lưới điện phân phối, trên cơ sở đó xây dựng chương trình tính toán độ tin cậy lưới phân phối

- Sử dụng các kết quả nghiên cứu về phương pháp tính toán độ tin cậy để áp dụng cho bài toán quy hoạch phát triển một lưới điện phân phối thực tế tại Việt Nam, dùng công cụ tính toán đã xây dựng để tính toán định lượng độ tin cậy theo phương pháp đó

- Tổng hợp những vấn đề còn tồn tại, những vấn đề đã giải quyết và đưa ra những đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Trên cơ sở đó, nội dung bản thuyết minh này được chia thành các phần chính như sau:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY VẦ YÊU CẦU BẢO ĐẢM CÁC CHỈ TIÊU ĐỘ TIN CẬY CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

1.1 Các định nghĩa và khái niệm

1.1.1 Hệ thống điện và các phần tử

Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện (nguồn điện), trạm biến áp, đường dây tải điện (lưới điện), các hộ tiêu thụ (phụ tải điện), nối với nhau thành một hệ thống làm nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng

Sản phẩm của hệ thống điện là điện năng phải đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng điện năng pháp định và độ tin cậy hợp lý Hệ thống điện phải được phát triển tối ưu và vận hành với hiệu quả kinh tế cao nhất

Về mặt độ tin cậy, hệ thống điện là hệ thống phức tạp thể hiện trong cấu trúc với

số lượng rất lớn các phần tử thuộc nhiều loại khác nhau, có sơ đồ lưới điện trải rộng trong không gian và phát triển không ngừng theo thời gian

Sự phức tạp đó dẫn đến sự phân cấp hệ thống điện để có thể quản lý, điều khiển vận hành và phát triển một cách hiệu quả

Về tính chất, hệ thống điện được coi là hệ thống phục hồi, tức là các phần tử của

hệ thống điện sau khi bị hỏng sẽ được phục hồi đưa trở lại làm việc, do đó các trạng thái hỏng hóc của hệ thống cũng được phục hồi sau thời gian nhất định

Phần tử là những bộ phận tạo thành hệ thống mà trong một quá trình nhất định, được xem như một tổng thể duy nhất không thể chia cắt được, đặc trưng bởi các thông

số độ tin cậy chung, chỉ phụ thuộc các yếu tố bên ngoài như môi trường chứ không phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của phần tử Bởi vì bản thân phần tử cũng có thể có cấu trúc phức tạp, nếu xét riêng nó là một hệ thống Ví dụ, máy phát là một hệ thống phức tạp nếu xét riêng, nhưng trong bài toán về độ tin cậy của hệ thống điện nó chỉ là một phần tử với các thông số như cường độ hỏng hóc, thời gian phục hồi không đổi

Hầu hết các phần tử hệ thống điện cũng là phần tử phục hồi, có nghĩa là các phần

tử của hệ thống điện còn được bảo dưỡng định kỳ để phục hồi khả năng làm việc đã bị suy giảm sau thời gian vận hành

1.1.2 Độ tin cậy của hệ thống điện

Theo [1], độ tin cậy nói chung là xác suất để hệ thống (hoặc phần tử) hoàn thành triệt để nhiệm vụ yêu cầu trong khoảng thời gian nhất định và trong điều kiện vận hành nhất định

Tức là độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể, trong khoảng thời gian nhất định và trong hoàn cảnh nhất định

Thước đo độ tin cậy là xác suất hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời gian xác định Xác suất này được gọi là độ tin cậy của hệ thống (hay phần tử)

Xác suất là đại lượng thống kê, do đó độ tin cậy là khái niệm có tính thống kê từ kinh nghiệm làm việc trong quá khứ của hệ thống (hay phần tử) Đấy là đối với hệ thống (hay phần tử) không phục hồi

Đối với hệ thống (hay phần tử) phục hồi như hệ thống điện và các phần tử của nó, khái niệm khoảng thời gian xác định không có ý nghĩa bắt buộc, vì hệ thống làm việc liên tục Do đó độ tin cậy được đo bởi một đại lượng thích hợp hơn, đó là độ sẵn sàng

Độ sẵn sàng là xác suất để hệ thống (hay phần tử) hoàn thành hoặc sẵn sàng hoàn thành nhiệm vụ trong thời điểm bất kỳ

Độ sẵn sàng cũng là xác suất để hệ thống ở trạng thái tốt trong thời điểm bất kỳ và được tính bằng tỷ số giữa thời gian hệ thống ở trạng thái tốt với tổng thời gian hoạt động Ngược lại với độ sẵn sàng là độ không sẵn sàng, đó là xác suất để hệ thống (hay phần tử) ở trạng thái hỏng

Đối với hệ thống điện độ sẵn sàng (cũng được gọi chung là độ tin cậy) hoặc độ không sẵn sàng chưa đủ để đánh giá độ tin cậy trong các bài toán cụ thể, do đó phải sử dụng thêm nhiều chỉ tiêu khác cũng có tính xác suất

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

Một cách tổng quát, đối với hệ thống điện nói chung, các chỉ tiêu sau đây có thể được sử dụng để đánh giá và định lượng độ tin cậy (theo [1]):

- Xác suất thiếu điện cho phụ tải LOLP (Loss of Load Probability), đó là xác suất công suất phụ tải lớn hơn công suất nguồn điện;

- Kỳ vọng về thời gian mất điện trung bình năm LOLE (Loss Of Load Expctation);

- Xác suất thiếu điện trong thời gian phụ tải cực đại;

- Lượng điện năng thiếu (hay điện năng mất) cho phụ tải tính theo kWh, đó là kỳ vọng điện năng phụ tải bị cắt do hỏng hóc hệ thống trong một năm;

- Thiệt hại kinh tế tính bằng tiền do mất điện;

Tuy nhiên, đối với lưới điện phân phối tại các đơn vị điện lực, thường không xét đến mô hình độ tin cậy của nguồn điện, các chỉ số cụ thể hơn được áp dụng dựa trên

cơ sở tiêu chuẩn IEEE1366 (theo [5]), bao gồm:

- Thời gian mất điện trung bình của hệ thống: SAIDI = tổng thời gian mất điện của phụ tải trên tổng số phụ tải: [14]

TmđTB = SAIDI = ΣriNi/NT (giờ/phụ tải.năm) (1.1)

Trong đó: ri là thời gian mỗi lần mất điện;

Ni là số lần mất điện;

NT là tổng số khách hàng được phục vụ

- Tần suất hay số lần mất điện trung bình của hệ thống: là tổng số lần mất điện của tất cả các phụ tải trên tổng số phụ tải NT Chỉ tiêu này cho biết số lần mất điện trung bình cho trên mỗi phụ tải trong một khu vực trong một năm

T

N

i i

N

n SAIFI

- Thời gian mất điện trung bình của khách hàng CAIDI Chỉ tiêu này cho biết thời gian mất điện trung bình của mỗi vụ mất điện

Trong đó: ri là thời gian của mỗi lần mất điện; Ni là số lượng khách hàng bị mất điện của mỗi lần mất điện duy trì

- Tần suất (số lần) mất điện trung bình của khách hàng bằng tổng số lần mất điện trên tổng số phụ tải CAIFI Chỉ tiêu này cho biết số lần mất điện trung bình cho trên mỗi khách hàng

CAIFI = Σni/CN (số lần mất điện/khách hàng.năm) (1.4)

Với: CN là số khách hàng bị mất điện

- Chỉ tiêu khả năng sẵn sàng phục vụ trung bình: ASAI Chỉ tiêu này cho biết thời gian trung bình (tính theo %) mà khách hàng được cấp điện trong một năm

(%) 8760

.

N r 8760

i

i i

T

n k

i i

L

L r

Trong đó Li: là công suất phụ tải mất điện, LT là tổng công suất phụ tải

- Chỉ tiêu tần suất mất điện duy trì ASIFI bằng tổng công suất kết nối của phụ tải

bị mất điện trên tổng công suất tải nối vào hệ thống:

T

n k

N

CNT

Trong đó CNT(k>n) là số khách hàng có số lần mất điện lớn hơn n

- Chỉ tiêu tần suất mất điện thoáng qua trung bình: MAIFI Chỉ tiêu này tương tự như SAIFI, nhưng nó sử dụng sự kiện thoáng qua

T

mi i

N

N IM

Trong đó: La(i) là điện năng bị mất của phụ tải i

- Chỉ tiêu cắt điện trung bình hàng năm: ACCI

1.1.4 Trạng thái hỏng hóc của hệ thống điện

1.1.4.1 Trạng thái của phần tử

Phần tử của hệ thống điện có thể ở các trạng thái khác nhau phụ thuộc vào tình trạng kỹ thuật và chức năng của chúng Mỗi trạng thái kéo dài trong khoảng thời gian nhất định Đặc trưng của trạng thái là: thời gian trạng thái, xác suất trạng thái và tần suất trạng thái

Tất cả các trạng thái có thể xảy ra của một phần tử tạo thành tập đủ các trạng thái của phần tử Việc phần tử ở trạng thái nào trong tập đủ các trạng thái là đại lượng ngẫu nhiên được đo bởi xác suất phần tử ở trạng thái đó hay gọi tắt là xác suất trạng thái.Như vậy tổng xác suất trạng thái của tập đủ các trạng thái bằng 1

Phần tử bao giờ cũng ở một trong những trạng thái của tập đủ các trạng thái Các trạng thái có xác suất nhỏ có thể bỏ qua trong các bài toán khác nhau

Xác suất trạng thái tốt của phần tử chính là độ sẵn sàng, còn xác suất trạng thái hỏng chính là độ không sẵn sàng

1.1.4.2 Trạng thái của hệ thống điện

Trạng thái của hệ thống điện là tổ hợp các trạng thái của tất cả các phần tử tạo thành nó Nói cách khác, mỗi trạng thái của hệ thống điện là sự xảy ra đồng thời các trạng thái nào đó của các phần tử Do đó xác suất trạng thái của hệ thống điện chính là tích của các xác suất trạng thái của các phần tử nếu giả thiết rằng các phần tử của hệ thống điện độc lập với nhau Đối với hệ thống điện giả thiết này là đúng với hầu hết các phần tử và do đó được áp dụng trong hầu hết các bài toán độ tin cậy Các trạng thái của hệ thống điện được phân chia theo tiêu chuẩn hỏng hóc hệ thống điện, tiêu chuẩn này được lựa chọn khi nghiên cứu độ tin cậy, phụ thuộc vào mục đích của bài toán cụ thể Số trạng thái của hệ thống điện rất lớn (bằng 2n với n là số phần tử)

Các trạng thái của hệ thống cũng được đặc trưng bởi:

- Thời gian trung bình hệ thống ở trạng thái đó, gọi là thời gian trạng thái Ti;

- Tần suất trạng thái fi, là số lần hệ thống rơi vào trạng thái i trong một đơn vị thời gian;

- Xác suất trạng thái Pi, là xác suất hệ thống ở trạng thái i, đó chính là thời gian tương đối hệ thống ở trạng thái i

Các trạng thái của hệ thống điện được chia làm 2 tập:

- Tập trạng thái tốt trong đó hệ thống điện làm việc tốt

- Tập trạng thái hỏng trong đó hệ thống điện bị hỏng theo tiêu chuẩn đã chọn

Tổng xác suất của tập đủ các trạng thái của hệ thống điện ΣPi = 1

Hình 1.1 Các trạng thái hỏng hóc của hệ thống điện

Trên hình 1.1 thể hiện mối quan hệ giữa trạng thái hỏng của hai phần tử chính của hệ thống điện là máy phát và đường dây (bao gồm cả máy biến áp) với các trạng thái hỏng của hệ thống điện Sơ đồ trên hình 1.1 cho các trạng thái hỏng của hệ thống điện, tức là các trạng thái không hoàn thành nhiệm vụ, gồm:

Trạng thái hỏng của máy phát và đường dây có gây ra các trạng thái hỏng của hệ thống điện hay không còn tùy thuộc vào cấu trúc hệ thống điện độ dư thừa công suất phát, độ dư thừa khả năng tải của lưới điện Và chính sơ đồ quan hệ trạng thái này cho thấy cần phải tác động thế nào để tăng độ tin cậy của hệ thống điện Ví dụ để tránh nguy cơ thiếu công suất phát do hỏng máy phát thì phải có dự trữ công suất phát…

1.1.5 Độ tin cậy của các phần tử

Độ tin cậy của các phần tử là yếu tố quyết định độ tin cậy của hệ thống Các khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử cũng đúng cho hệ thống Do đó nghiên cứu kỹ những khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử là điều rất cần thiết

(t)

P(T≤t) là xác suất để phần tử làm việc từ thời điểm 0 cho đến thời điểm bất kỳ t; t

là biến số Đó cũng là xác suất để phần tử hỏng trước hoặc đúng thời điểm t

Hàm mật độ là fT(t):

t) t T (t P t

1 lim

(t)

f

0 t

(t)

Hàm phân bố và hàm mật độ là hai đặc trưng cơ bản của mỗi đại lượng ngẫu nhiên Bây giờ ta xét các đại lượng cơ bản khác đặc trưng cho độ tin cậy của phần tử

Độ tin cậy R(t): thông số độ tin cậy của phần tử, là một hàm số phụ thuộc theo thời

gian

Theo định nghĩa độ tin cậy, hàm R(t) có dạng:

t) P(T

1 lim

)

(

0 P t T t t T t t

P( t < T ≤ t + Δt/T > t) là xác suất có điều kiện của hai sự kiện:

- Phần tử hỏng trong khoảng (t, t + Δt) (sự kiện A);

- Làm việc tốt đến t (sự kiện B)

Theo công thức về xác suất của sự kiện giao giữa hai sự kiện A và B, ta có:

)P(B).P(A/B)

P(A).P(B/AB)

hay:

)(

B)P(AP(A/B)

B P



Nếu sự kiện A bao sự kiện B (xảy ra A thì đương nhiên đã xảy ra B, nghĩa là muốn làm việc trong khoảng t, t + Δt thì đương nhiên phải làm việc đến t) như trường hợp đang xét ta có:

P(A)B)

P(A và1B)

Như vậy:

)(

)

()

(

t)(Tt)tT()

(

t)(Tt)tT((

t)t/Tt

T

P(

t R

t t f t

T P

t P t

T P

t P

)()

(

)((t)

t F

t f t

R

t f

T

T T

)()

(

)(')

(

)('))(

ln(

t R

t f t

R

t F t

R

t R t

e t

Công thức trên là công thức cơ bản cho phép tính được độ tin cậy của phần tử khi biết cường độ hỏng hóc của nó, còn cường độ hỏng hóc thì được xác định nhờ thống

kê quá trình hỏng trong quá khứ của phần tử

Trong hệ thống điện thường sử dụng điều kiện:

λ(t) = λ = hằng số

T t T

t

e f e t

F e t

Luật phân bố này gọi là luật phân bố mũ

Thời gian làm viêc trung bình TLV

( )

(

dt

t dR t dt t fT t

II- Thời kỳ làm việc bình thường của phần tử: λ(t) = hằng số

III- Thời kỳ già cỗi λ(t) tăng dần

Đối với các phần tử phục hồi như hệ thống điện, các phần tử này có các bộ phận luôn bị già hóa, do đó λ(t) luôn là hàm tăng, bởi vậy, người ta phải áp dụng biện pháp bảo dưỡng định kỳ để phục hồi độ tin cậy của phần tử Sau khi bảo dưỡng định kỳ, độ

tin cậy của phần tử trở lại giá trị ban đầu Bảo dưỡng định kỳ làm cho cường độ hỏng hóc có giá trị quanh một giá trị trung bình λtb

Khi xét khoảng thời gian dài, với các phần tử phục hồi có thể xem như λ(t) là hằng số và bằng λtb để tính toán độ tin cậy

Hình 1.3 Mô hình cường độ hỏng hóc λ(t)

1.1.5.3 Phần tử phục hồi

a) Sửa chữa sự cố lý tưởng, có thời gian phục hồi τ = 0

Giả thiết rằng sửa chữa như mới Trong thực tế, đây là các trường hợp phần tử hỏng được thay thế rất nhanh bằng phần tử mới (ví dụ như máy biến áp) Phần tử được xem như luôn ở trong trạng thái tốt Đại lượng đặc trưng cho hỏng hóc của loại phần

tư này là:

Thông số của dòng hỏng hóc w(t):

P t

(

0

 (hỏng xảy ra trong khoảng (t, t + Δt)) (1.31)

So với định nghĩa λ(t), ở đây không đòi hỏi điều kiện phần tử phải làm việc tốt

từ đầu cho đến t, mà chỉ cần ở thời điểm t nó đang làm việc, điều kiện này luôn đúng

vì phần tử luôn làm việc, khi hỏng hóc nó được phục hồi tức thời

Tương tự như λ(t), đại lượng w(t).Δt là xác suất để hỏng hóc xảy ra trong khoảng (t, t+Δt)

Dưới đây thiết lập công thức tính w(t):

Ta xét khoảng thời gian từ 0 đến t, trong đó phần tử có thể hỏng 1 lần, 2 lần … đến k lần Đặt f1(t) là mật độ xác suất của thời gian làm việc đến lần hỏng đầu tiên:

t t

k(t)f)

k

k

t t

(

1

Vậy với luật phân bố mũ, thông số dòng hỏng hóc của phần tử: w(t) = λ Do đó

mà cường độ hỏng hóc và thông số của dòng hỏng hóc thường hiểu là một, trừ các trường hợp riêng khi thời gian làm việc không tuân theo luật mũ thì phải phân biệt b) Sửa chữa sự cố thực tế, thời gian phục hồi τ

Phần tử chịu một quá trình ngẫu nhiên hai trạng thái: trạng thái làm việc và trạng thái hỏng

Nếu khởi đầu phần tử ở trạng thái làm việc, thì sau thời gian làm việc TLV, phần

tử bị hỏng và chuyển sang trạng thái hỏng phải sửa chữa Sau thời gian sửa chữa xong

τ, phần tử trở lại trạng thái làm việc

Ta cũng giả thiết rằng sau khi sửa chữa sự cố, phần tử được phục hồi như mới

Ở đây cần hai hàm phân bố xác suất: hàm phân bố thời gian phần tử ở trạng thái làm việc FLV(t) và hàm phân bố thời gian phần tử ở trạng thái hỏng FH(t) Đó là sự khác nhau căn bản giữa phần tử không phục hồi và phần tử phục hồi (đối với phần tử không phục hồi chỉ cần một hàm phân bố thời gian là đủ) Để đánh giá về lượng độ tin cậy của phần tử phục hồi cũng cần có hai đại lượng thay vì một đối với phần tử không phục hồi

Các đại lượng và chỉ tiêu cần thiết để mô tả hành vi của phần tử phục hồi gồm:

- Xác suất phần tử ở trạng thái làm việc (trạng thái tốt) ở thời điểm t (ở mỗi thời điểm phần tử có thể ở một trong hai trạng thái: làm việc hoặc hỏng hóc) gọi là xác suất trạng thái làm việc PLV(t)

t t

Hình 1.4 Chuyển đổi trạng thái của phần tử phục hồi

- Xác suất phần tử ở trạng thái hỏng ở thời điểm t là Ph(t)

- Thông số dòng hỏng hóc w(t)

- Cường độ chuyển trạng thái từ làm việc sang trạng thái hỏng qLV-H(t):

- Thời gian làm việc trung bình TLV

- Thời gian hỏng trung bình τ

- Thời gian trung bình của một chu kỳ làm việc – hỏng bằng:

LV

T

T T

1

Đối với phần tử phục hồi thường thống kê được:

- Số lần hỏng λ trong một đơn vị thời gian, từ đó tính ra:

- Thời gian sửa chữa sự cố trung bình τ, từ đó tính ra:



 1 (1.42) c) Sửa chữa sự cố thực tế và bảo dưỡng định kỳ

Bảo dưỡng định kỳ được thực hiện vì nó làm giảm cường độ hỏng hóc, tăng thời gian làm việc trung bình của phần tử mà chi phí lại ít hơn nhiều so với sửa chữa sự cố Nếu giả thiết thời gian bảo dưỡng định kỳ τĐK cũng tuân theo luật mũ thì có thể áp dụng mô hình trên hình vẽ Trong đó có ba trạng thái:

T – tốt; ĐK – bảo dưỡng định kỳ; H – hỏng và các thông số:

λ – cường độ hỏng hóc;

μ – cường độ phục hồi;

λĐK; cường độ xảy ra bảo dưỡng định kỳ;

μĐK; cường độ bảo dưỡng định kỳ;

µ µ

Hình 1.5 Mô hình bảo dưỡng định kỳ

Phần tử có ba trạng thái: bình thường, tức là trạng thái tốt hay trạng thái làm việc T; trạng thái bảo dưỡng định kỳ ĐK và trạng thái phục hồi sự cố (hỏng) H

Ở đây ta chú ý rằng, khi phần tử đang bảo dưỡn định kỳ thì không thể xảy ra hỏng, còn bảo dưỡng định kỳ không thể bắt đầu khi phần tử ở trạng thái hỏng

Nếu giả thiết thêm rằng, thời gian giữa hai lần bảo dưỡng định kỳ TĐK cũng tuân theo luật mũ, thì có thể tìm được xác suất trạng thái bằng mô hình Markov Giả thiết

này không đúng thực tế, vì bảo dưỡng định kỳ được thực hiện theo kế hoạch tiền định, tuy nhiên mô hình vẫn cho kết quả khá gần thực tế và có thể rút ra từ đó nhiều kết luận hữu ích

Ở chế độ xác lập (chế độ dừng t = ∞), ta có:

ĐK ĐK

ĐK

ĐK T

ĐK

ĐK ĐK

ĐK

ĐK H

Ta nhận thấy độ không sẵn sàng A đúng cho cả trường hợp này:

Tương tự với PH, PĐK hay QĐK là:

ĐK ĐK ĐK ĐK

PĐK còn gọi là hệ số bảo dưỡng định kỳ

1.2 Yêu cầu bảo đảm các chỉ tiêu độ tin cậy trong vận hành lưới điện

1.2.1 Quy định của bộ công thương về bảo đảm chỉ tiêu độ tin cậy cho lưới điện phân phối

Quyết định số 32/2010/TT-BCT của Bộ Công thương quy định về hệ thống phân phối ([5]), trong đó tiêu chuẩn về độ tin cậy vận hành của lưới điện phân phối được đánh giá và phê duyệt hàng năm cho các đơn vị điện lực trong toàn quốc Cụ thể như sau:

Các chỉ số về độ tin cậy của lưới điện phân phối, được lựa chọn để đánh giá bao gồm:

- Chỉ số về thời gian mất điện trung bình của lưới điện phân phối (System Average Interruption Duration Index - SAIDI);

- Chỉ số về số lần mất điện trung bình của lưới điện phân phối (System Average Interruption Frequency Index - SAIFI);

- Chỉ số về số lần mất điện thoáng qua trung bình của lưới điện phân phối (Momentary Average Interruption Frequency Index - MAIFI)

Các trường hợp ngừng cung cấp điện không xét đến khi tính toán các chỉ số độ tin cậy gồm có:

- Khách hàng sử dụng lưới điện phân phối đề nghị cắt điện

- Thiết bị của Khách hàng sử dụng lưới điện phân phối không đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật, tiêu chuẩn an toàn để được khôi phục cung cấp điện

- Do sự cố thiết bị của Khách hàng sử dụng lưới điện phân phối

- Do mất điện từ lưới điện truyền tải

- Sa thải phụ tải theo lệnh điều độ của Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện

- Cắt điện khi xét thấy có khả năng gây mất an toàn nghiêm trọng đối với con người

và thiết bị trong quá trình vận hành hệ thống điện

- Do Khách hàng sử dụng lưới điện phân phối điện vi phạm quy định của pháp luật

về hoạt động điện lực và sử dụng điện quy định tại Điều 6 Quyết định số 39/2005/QĐ-BCN ngày 23 tháng 12 năm 2005 của Bộ Công nghiệp quy định về

điều kiện, trình tự và thủ tục ngừng, giảm mức cung cấp điện (sau đây viết là Quyết định số 39/2005/QĐ-BCN)

- Do các sự kiện bất khả kháng, ngoài khả năng kiểm soát của Đơn vị phân phối điện theo quy định tại Quyết định số 39/2005/QĐ-BCN

Trình tự phê duyệt tiêu chuẩn độ tin cậy hàng năm cho lưới điện phân phối được quy định như sau:

- 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

để trình Cục Điều tiết điện lực xem xét, phê duyệt

- 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 từng Đơn vị phân phối điện làm cơ sở tính toán giá phân phối điện cho các Đơn vị phân phối điện

Chế độ báo cáo tại các đơn vị điện lực:

- Trước ngày 15 tháng đầu tiên hàng quý, Đơn vị phân phối điện có trách nhiệm báo cáo Cục Điều tiết điện lực bằng văn bản về việc thực hiện chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối trong quý trước đó

- Cục Điều tiết điện lực quy định mẫu báo cáo về độ tin cậy của các Đơn vị phân phối điện

1.2.2 Các nguyên nhân gây mất điện

Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp, gồm nhiều phần tử, các phần tử liên kết với nhau theo những sơ đồ phức tạp; hệ thống điện thường nằm trên địa bàn rộng của một quốc gia hay vùng lãnh thổ Khi các phần tử của hệ thống hư hỏng có thể dẫn đến ngừng cung cấp điện cho khách hàng cho từng vùng hoặc toàn hệ thống Nguyên nhân gấy mất điện có rất nhiều, người ta phân ra thành bốn nhóm nguyên nhân chính như sau:

- Nguyên nhân thời tiết: lũ lụt, mưa bão, lốc xoáy, giông sét, sóng thần…

- Hư hỏng các thành phần của hệ thống điện bao gồm:

+ Phần điện và phần máy: Hỏng hệ thống cung cấp nhiên liệu; Hỏng phần động lực (phát động); Hỏng máy biến áp; Hỏng thiết bị đóng cắt; Hỏng phần dẫn điện; Hỏng chất cách điện của: đường dây tải điện, trạm biến áp, chống sét van, hỏng cáp điện lực Hỏng thiết bị điều khiển điện áp: thiết bị điều chỉnh điện áp của các máy phát điện, thiết bị điều khiển tụ bù…

+ Bảo vệ và điều khiển như: hỏng rơle, hỏng đường truyền tín hiệu, hỏng mạch điều khiển

- Do trạng thái và hoạt động của hệ thống;

- Các nguyên nhân khác như: Động vật; Phương tiện vận tải; Đào đất; Hỏa hoạn, chất nổ; Phá hoại; Cây cối

Theo thống kê khoảng 50% sự cố được khôi phục trong khoảng thời gian 60 phút Khoảng 90% sự cố lớn được khôi phục trong khoảng 7 giờ [14]

Kinh nghiệm cho thấy rằng, hầu hết các sự cố của lưới phân phối bắt nguồn từ yếu

tố thiên nhiên như: sét, bão, mưa, lũ lụt, động vật… Những sự mất điện khác có thể quy cho khiếm khuyết của thiết bị, vật liệu và hành động của con người như: xe ôtô đâm phải cột, phương tiện chạm vào dây dẫn, cây đổ, phá hoại, máy đào phải cáp ngầm Một số sự cố nguy hiểm và lan rộng trong hệ thống phân phối do bão, lũ lụt Trong trường hợp đó sự phục hồi cấp điện bị ngăn cản bởi những nguy hiểm, và hầu hết các đơn vị điện lực không có đủ người, phương tiện, máy móc thiết bị để phục hồi nhanh lưới điện trên một vùng địa lý rộng lớn và phức tạp

Việc phối hợp giữa lập kế hoạch bảo trì phòng ngừa với phân tích độ tin cậy có thể rất hiệu quả Việc phân tích sự cố giúp xác định rõ những điểm yếu nhất của hệ thống phân phối và giải quyết nhanh và chính xác các điểm đó Sự phân tích được thực hiện chỉ ở những khúc quan trọng của hệ thống Những thông tin kết quả được sử dụng trong quyết định xây dựng hệ thống tới mức an toàn nào đó hoặc chấp nhận rủi ro mất điện

1.2.3 Ảnh hưởng của độ tin cậy đến tổn thất kinh tế và cấu trúc lưới điện

Điện năng là động lực chính của toàn bộ nền kinh tế quốc dân Việc mất điện sẽ gây ra các hậu quả xã hội, kinh tế rất lớn

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

- Loại phụ tải mà sự mất điện gây ra hậu quả kinh tế

Đối với loại trên, phụ tải cần được cấp điện với độ tin cậy cao nhất có thể Còn đối với loại dưới là bài toán kinh tế - kỹ thuật trên cơ sở cân nhắc giữa vốn đầu tư vào hệ thống điện và tổn thất kinh tế do mất điện:

Tổn thất kinh tế cho các cơ sở sản xuất, kinh doanh cụ thể Đó là tổn thất kinh tế

mà các cơ sở này phải chịu khi mất điện đột ngột hay theo kế hoạch

Khi mất điện đột ngột, sản phẩm sẽ bị hỏng, sản xuất bị ngừng trệ gây ra tổn thất kinh tế Tổn thất này có thể phụ thuộc số lần mất điện hoặc điện năng bị mất hoặc đồng thời cả hai Khi mất điện theo kế hoạch, tổn thất sẽ nhỏ hơn do cơ sở sản xuất đã được chuẩn bị

Tổn thất này được tính toán cho từng loại xí nghiệp hoặc cơ sở kinh doanh cụ thể

để phục vụ việc thiết kế cung cấp điện cho các cơ sở này

Tổn thất kinh tế nhìn từ quan điểm hệ thống điện Tổn thất này được tính toán từ các tổn thất thật ở phụ tải và theo các quan điểm của hệ thống điện Nó nhằm phục vụ công việc thiết kế, quy hoạch hệ thống điện sao cho thỏa mãn được nhu cầu về độ tin cậy của phụ tải, đồng thời đảm bảo hiệu quả kinh tế của hệ thống điện

Tổn thất này được tính cho lưới phân phối, lưới truyền tải và nguồn điện một cách riêng biệt Nó cũng được tính cho từng loại phụ tải cho một lần mất điện, cho 1 kW hoặc 1kWh tổn thất và cũng được tính cho độ dài thời gian mất điện

Tổn thất kinh tế do mất điện rất lớn, đồng thời về mặt chính trị - xã hội cũng đòi hỏi độ tin cậy cấp điện ngày càng cao, khiến cho hệ thống điện ngày càng phải hoàn thiện về cấu trúc, cải tiến về vận hành để không ngừng nâng cao độ tin cậy

Yếu tố độ tin cậy có ảnh hưởng đến quyết định cấu trúc hệ thống điện:

- Cấu trúc nguồn điện: Độ dự trữ công suất, các tổ máy dự trữ lạnh…

- Cấu trúc lưới: Mạch vòng kín, nhiều lộ song song, trạm nhiều máy biến áp, sơ đồ trạm và nhà máy điện phức tạp

- Cấu trúc hệ thống điều khiển: thiết bị bảo vệ, thiết bị chống sự cố, hệ thống thông tin, hệ thống điều khiển tự động, phương thức vận hành…

- Cấu trúc hệ thống quản lý: hệ thống sẵn sàng can thiệp khi sự cố, dự trữ thiết bị, phương tiện đi lại, tổ chức sửa chữa sự cố và bảo dưỡng định kỳ

Để nâng cao độ tin cậy đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, do đó độ tin cậy không phải được nâng cao bằng mọi giá Đầu tư vào nâng cao độ tin cậy chỉ có hiệu quả khi mức giảm tổn thất kinh tế do nâng cao độ tin cậy lớn hơn chi phí để nâng cao độ tin cậy Trong hàm mục tiêu của các bài toán xác định cấu trúc nguồn điện cũng như lưới điện đều có thành phần tổn thất do độ tin cậy được tính theo tổn thất kinh tế đã nói trên Tuy nhiên việc tính như vậy cũng gặp phải rất nhiều khó khăn Do đó người ta còn có thể tính toán với yếu tố độ tin cậy như là điều kiện biên của bài toán, tức là dùng chỉ tiêu gián tiếp về độ tin cậy Các chỉ tiêu này trên được xác định trên cơ sở phân tích kinh tế - kỹ thuật hệ thống điện

1.2.4 Đảm bảo độ tin cậy trong bài toán kinh tế

Ngành điện được mong đợi cung cấp điện liên tục, có chất lượng cho khách hàng với giá cả hợp lý bằng việc sử dụng hệ thống và trang bị sẵn có một cách kinh tế Cung cấp điện liên tục được hiểu là cung cấp điện một cách chắc chắn, an toàn cho con người và thiết bị với chất lượng điện năng là điện áp và tần số danh định trong giới hạn cho phép

Để dịch vụ bảo trì chắc chắn tới khách hàng, ngành điện phải có dư công nhân để ngăn chặn các sự cố ở các bộ phận dẫn đến mất điện của khách hàng gây ra hỏng hàng hóa, dịch vụ và tổn thất kinh tế Để tính toán giá của độ tin cậy, thiệt hại do sự cố phải được xác định rõ

Giá của độ tin cậy được sử dụng cho để xem xét và đánh giá tỷ lệ tăng trưởng của

nó Phân tích kinh tế độ tin cậy của hệ thống có thể là công cụ kế hoạch rất hữu ích trong quyết định chi tiêu tài chính để cải thiện độ tin cậy bằng cách cung cấp vốn đầu

tư thêm cho hệ thống

Các nghiên cứu về độ tin cậy đã chỉ ra rằng: độ tin cậy là mong muốn tránh các sự

cố thiết bị hoặc tổ hợp thiết bị mà dẫn đến mất ngừng cung cấp điện Mức độ của độ tin cậy được coi là hợp lý khi thiệt hại do mất điện tăng thêm tránh được vượt quá hậu quả của sự mất điện khách hàng Theo đó mức độ tin cậy hợp lý từ góc độ người tiêu dùng có thể được định nghĩa là mức độ tin cậy khi tổng chi phí đầu tư và thiệt hại do mất điện là nhỏ nhất Lưu ý rằng sự cải thiện độ tin cậy của hệ thống và vốn đầu tư không phải là quan hệ tuyến tính và độ tin cậy hợp lý của hệ thống phù hợp với giá tối ưu… tổng chi phí nhỏ nhất Vấn đề đặt ra là vốn đầu tư ban đầu làm tăng độ tin cậy như thế nào? Vốn đầu tư tiếp theo đặt vào đâu để đạt được độ tin cậy cao nhất

Hình 1.6 Quan hệ giữa độ tin cậy và chi phí

1.2.5 Các biện pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện

- Để nâng cao độ tin cậy của toàn lưới phân phối thì ta cần phải nâng cao độ tin cậy của các phần tử hợp thành lưới Biện pháp đầu tiên cần phải quan tâm là sử dụng các thiết bị điện có độ tin cậy cao Các phần tử cần có độ tin cậy cao trong hệ thống

điện như là đường dây, máy biến áp, máy cắt, dao cách ly, các thiết bị bảo vệ, điều khiển và tự động hóa… Ngày nay, với sự phát triển mạnh của ngành công nghệ vật liệu mới, đã có nhiều vật liệu và thiết bị điện có độ tin cậy rất cao Về vật liệu có thể

kể đến như: vật liệu cách điện có cường độ cách điện cao như các loại giấy cách điện,

sứ cách điện bằng silicon… Về thiết bị điện có thể kể một số loại như: máy cắt điện chân không, máy cắt điện SF6 Các thiết bị bảo vệ và tự động hóa hiện nay sử dụng công nghệ kỹ thuật số có độ tin cậy cao hơn rất nhiều so với thiết bị sử dụng rơle điện

từ trước đây Ngoài ra máy biến áp hiện nay sử dụng vật liệu dẫn từ có tổn hao nhỏ và cách điện tốt nên có độ tin cậy cao Tuy nhiên việc sử dụng thiết bị có độ tin cậy cao đồng nghĩa với việc tăng chi phí đầu tư cho lưới điện Vì vậy ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế của hệ thống, nên việc sử dụng nó tùy vào điều kiện cụ thể Đối với những

hộ phụ tải không được phép mất điện thì đầu tư với khả năng tốt nhất cho phép Đối với các phụ tải khác phải dựa trên sự so sánh giữa tổn thất do mất điện và chi phí đầu

tư Trên thực tế lưới phân phối hiện nay còn sử dụng nhiều thiết bị cũ, công nghệ lạc hậu, có độ tin cậy thấp đang dần được thay thế bằng những thiết bị hiện đại có độ tin cậy cao, do đó độ tin cậy của lưới điện đang ngày được nâng cao rõ rệt

- Biện pháp thứ hai là sử dụng các thiết bị tự động trên lưới, các thiết bị điều khiển

từ xa Các thiết bị tự động thường dùng là: tự động đóng lại (TĐL), tự động đóng nguồn dự phòng, hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu từ xa (SCADA) Theo thống kê, đối với đường dây tải điện trên không sự cố thoáng qua có thể chiếm tới (70-80)% tổng số lần sự cố đường dây Nguyên nhân là do sét đánh vào đường dây, cây đổ vào đường dây, vật lạ rơi vào đường dây… Các sự cố này thường tự giải trừ sau một hoặc 2 lần phóng điện Do đó, nếu sử dung TĐL thì tỷ lệ đóng lại thành công rất cao, do thời gian TĐL rất ngắn (2-5s) nên phụ tải không bị ảnh hưởng mất điện Trường hợp khi có 2 nguồn cấp trong đó có 1 nguồn dự phòng thì thiết bị tự động đóng nguồn dự phòng rất hiệu quả, khi có một nguồn bị sự cố thì nguồn kia lập tức được đưa vào làm việc không gây mất điện cho phụ tải Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin, hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu từ xa ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp Hệ thống này cho phép thu thập dữ liệu, phân tích và điều khiển các đối tượng từ xa Sử dụng hệ thống SCADA

trong điều hành lưới phân phối sẽ nhanh chóng tách đoạn lưới sự cố và khôi phục cấp điện cho các phân đoạn không sự cố Đối với hệ thống lưới phân phối nhiều nguồn và kết dây phức tạp như lưới điện trong các thành phố thì việc sử dụng hệ thống SCADA

là rất hiệu quả và hợp lý, tuy nhiên đối với hệ thống lưới phân phối ở các vùng nông thôn ngoại thành… thì chi phí cho hệ thống này là khá lớn ảnh hưởng đến chỉ tiêu kinh

tế của công trình

- Biện pháp thứ ba là tăng cường khả năng dự phòng bằng sơ đồ kết dây lưới điện hợp lý (sử dụng đường dây mạch kép, lưới kín vận hành hở, lưới phân đoạn) Lưới phân phối hiện nay thường là lưới hình tia có phân nhánh, thường có độ tin cậy thấp Tuy vậy, bởi lý do về kinh tế nó vẫn được dùng phổ biến ở nước ta Để tăng độ tin cậy của lưới phân phối cần sử dụng những sơ đồ có khả năng chuyển đổi kết dây linh hoạt nhằm hạn chế thấp nhất khả năng ngừng cấp điện cho phụ tải Hiện nay có thể dùng các sơ đồ kết dây sau: Sơ đồ sử dụng đường dây mạch kép Với sơ đồ này ta sử dụng hai đường dây cấp điện cho phụ tải Bình thường hai lộ có thể vận hành song song hoặc vận hành độc lập Khi sự cố một lộ, lộ còn lại cấp điện cho toàn bộ phụ tải Vì vậy, khả năng tải của mỗi lộ phải đảm đương được toàn bộ tải Đặc điểm của sơ đồ này là có độ tin cậy cao nhưng chi phí đầu tư khá lớn, chỉ thích hợp cho những phụ tải quan trọng không cho phép mất điện

Sơ đồ lưới kín vận hành hở Loại sơ đồ này gồm nhiều nguồn và nhiều phân đoạn đường dây tạo thành lưới kín nhưng khi vận hành thì các máy cắt phân đoạn cắt ra tạo thành lưới hở Khi một đoạn ngừng điện thì chỉ phụ tải phân đoạn đó mất điện, còn các phân đoạn khác chỉ mất điện tạm thời trong thời gian thao tác, sau đó lại được cấp điện bình thường Sơ đồ này có ưu điểm là chi phí đầu tư không cao, có thể áp dụng cho các hệ thống phân phối điện Tuy nhiên còn tùy thuộc vào tình hình nguồn điện ở từng khu vực

Sơ đồ lưới có phân đoạn Sơ đồ lưới hình tia có phân đoạn được sử dụng nhiều nhất hiện nay vì nó có chi chí thấp, sơ đồ đơn giản có thể áp dụng rộng rãi Nhược điểm của nó là có độ tin cậy chưa cao Thiết bị phân đoạn có thể là máy cắt điện, dao cách ly, dao cách ly phụ tải Trong sơ đồ này khi sự cố một phân đoạn thì chỉ những

phân đoạn phía sau nó bị mất điện, các phân đoạn đứng trước nó (về phía nguồn) chỉ

bị mất điện tạm thời trong thời gian thao tác Trong kiểu sơ đồ này, số lượng và vị trí đặt các thiết bị phân đoạn cũng ảnh hưởng đến thời gian mất điện của phụ tải Vì vậy cần lựa chọn cụ thể cho từng lưới điện cụ thể Kinh nghiệm vận hành cho thấy để giảm thiểu điện năng bị mất do bảo dưỡng định kỳ và do sự cố cần nhiều thiết bị phân đoạn trên đường dây Vị trí đặt các thiết bị phân đoạn chia đều chiều dài đường dây Tuy nhiên việc lắp đặt quá nhiều thiết bị phân đoạn sẽ làm tăng vốn đầu tư, tăng phần tử sự

cố trên lưới nên đối với lưới 10kV người ta thường chọn chiều dài các phân đoạn đường dây từ 2-3 km Để sử dụng sơ đồ này có hiệu quả có thể kết hợp với các thiết bị

tự động đóng lại, điều khiển từ xa… có thể nâng cao đáng kể độ tin cậy của lưới phân phối Việc sử dụng các thiết bị này có thể loại trừ ảnh hưởng của sự cố thoáng qua và rút ngắn thời gian thao tác trên lưới, nhờ thế nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Tuy nhiên, vốn đầu tư khá lớn nên việc sử dụng nó cần so sánh tổn thất do mất điện và chi phí đầu tư

- Biện pháp thứ tư là tổ chức tìm và sửa chữa sự cố nhanh Đây là một giải pháp quan trọng để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Việc tìm và cô lập nhanh sự cố, rút ngắn thời gian mất điện của phụ tải Ở đây bao gồm các nội dung: tổ chức đủ người, dụng cụ, vật tư, thiết bị dự phòng và phương tiện thường trực sẵn sang cho mọi tình huống sự cố Tổ chức thu thập thông tin, phân tích và cô lập sự cố nhanh nhất Tổ chức sửa chữa nhanh các sự cố trong lưới phân phối sẽ làm giảm thời gian mất điện của phụ tải, giảm điện năng bị mất do sự cố, góp phần nâng cao chỉ tiêu về độ tin cậy của lưới phân phối

- Biện pháp thứ năm là tăng cường công tác kiểm tra bảo dưỡng đường dây, thiết

bị vận hành trên lưới để ngăn ngừa sự cố chủ quan Bao gồm trang bị đầy đủ các phương tiện phục vụ công tác quản lý vận hành như xe thang, thiết bị kiểm tra phát nóng… Đào tạo để nâng cao kiến thức tay nghề cùng tính kỷ luật cao cho nhân viên vận hành Từng bước nâng cao tỷ lệ sửa chữa lưới điện bằng hình thức hot-line (sửa chữa khi lưới đang vận hành) Biện pháp này khá đơn giản không tốn kém và rất hiệu quả để giảm thời gian sự cố mất điện

1.2.6 Phân loại bài toán độ tin cậy

Theo [1], bài toán độ tin cậy có thể được phân chia thành các nội dung khác nhau tùy theo cấu trúc độ tin cậy của hệ thống điện như sau:

Hình 1.7 Phân loại bài toán độ tin cậy

Cụ thể là bài toán về độ tin cậy của hệ thống điện được chia làm bốn loại:

a) Bài toán về độ tin cậy của hệ thống phát, chỉ xét riêng các nguồn điện

b) 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

c) Bài toán về độ tin cậy của lưới truyền tải và lưới phân phối

d) Bài toán về độ tin cậy của phụ tải

Tùy theo mục đích nghiên cứu, bài toán độ tin cậy cũng được chia làm:

b) Bài toán quy hoạch, phục vụ quy hoạch phát triển hệ thống điện;

c) Bài toán vận hành, phục vụ vận hành hệ thống điện

Còn theo nội dung bài toán, độ tin cậy được chia thành:

a) Bài toán giải tích, nhằm mục đích tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống điện có cấu trúc cho trước

b) Bài toán tổng hợp, nhằm xác định trực tiếp thông số của một phân tử nào đó trên cơ sở cho trước yêu cầu độ tin cậy và các thông số của các phần tử còn lại Bài toán tổng hợp trực tiếp rất phức tạp do đó chỉ có thể áp dụng trong những bài toán nhỏ, hạn chế

Các bài toán tổng hợp lớn cho nguồn điện và lưới điện vẫn phải dùng phương pháp tổng hợp gián tiếp, tức là lập nhiều phương án rồi tính chỉ tiêu độ tin cậy bằng phương pháp giải tích để so sánh, chọn phương án tối ưu

Mỗi loại bài toán về độ tin cậy đều gồm có bài toán quy hoạch và vận hành Mỗi bài toán lại bao gồm loại giải tích và tổng hợp

Bài toán phân tích độ tin cậy có ý nghĩa rất quan trọng trong quy hoạch, thiết kế cũng như vận hành hệ thống điện Nội dung bài toán này là tính các chỉ tiêu độ tin cậy của một bộ phận nào đó của hệ thống điện từ các thông số độ tin cậy của các phần tử của nó, ví dụ tính độ tin cậy của một trạm biến áp, một phần sơ đồ lưới điện… Các chỉ tiêu độ tin cậy bao giờ cũng gắn liền với tiêu chuẩn hỏng hóc (hay tiêu chuẩn hoàn thành nhiệm vụ) nào đó do người phân tích độ tin cậy đặt ra Ví dụ tiêu chuẩn hỏng hóc của lưới điện có thể là phụ tải mất điện, điện áp thấp hơn giá trị cho phép, dây dẫn quá tải…

Phân tích độ tin cậy nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố bên trong và bên ngoài đến độ tin cậy của hệ thống điện Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống điện là:

- Độ tin cậy của phần tử: Cường độ hỏng hóc, thời gian phục hồi; Sửa chữa định kỳ; Mức độ và thời gian ngừng điện công tác

- Cấu trúc của hệ thống: Sự ghép nối giữa các phần tử trong sơ đồ trạm, hình dáng lưới điện; Khả năng thao tác và đổi nối trong sơ đồ (tự động hoặc bằng tay)

- Hệ thống tổ chức quản lý và vận hành: Tổ chức và bố trí các đơn vị cơ động can thiệp khi sự cố; Tổ chức mạng lưới phục hồi sự cố và sửa chữa định kỳ; Dự trữ thiết bị, sửa chữa; Dự trữ công suất trong hệ thống; Cấu trúc và hoạt động của hệ thống điều khiển vận hành; Sách lược bảo quản định kỳ thiết bị

- Ảnh hưởng môi trường: Phụ tải điện; Yếu tố thời tiết khí hậu, nhiệt độ và độ ô nhiễm môi trường

- Yếu tố con người: trình độ của nhân viên vận hành, yếu tố kỹ thuật, tự động hóa vận hành

Trong bài toán giải tích độ tin cậy, các yếu tố trên là yếu tố đầu vào còn đầu ra là chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống điện Các giả thiết cũng khác nhau trong bài toán

độ tin cậy phục vụ quy hoạch hay phục vụ vận hành

Bài toán về độ tin cậy phục vụ quy hoạch nhằm xác định việc đưa thêm thiết bị mới, thay đổi cấu trúc hệ thống điện trong các năm tiếp theo Còn bài toán về độ tin cậy phục vụ vận hành nhằm kiểm nghiệm hoặc lựa chọn sách lược vận hành hệ thống điện có sẵn Hai loại bài toán này có phân cơ bản giống nhau, tức là mô hình chung của

hệ thống điện

1.3 Tổng quan về tính toán độ tin cậy cho lưới phân phối

Trong hệ thống điện, lưới phân phối là khâu cuối cùng cung cấp điện cho phụ tải Lưới phân phối có ảnh hưởng rất lớn đến chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của hệ thống điện như:

- Chi phí cho đầu tư xây dựng lưới phân phối chiếm tỷ lệ lớn (lưới phân phối trung

áp bằng 1,5 lần, lưới phân phối hạ áp bằng 2-2,5 lần lưới cao áp)

- 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

Vì những lý do trên việc nghiên cứu độ tin cậy của lưới phân phối là cần thiết và là một trong những nội dung quan trọng của hệ thống điện

Lưới phân phối gồm lưới phân phối trung áp và lưới phân phối hạ áp Cấp điện

áp thường dùng trong lưới phân phối trung áp là (6, 10, 15, 22, 35 kV) Lưới phân phối trung áp truyền tải điện từ các trạm biến áp trung gian cấp điện cho các trạm biến áp hạ

áp Cấp điện áp thường dùng cho lưới phân phối hạ áp là 0,4kV Lưới phân phối hạ áp cấp điện trực tiếp cho các hộ tiêu thụ điện

Nhiệm vụ của lưới phân phối là cấp điện cho phụ tải với chất lượng điện năng tiêu chuẩn và độ tin cậy cung cấp điện trong giới hạn cho phép Tuy nhiên do những

nguyên nhân về kinh tế và điều kiện kỹ thuật, độ tin cậy của lưới phân phối hiện nay cao hay thấp phụ thuộc vào yêu cầu của phụ tải và chất lượng của lưới phân phối

Về cấu trúc lưới phân phối thường là:

- Lưới phân phối hình tia: Đặc điểm của nó là đơn giản, rẻ tiền nhưng có độ tin cậy thấp, không đáp ứng được nhu cầu của các phụ tải quan trọng

- Lưới phân phối hình tia có phân đoạn: là lưới phân phối hình tia được chia làm nhiều đoạn nhờ thiết bị phân đoạn Thiết bị phân đoạn có thể là dao cách ly, cầu dao phụ tải, máy cắt phân đoạn… các thiết bị này có thể đóng cắt tại chỗ bằng tay hoặc được trang bị hệ thống điều khiển từ xa Lưới này có độ tin cậy cao hay thấp phụ thuộc vào thiết bị phân đoạn và thiết bị điều khiển chúng

- Lưới kín vận hành hở: Lưới này có cấu trúc mạch vòng kín hoặc 2 nguồn, có các thiết bị phân đoạn trong mạch vòng Bình thường, lưới vận hành hở, khi có sự cố hoặc sửa chữa đường dây người ta sử dụng các thiết bị đóng cắt để điều chỉnh sơ đồ cấp điện, lúc đó phân đoạn sửa chữa bị mất điện còn các phân đoạn còn lại vẫn được cấp điện bình thường

Sơ đồ này có độ tin cậy cao hơn các sơ đồ trước đây Về mặt nguyên tắc lưới có thể vận hành kín, nhưng thiết bị bảo vệ, điều khiển đòi hỏi phải là các thiết bị tốt và đắt tiền Vận hành lưới hở đơn giản và rẻ hơn nhiều

Ngày nay, trên thế giới đang phát triển hệ thống phân phối Hệ thống này gồm: các trạm biến áp trung gian, các đường dây có phân đoạn, các trạm biến áp hạ áp được nối với nhau thành hệ thống Các máy cắt điện phân đoạn có thể điều khiển từ xa nhờ

hệ thống SCADA, DCS Các máy cắt điện có thể được trang bị hệ thống tự động đóng lại để nâng cao độ tin cậy cho hệ thống