Nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán độ tin cậy hệ thống điện phân phối có xét đến bảo quản định kỳ

Tuy nhiên, trong phân tích tính toán độ tin cậy Module DRA PSS/ADEPT chỉ tính được độ tin cậy lưới điện phân phối hình tia mà không phân tích được đầy đủ các trạng thái đổi nối trong sơ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

,

LÊ NGUYỄN QUỐC HUY

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY HỆ

THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN BẢO

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN TẤN VINH

Phản biện 1: TS TRẦN VINH TỊNH

Phản biện 2: TS LÊ CAO QUYỀN

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc

sĩ kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách

khoa Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 10 năm 2017

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hệ thống điện phân phối là khâu cuối cùng của hệ thống điện (HTĐ), đưa điện năng trực tiếp đến khách hàng sử dụng điện Vì vậy tính liên tục cung cấp điện cho phụ tải có mối quan hệ mật thiết và phụ thuộc trực tiếp vào độ tin cậy của lưới điện phân phối (LPP) Nâng cao độ tin cậy (ĐTC) cung cấp điện trên lưới điện được hiểu là giảm số lần mất điện và thời gian mất điện cho khách hàng trong bất

kỳ trường hợp nào như do sự cố (lý do khách quan) hoặc do công tác bảo quản định kỳ (lý do chủ quan)

Nhằm nâng cao chất lượng phục vụ khách hàng của ngành điện, đồng thời nâng cao công tác quản lý vận hành và kinh doanh của đơn

vị phân phối điện, Tập đoàn Điện lực Việt Nam luôn giám sát sát sao các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện, đã giao cho Tổng công ty Điện lực miền Trung (EVNCPC) hoàn thành mục tiêu ngắn hạn trong năm

2017 cụ thể: MAIFI 3,5 lần/năm, SAIDI 1.283 phút/kh.năm, SAIFI 11,98 lần/năm và lộ trình nâng cao ĐTC đến cuối năm 2020 phải hoàn thành mục tiêu: MAIFI 2,15 lần/năm, SAIDI 402 phút/kh.năm, SAIFI 8,73 lần/năm

Đứng trước những yêu cầu bức thiết trên, việc tính toán chính xác các chỉ tiêu ĐTC hệ thống điện để các bộ phận tham mưu phân tích, đánh giá nguyên nhân và đưa ra các giải pháp khắc phục là hết sức cần thiết

Hiện tại, phần mềm chuyên dùng PSS/ADEPT được EVNCPC trang bị cho các Công ty Điện lực trực thuộc sử dụng để tính toán các chế độ vận hành, tính toán tổn thất cũng như độ tin cậy của LPP Tuy nhiên, trong phân tích tính toán độ tin cậy Module DRA PSS/ADEPT chỉ tính được độ tin cậy lưới điện phân phối hình tia mà không phân tích được đầy đủ các trạng thái đổi nối trong sơ đồ lưới điện phân phối khi có mạch vòng kín, không tính được đến tính an toàn của các thiết

bị trên đường dây và chỉ tính được một số chỉ tiêu theo tiêu chuẩn

IEEE-1366 Vấn đề đặc biệt lưu tâm là trong thực tế vận hành cho thấy mất điện phụ tải do cắt điện để công tác bảo quản định kỳ (BQĐK) các đường dây, thiết bị chiếm khoảng 80% tổng thời gian mất điện của LPP Nhưng phiên bản PSS/ADEPT đang được Công ty

cổ phần Điện lực Khánh Hòa sử dụng chưa thể tính được các tình trạng mất điện này

Xuất phát từ những lý do trên, việc Nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán độ tin cậy hệ thống điện phân phối có xét đến bảo quản định kỳ là rất cần thiết

Luận văn ứng dụng phần mềm Matlab để xây dựng chương trình tính toán độ tin cậy lưới điện phân phối đối với cấu trúc lưới hình tia hay mạch vòng kín – vận hành hở, có xét đến các thao tác đổi nối của các thiết bị phân đoạn khi sự cố các phần tử và BQĐK các đường dây, thiết bị trên LPP Các chỉ tiêu độ tin cậy của các xuất tuyến, hệ thống điện phân phối được tính theo tiêu chuẩn IEEE-1366, của các nút phụ tải là xác suất, tần suất, thời gian mất điện và điện năng ngừng cung cấp hằng năm Chương trình tính toán có kết hợp với phần mềm PSS/ADEPT để truy xuất các dữ liệu liên quan đến sơ

đồ lưới điện phân phối, nhằm tận dụng dữ liệu sẵn có của các Công ty điện lực đã xây dựng và đang quản lý

Kết quả tính toán là cơ sở để đánh giá, phân tích khả năng tin cậy cung cấp điện, nhằm đưa ra giải pháp tối ưu để nâng cao ĐTC, đặc biệt chú trọng đến giảm thời gian mất điện trong công tác BQĐK, ứng dụng tại LPP thành phố Nha Trang và mở rộng cho các khu vực khác

2 Mục đích và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục đích nghiên cứu

Luận văn xây dựng công cụ để tính toán độ tin cậy của lưới điện phân phối, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện và nâng cao chất lượng phục vụ, giảm thiểu cường độ và thời gian mất điện cho các khách hàng sử dụng điện

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu các phương pháp để lựa chọn phương pháp hợp lý tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy hệ thống điện phân phối, có xét đến công tác BQĐK các phần tử, từ đó xây dựng thuật toán làm cơ sở cho việc lập trình

Nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán ĐTC của hệ thống điện phân phối hình tia và mạch vòng, có giao diện dễ sử dụng và cho phép lưu trữ các dữ liệu, kết quả tính toán để người sử dụng dễ dàng phân tích đánh giá

Áp dụng để tính toán và đánh giá độ tin cậy LPP thành phố Nha Trang trên cơ sở các số liệu thống kê từ thực tế vận hành đã xây dựng trong phần mềm PSS/ADEPT

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Lưới điện phân phối Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy hệ thống điện phân phối Các phương pháp tính toán và đánh giá độ tin cậy Thuật toán tối ưu của phần mềm ứng dụng Matlab dựa trên cơ sở dữ liệu thực tế vận hành

Phạm vi nghiên cứu:

Lưới điện phân phối Phần mềm ứng dụng Matlab trên cơ sở một thuật toán tối ưu được chọn để tiến hành phân tích, tính toán và đưa ra các giải pháp nâng cao các chỉ tiêu độ tin cậy

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Tên đề tài

“Nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán độ tin cậy hệ thống điện phân phối có xét đến bảo quản định kỳ”

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

7 Cấu trúc của luận văn

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về độ tin cậy hệ thống điện phân phối Chương 2: Tính toán độ tin cậy hệ thống điện phân phối có xét đến bảo quản định kỳ bằng phương pháp trạng thái

Chương 3: Xây dựng thuật toán và chương trình tính toán độ tin cậy hệ thống điện phân phối

Chương 4: Áp dụng tính toán cho lưới điện phân phối Thành phố Nha Trang

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI

1.1.

Giới thiệu chung về hệ thống điện phân phối

1.1.1.

Hệ thống điện phân phối là HTĐ bao gồm lưới điện phân phối

và các nhà máy điện đấu nối vào LPP, có nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm biến áp trung gian đến các khách hàng trực tiếp sử

TỔNG QUAN VỀ ĐTC CỦA HTĐ PHÂN PHỐI

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

CÁC CHỈ TIÊU ĐTC CỦA HTĐ PHÂN PHỐI

1.3.

Để đánh giá được một cách toàn diện về sự mất điện của hệ

thống, hiện nay nhiều nước trên thế giới đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối qua các chỉ tiêu được quy định bởi tiêu chuẩn IEEE 1366, một số chỉ tiêu tính toán như sau:

Chỉ số tần suất mất điện trung bình của hệ thống SAIFI:

T T

i

N N

Chỉ số thời gian mất điện trung bình của hệ thống SAIDI:

T i T

i i

N

CM N

N r

Chỉ số thời gian mất điện trung bình của khách hàng CAIDI:

SAIFI

SAIDIN

Nr

i

i i

1.3.2.1 Về mặt độ tin cậy hệ thống điện có các đặc điểm sau

1.3.2.2 Các biện pháp nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện

Các phương pháp tính toán đTC hệ thống điện phân phối

1.4.3.1 Phương pháp đường tối thiểu

1.4.3.2 Phương pháp lát cắt tối thiểu

Phương pháp trạng thái

1.4.4.

1.4.4.1 Trạng thái và không gian trạng thái

Trong phương pháp này, hệ thống được diễn tả bởi các trạng thái hoạt động và khả năng chuyển giữa các trạng thái đó

Trạng thái hệ thống được xác định bởi tổ hợp các trạng thái của các phần tử Mỗi tổ hợp trạng thái của phần tử cho một trạng thái của

hệ thống Phần tử có thể có nhiều trạng thái khác nhau như: trạng thái tốt, trạng thái hỏng, trạng thái bảo dưỡng định kỳ Do đó mỗi sự thay đổi trạng thái của phần tử đều làm cho hệ thống chuyển sang một trạng thái mới Tất cả các trạng thái có thể của hệ thống tạo thành không gian trạng thái Hệ thống luôn ở một trong các trạng thái này

Do đó, tổng xác suất trạng thái bằng 1

Ưu thế của phương pháp không gian trạng thái là có thể xét các phần tử có nhiều trạng thái khác nhau và với các giả thiết nhất định có thể áp dụng quá trình Markov

1.4.4.2 Quá trình ngẫu nhiên Markov

a Khái quát chung

Quá trình ngẫu nhiên Markov là mô hình toán học diễn tả quá trình ngẫu nhiên trong đó phần tử hoặc hệ thống liên tiếp chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác trong không gian trạng thái

b Quá trình Markov rời rạc trong không gian và rời rạc theo thời gian (Xích Markov)

c Quá trình Markov rời rạc trong không gian và liên tục theo thời gian

Lựa chọn phương pháp

1.4.5.

Để tính độ tin cậy thường sử dụng phương pháp cấu trúc nối tiếp hoặc song song các phần tử, nghĩa là chỉ xét đến hai quá trình chuyển trạng thái là sự cố và phục hồi của các phần tử Tuy nhiên trong vận hành, các phần tử có thể có nhiều hơn hai trạng thái, khi đó không thể dùng phương pháp cấu trúc để đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối

Tính toán đánh giá độ tin cậy của một xuất tuyến lớn hay một

hệ thống phân phối là bài toán phức tạp Tính phức tạp của bài toán độ tin cậy lưới phân phối do hệ thống có quá nhiều phần tử, nhiều trạng thái, chế độ làm việc, phương thức vận hành thay đổi phức tạp Việc sử dụng phương pháp trên để tính toán độ tin cậy một lưới điện phân phối đòi hỏi người phân tích thực hiện một khối lượng tính

toán lớn, phức tạp, do đó cần phải có sự hỗ trợ của máy tính với các phần mềm chuyên dùng trong quản lý lưới điện phân phối

Từ cơ sở lý luận trên, luận văn sử dụng phương pháp không gian trạng thái có xét đến bảo quản định kỳ và ngôn ngữ lập trình Matlab để xây dựng chương trình tính toán độ tin cậy hệ thống điện phân phối

KẾT LUẬN

1.5.

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI

CÓ XÉT ĐẾN BẢO QUẢN ĐỊNH KỲ

BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẠNG THÁI

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TRẠNG THÁI ĐỂ 2.1.

TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY

Mô hình trạng thái các phần tử khi sự cố

2.1.1.

2.1.1.1 Mô hình hai trạng thái

2.1.1.2 Mô hình 3 trạng thái của phần tử

Đối với những phần tử này thì mô hình gồm ba trạng thái như Hình 2.2 Từ trạng thái làm việc bình thường (N), nếu có sự cố thì phần tử sẽ chuyển về trạng thái đổi nối (ký hiệu S) với cường độ chuyển trạng thái là và sau khi đổi nối xong thì phần tử sẽ chuyển về trạng thái R là trạng thái phần tử đang được sửa chữa sự cố, cường độ chuyển trạng thái là S

Sau khi sửa chữa xong,

phần tử chuyển về trạng thái ban

đầu N với cường độ chuyển trạng

thái (gọi là cường độ phục hồi) là

Quan hệ giữa cường độ và thời

gian trạng thái các trạng thái như

của phần tử có xét đổi nối

1

S S

Xét hệ thống điện phân phối có n phần tử, gồm các phần tử như đường dây, máy biến áp, thiết bị bù, thiết bị đóng cắt…các phần tử trong quá trình làm việc có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác Như vậy vào một thời điểm nhất định, hệ thống sẽ ở một trạng thái nào đó do trạng thái của các phần tử trong hệ thống quyết định Mỗi trạng thái của hệ thống có thể là trạng thái tốt (ký hiệu là TTT) là trạng thái phụ tải có điện hoặc trạng thái hỏng (TTH) là trạng thái phụ tải mất điện Sơ đồ trạng thái của hệ thống n phần tử như Hình 2.6

Xác suất các trạng thái của các phần tử thứ i:

Si

1 i

N Mi

m

1 i Mi Mi Ri

Si

λ 1

1

Hình 2.6 Mô hình trạng thái của hệ thống n phần tử, có xét BQĐK

Từ đó tính được xác suất các trạng thái Si, Ri, Mi của từng phần

tử thứ i Bằng cách phân tích ảnh hưởng hỏng hóc của các phần tử đến

hệ thống, có thể định ra các trạng thái tốt (có điện) và trạng thái hỏng (mất điện) trong các trạng thái đổi nối Si, trạng thái sửa chữa Ri, trạng thái bảo dưỡng định kỳ Mi Hợp nhất các trạng thái hỏng và tốt thành các trạng thái tốt (TTT) và trạng thái hỏng (TTH) của hệ thống Chi tiết phương pháp hợp nhất trạng thái được trình bày ở mục 2.1.5, từ đó tính được xác suất mất điện của hệ thống:

PH = ( PSi PRi PMi)

TTH i

2.1.4.1 Tổ chức công tác bảo quản định kỳ

2.1.4.2 Tính toán độ tin cậy khi BQĐK các nhóm phần tử

Hợp nhất trạng thái

2.1.5.

Phân tích ảnh hưởng hỏng hóc các phần tử đến độ tin cậy 2.1.6.

cung cấp điện của các nút phụ tải

Phương pháp tính toán ĐTC bằng phương pháp trạng thái 2.1.7.

2.1.7.1 Tính toán độ tin cậy lưới phân phối hình tia

2.1.7.2 Tính toán độ tin cậy lưới phân phối mạch vòng kín vận hành hở

Tính toán độ tin cậy lưới phân phối kín vận hành hở khá phức tạp Các bước tính toán về cơ bản giống như lưới hình tia, tuy nhiên cần lưu ý một số vấn đề sau:

Vận hành lưới phân phối mạch vòng:

Ở chế độ vận hành cơ bản, mạch vòng kín được cung cấp từ một hoặc nhiều nguồn độc lập và vận hành ở dạng hở, nghĩa là vận hành như lưới hình tia Mạch vòng được hình thành có nhiều dao cách

ly phân đoạn, việc chọn dao cách ly nào mở (để hở mạch vòng) trong thực tế có thể được tính toán bằng module TOPO (tìm điểm mở tối ưu) trong phần mềm PSS/ADEPT

Khi một phần tử trong lưới điện bị sự cố hoặc cắt điện để công tác BQĐK, nhân viên vận hành phải thao tác một số dao cách ly và đóng lại mạch vòng để khôi phục việc cung cấp điện cho một số phụ tải đã bị mất điện Thực tế, việc khép mạch vòng được thực hiện theo nguyên tắc sau:

Khi xảy ra sự cố một hoặc hai đoạn lưới đồng thời nào đó, đầu

tiên phải tìm xem sẽ thao tác như thế nào để có một sơ đồ lưới điện sau sự cố tốt nhất theo thứ tự ưu tiên các chỉ tiêu sau:

Không có phân đoạn nào quá tải

Chất lượng điện áp đảm bảo

Số lượng thao tác ít

Nếu sơ đồ vận hành sau sự cố mà có đoạn lưới nào đó bị quá tải hay điện áp ở nút nào đó thấp dưới tiêu chuẩn thì tiến hành giảm đều công suất phụ tải lưới phân phối cho đến khi hết quá tải hoặc điện áp đạt mức cho phép Công suất giảm đi chính là công suất bị mất do sự

cố Biết xác suất sự cố và công suất mất sẽ tính được các chỉ tiêu độ tin cậy cần thiết

Đối với cắt điện công tác hay bảo trì bảo dưỡng cũng được tính tương tự

Như vậy, cần phân tích xây dựng phương thức thao tác các mạch vòng khi sự cố ngẫu nhiên hoặc cắt điện kế hoạch các phần tử Theo phương thức này, sẽ biết được trạng thái làm việc (đóng hay mở) của các dao cách ly phân đoạn Từ đó sẽ xác định được vùng cắt điện, thường sẽ nhỏ hơn so với vận hành lưới hình tia

Đường nối:

Vì mạch vòng được cung cấp từ một nguồn từ hai đầu hoặc nhiều nguồn riêng biệt, nên đường nối từ một nút phụ tải đến nguồn có thể có từ hai hoặc nhiều đường Vì vậy trong bài toán tính độ tin cậy cho mạch vòng cần phải phân tích ảnh hưởng hỏng hóc các phần

tử đến tất cả các đường nối Phụ tải sẽ mất điện nếu không có đường nối nào liền mạch

VÍ DỤ TÍNH TOÁN

2.2.