Tính toán phân tích đánh giá độ tin cậy hệ thống nguồn điện Việt Nam khi xuất hiện nhà máy điện hạt nhân

Tính toán phân tích đánh giá độ tin cậy hệ thống nguồn điện Việt Nam khi xuất hiện nhà máy điện hạt nhân Tính toán phân tích đánh giá độ tin cậy hệ thống nguồn điện Việt Nam khi xuất hiện nhà máy điện hạt nhân luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY

H Ệ THỐNG NGUỒN ĐIỆN VIỆT NAM KHI XUẤT HIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HỆ THỐNG ĐIỆN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguy ễn Văn Thể

TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY

H Ệ THỐNG NGUỒN ĐIỆN VIỆT NAM KHI XUẤT HIỆN

Trang Trang bìa

Lời cam đoan

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT CHUNG ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 CÁC KHÁI NIỆM 2

1.1.1 Hệ thống điện 2

1.1.2 Khái niệm độ tin cậy và các chỉ tiêu độ tin cậy 3

1.1.3 Khái niệm về trạng thái và hỏng hóc của hệ thống điện 4

1.1.4 Tổn thất kinh tế do mất điện và ảnh hưởng của độ tin cậy đến cấu trúc của hệ thống điện 5

1.1.5 Đặc điểm của hệ thống điện và các biện pháp nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện 7

1.1.6 Bài toán độ tin cậy và phương pháp giải 8

1.2 ĐỘ TIN CẬY CỦA PHẦN TỬ 10

1.2.1 Phần tử không phục hồi 10

1.2.2 Phần tử phục hồi 13

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN 2.1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CHUNG 18

2.1.1 Yêu cầu công suất nguồn phát 19

2.1.2 Các chỉ tiêu và chỉ số đánh giá độ tin cậy hệ thống nguồn điện 19

2.1.3 Phương pháp phần trăm dự trữ công suất 20

2.1.5 Phương pháp xác suất thiếu công suất LOLP (Loss Of Load

Probability) 21

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY 22

2.2.1 Mô hình nguồn điện 23

2.2.2 Mô hình phụ tải 29

2.2.3 Chỉ số xác suất thiếu công suất LOLP 32

2.2.4 Chỉ số kỳ vọng điện năng thiếu hụt LOEE 35

2.2.5 Ảnh hưởng bảo dưỡng định kỳ đến độ tin cậy hệ thống nguồn điện 35

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN VIỆT NAM 3.1 HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN VIỆT NAM 38

3.1.1 Tổng quát 38

3.1.2 Hiện trạng các nguồn điện 47

3.2 CHƯƠNG TRÌNH PHÁT TRIỂN NGUỒN ĐIỆN 51

3.3 PHỤ TẢI 52

3.3.1 Hiện trạng phụ tải 52

3.3.2 Dự báo nhu cầu phụ tải 54

CHƯƠNG 4 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐIỆN HẠT NHÂN TẠI VIỆT NAM 4.1 HIỆN TRẠNG VÀ VIỄN CẢNH PHÁT TRIỂN ĐIỆN HẠT NHÂN TRÊN THẾ GIỚI 57

4.1.1 Tổng quan phát triển điện hạt nhân trên thế giới 57

4.1.2 Dự báo phát triển điện hạt nhân trên thế giới 58

4.2 CHƯƠNG TRÌNH PHÁT TRIỂN ĐIỆN HẠT NHÂN CỦA VIỆT NAM 60 4.2.1 Quy mô và thời điểm xuất hiện các nhà máy điện hạt nhân 60

4.2.2 Địa điểm và quy mô của ĐHN 62

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN VIỆT NAM

5.1 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN 65

5.1.1 Khối soạn thảo số liệu 65

5.1.2 Khối tính toán LOLP 66

5.1.3 Tính toán năng lượng thiếu 68

5.2 TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN VIỆT NAM KHI XUẤT HIỆN NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN (NĂM 2020) 70

5.2.1 Hệ thống nguồn điện Việt Nam đến năm 2020 70

5.2.2 Phụ tải hệ thống điện Việt Nam 80

5.2.3 Kết quả tính độ tin cậy hệ thống nguồn điện Việt Nam năm 2020 83

KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHỤ LỤC 88

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Các kết quả tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn nào khác

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Thể

ĐTC: Độ tin cậy

HTĐ: Hệ thống điện

NMTĐ: Nhà máy thuỷ điện

NMNĐ: Nhà máy nhiệt điện

TBK: Tua bin khí

ĐHN: Điện hạt nhân

NMĐHN: Nhà máy điện hạt nhân

HTNĐ: Hệ thống nguồn điện

LOLP: Xác suất thiếu công suất(Loss Of Load Probability)

LOLE : Kỳ vọng số ngày thiếu công suất(Loss Of Load Expectation) LOEE: Kỳ vọng điện năng thiếu hụt(Loss Of Energy Expectation)

Trang Bảng 2.1 Xác suất giảm công suất khi thêm một tổ máy mới 27 Bảng 3.1 Danh sách các nhà máy điện hiện có đến cuối năm 2009 39 Bảng 3.2 Cơ cấu sản xuất điện giai đoạn 1995 – 2009 47 Bảng 3.3 Sản lượng điện của các nhà máy thủy điện lớn 48

Bảng 3.5 Cơ cấu nguồn điện giai đoạn đến năm 2030 - PA cơ sở 51 Bảng 3.6 Cơ cấu tiêu thụ điện giai đoạn 1990-2009 53 Bảng 3.7 Nhu cầu điện giai đoạn 2010-2030 (PA cơ sở) 55 Bảng 3.8 Nhu cầu điện giai đoạn 2010-2030 (PA cao) 55 Bảng 4.1 Cơ cấu nguồn điện giai đoạn đến năm 2030-PA cơ sở 60 Bảng 4.2 Cơ cấu nguồn điện giai đoạn đến năm 2030- PA cao 61 Bảng 4.3.Cân bằng điện năng HTĐ toàn quốc 2015-2030 (PA cơ sở) 62 Bảng 5.1 Danh mục các nhà máy điện đến năm 2020 70

Trang Hình 1.1 Quan hệ giữa vốn đầu tư và độ tin cậy 7

Hình 1.2 Biến thiên hàm phân bố và hàm tin cậy 12 Hình 1.3 Mô tả 2 trạng thái ngẫu nhiên của phần tử 15 Hình 1.4 Sơ đồ chuyển trạng thái phần tử có bảo dưỡng định kỳ 17 Hình 2.1 Các mức phân cấp tính độ cậy trong hệ thống điện 18 Hình 2.2 Mô hình tính toán độ tin cậy hệ thống nguồn điện 22

Hình 2.4 Kết hợp mô hình phụ tải và mô hình nguồn điện 30 Hình 2.5 Xác định dãy xác suất giảm công suất phụ tải 31

Hình 2.7 Đồ thị phụ tải kéo dài khi xét đến bảo dưỡng định kỳ tổ máy phát 37 Hình 3.1 Cơ cấu công suất đặt các nhà máy điện năm 2009 38 Hình 3.2 Đồ thị phụ tải đỉnh ngày đêm HTĐ Việt Nam năm 2009 53 Hình 3.3 Đồ thị phụ tải đỉnh ngày kéo dài HTĐ Việt Nam năm 2009 54 Hình 4.1 Cơ cấu điện sản xuất theo nguồn năng lượng sử dụng 58 Hình 4.2 Dự báo công suất điện hạt nhân trên thế giới 59 Hình 4.3 Dự báo số lượng quốc gia xây dựng nhà máy điện hạt nhân 59 Hình 5.1 Các khối chính của chương trình tính toán độ tin cậy nguồn điện 65

Hình 5.3 Sơ đồ khối lập bảng xác suất trạng thái nguồn 67

Hình 5.5 Đồ thị phụ tải đỉnh ngày đêm kéo dài hệ thống điện Việt Nam 80 Hnh 5.6 Biểu đồ trạng thái phụ tải đỉnh hệ thống điện Việt Nam năm 2020 82

Hiện tại, nhịp độ phát triển kinh tế của nước ta ở mức tương đối cao (khoảng 7-8 %/năm và cao hơn) với mục tiêu đến năm 2020 nước ta cơ bản trở thành nước công nghiệp hoá, hiện đại hoá Do đó để đáp ứng được tốc độ phát triển kinh tế của nước ta, các yêu cầu về phát triển và đa dạng các nguồn năng lượng nhằm đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia là nhiệm vụ cực kỳ quan trọng

Trong các nguồn năng lượng, nguồn điện đóng vai trò then chốt và là động lực phát triển tất cả các ngành kinh tế Tính đến cuối năm 2008, tổng công suất lắp đặt của các nhà máy điện nước ta là 15.854MW công suất khả dụng khoảng 15.278MW, trong đó thuỷ điện 34,9%, nhiệt điện than 9,9%, tuabin khí 19,2%, các nhà máy điện ngoài EVN chiếm 29,9%, còn lại diesel, thuỷ điện nhỏ, nhiệt điện dầu

và nhập khẩu chiếm 6,1% Với tốc độ tăng trưởng của nguồn điện trong những năm vừa qua trung bình khoảng 14% là khá cao tuy nhiên vẫn không đáp ứng kịp với tốc

độ gia tăng của phụ tải Đặc biệt trong những năm gần đây, tình trạng cắt điện và sa

thải phụ tải diễn ra thường xuyên, ảnh hưởng nhiều đến đời sống sinh hoạt, hoạt động kinh doanh sản xuất, gây ra thiệt hại đáng kể về kinh tế, xã hội

Như vậy, cùng với sự phát triển của hệ thống lưới điện, yêu cầu về cung cấp điện năng đầy đủ, tin cậy và an toàn cần được chú trọng quan tâm Trong đó, độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống nguồn điện nên được xem xét, đánh giá đúng mức trong quy hoạch phát triển hệ thống điện, đặc biệt trong bối cảnh nước ta đang chuẩn bị xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên

Với mục đích đánh giá khả năng cung cấp điện của hệ thống nguồn điện Việt Nam trong tương lai, đặc biệt tại thời điểm tổ máy điện hạt nhân đầu tiên đi vào hoạt động, đề tài đi vào tìm hiểu mô hình tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy hệ thống nguồn điện, tính toán các chỉ tiêu thường sử dụng để đánh giá độ tin cậy hệ thống nguồn điện

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Bách, Bộ môn Hệ thống điện,

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, các bạn đồng nghiệp đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1

LÝ THUYẾT CHUNG ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 CÁC KHÁI NIỆM 2

1.1.1 Hệ thống điện 2

1.1.2 Khái niệm độ tin cậy và các chỉ tiêu độ tin cậy 3

1.1.3 Khái niệm về trạng thái và hỏng hóc của hệ thống điện 4

1.1.4 Tổn thất kinh tế do mất điện và ảnh hưởng của độ tin cậy đến cấu trúc của hệ thống điện. 5

1.1.5 Đặc điểm của hệ thống điện và các biện pháp nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. 7

1.1.6 Bài toán độ tin cậy và phương pháp giải 8

1.2 ĐỘ TIN CẬY CỦA PHẦN TỬ 10

1.2.1 Phần tử không phục hồi 10

1.2.2 Phần tử phục hồi 13

Trong hệ thống điện, các phần tử là máy phát điện, máy biến áp, đường dây tải điện Nhiệm vụ của hệ thống điện là sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đến hộ tiêu thụ với các tiêu chuẩn chất lượng điện năng, chi phí 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

Hệ thống điện xét trên khía cạnh độ tin cậy là hệ thống phức tạp, được thể hiện ở những điểm sau:

- Cấu trúc phức tạp:

+ Số lượng rất lớn các phần tử thuộc nhiều loại khác nhau

+ Sơ đồ lưới điện phức tạp

- Hoạt động phức tạp

- Rộng lớn trong không gian

- Phát triển không ngừng theo thời gian

Hệ thống điện là hệ thống phục hồi, các phần tử của hệ thống điện sau khi bị hỏng hóc sẽ được phục hồi rồi đưa trở lại làm việc Do đó các trạng thái hỏng hóc của hệ thống điện cũng được phục hồi sau thời gian nhất định Hơn nữa, đa số các phần tử của hệ thống điện còn được bảo dưỡng định kỳ để có thể phục hồi khả năng làm việc đã bị suy giảm sau một thời gian làm việc

Phần tử của hệ thống điện là những bộ phận tạo thành hệ thống điện mà

trong một quá trình nhất định được xem như một tổng thể duy nhất không chia cắt

được Trong các bài toán độ tin cậy hệ thống điện, các phần tử được đặc trưng bởi các thông số: cường độ hỏng hóc, thời gian phục hồi không đổi Đa số các phần tử trong hệ thống điện là các phần tử phục hồi

1.1.2 Khái ni ệm độ tin cậy và các chỉ tiêu độ tin cậy

Độ tin cậy là một đặc tính riêng và là một đơn vị đo đặc biệt của bất kỳ phần

tử, thiết bị hoặc hệ thống, nó mô tả khả năng thực hiện nhiệm vụ xác định của phần

tử, thiết bị hoặc hệ thống

Độ tin cậy luôn gắn liền với việc hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể trong khoảng thời gian nhất định và trong hoàn cảnh nhất định Mức đo độ tin cậy là xác suất phần tử hoặc hệ thống hoàn thành một nhiệm vụ trong khoảng thời gian xác định Do xác xuất là một đại lượng thống kê nên độ tin cậy cũng mang tính thống

kê

Đối với phần tử hay hệ thống phục hồi như hệ thống điện, hệ thống làm việc liên tục nên khái niệm khoảng thời gian xác định không có ý nghĩa Do đó độ tin cậy được xác định bởi đại lượng thích hợp hơn là độ sẵn sang

Độ sẵn sàng của hệ thống là xác suất để hệ thống hoàn thành hoặc sẵn sàng hoàn thành nhiệm vụ ở thời điểm bất kỳ Độ sẵn sàng cũng là xác suất để hệ thống ở trạng thái làm việc tốt ở thời điểm bất kỳ và được tính bằng tỷ số giữa thời gian hệ thống ở trạng thái làm việc tốt và tổng thời gian làm việc của hệ thống Ngược với

độ sẵn sàng là độ không sẵn sàng là xác suất để hệ thống hay phần tử ở trạng thái hỏng

Độ sẵn sàng hoặc độ không sẵn sàng chưa đủ để đánh giá độ tin cậy của hệ thống điện trong các bài toán cụ thể, do đó phải sử dụng thêm các chỉ tiêu khác cũng có tính xác suất sau:

- Xác suất thiếu điện cho phụ tải: là xác xuất công suất phụ tải lớn hơn công suất nguồn điện

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

- Điện năng thiếu (điện năng mất) cho phụ tải: là kỳ vọng điện năng phụ tải

bị cắt do hỏng hóc hệ thống điện trong một năm

- Thiệt hại kinh tế tính bằng tiền do mất điện

- Thời gian mất điện trung bình cho một phụ tải trong một năm

- Số lần mất điện trung bình cho một phụ tải trong một năm

1.1.3 Khái niệm về trạng thái và hỏng hóc của hệ thống điện

a) Trạng thái phần tử

Phần tử của hệ thống điện có thể có các trạng thái khác nhau phụ thuộc vào tình trạng kỹ thuật và chức năng của chúng Mỗi phần tử của hệ thống điện có một tập đủ các trạng thái có thể xảy ra ở phần tử Phần tử ở trạng thái nào trong tập đủ các trạng thái của phần tử là ngẫu nhiên được đo bởi xác suất phần tử ở trạng thái

đó (gọi tắt là xác suất trạng thái) Tổng xác suất trạng thái của tập đủ các trạng thái của phần tử bằng 1

Trạng thái của phần tử được đặc trưng bởi các thông số:

- Thời gian trạng thái Tilà thời gian trung bình phần tử ở trạng thái i

- Xác suất trạng thái Pilà xác suất phần tử ở trạng thái i, đó chính là thời gian

tương đối phần tử ở trạng thái i và

- Tần suất trạng thái fi là số lần phần tử rơi vào trạng thái i trong một đơn vị thời gian

Phần tử bao giờ cũng ở một trong những trạng thái của tập đủ các trạng thái của phần tử Tuy nhiên trong các bài toán độ tin cậy khác nhau, để giảm khối lượng tính toán các trạng thái có xác suất nhỏ có thể bỏ qua

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

b) Trạng thái và hỏng hóc của hệ thống điện

Trạng thái hệ thống điện là tổ hợp các trạng thái của tất cả các phần tử cấu thành hệ thống điện 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 trong hệ thống điện Do đó, xác suất

trạng thái của hệ thống điện chính là tích của các xác suất trạng thái của các phần tử với giả thiết các phần tử trong hệ thống điện làm việc độc lập với nhau Đối với hệ thống điện, giả thuyết này là đúng với hầu hết các phần tử và do đó được áp dụng với hầu hết các bài toán độ tin cậy Các trạng thái của hệ thống điện được phân chia theo tiêu chuẩn hỏng hóc trong hệ thống điện, tiêu chuẩn này sẽ được lựa chọn khi nghiên cứu độ tin cậy và phụ thuộc vào mục đích bài toán cụ thể

Số các trạng thái của hệ thống điện rất lớn (ví dụ: một hệ thống có n phần tử, mỗi phần tử có 2 trạng thái thì số trạng thái của hệ thống bằng 2n trạng thái) Tổng xác suất của tập đủ các trạng thái hệ thống điện bằng 1

Giống như phần tử, các trạng thái của hệ thống điện cũng được đặc trưng bởi: thời gian trạng thái Ti, tần suất trạng thái fi, xác suất trạng thái Pi

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

- Tập trạng thái tốt là tập hợp các trạng thái hệ thống làm việc tốt

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

1.1.4 Tổn thất kinh tế do mất điện và ảnh hưởng của độ tin cậy đến cấu trúc

của hệ thống điện

Việc mất điện sẽ gây ra các hậu quả kinh tế, xã hội căn cứ vào hậu quả mất điện, phụ tải điện được chia thành 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 phụ tải thứ nhất, cần được cấp điện với độ tin cậy cao nhất có thể Còn đối với loại phụ tải dưới là bài toán kinh tế - kỹ thuật trên cơ sở cân nhắc giữa vốn đầu tư nâng cao độ tin cậy hệ thống điện và tổn thất kinh tế do mất điện

Về tổn thất kinh tế do mất điện gồm 2 quan điểm:

- 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, điện năng bị mất hoặc đồng thời

cả hai Khi mất điên theo kế hoạch, tổn thất này sẽ nhỏ do cớ sở sản xuất đã được chuẩn bị trước Các tổn thất kinh tế 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 thoả mãn các nhu cầu phụ tải, đồng thời đảm bảo hiệu quả kinh tế của hệ thống điện Loại tổn thất này được tính cho lưới phân phối, lưới truyền tải và nguồn điện một cách riêng biệt Loại tổn thất này cũng được tính cho từng loại phụ tải cho một lần mất điện, cho 1kW hoặc 1kWh tổn thất và cũng được tính theo 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 ngày càng cao, khiến cho hệ thống điện ngày càng phải hoàn thiện về mặt cấu trúc, nâng cao về mặt vận hành để không ngừng nâng cao độ tin cậy

Nâng cao độ tin cậy có ảnh hưởng đến cấu trúc của 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 giảm mức tổn thất kinh tế do nâng cao độ tin cậy lớn hơn chi phí để nâng cao độ tin cậy Mối quan hệ giữa độ tin cậy và vốn đầu tư được minh họa trên hình 1.1, ΔR/ΔC là tỷ số giữa giá trị gia tăng độ tin cậy với giá trị gia tăng vốn đầu tư nâng cao độ tin cậy

Hình 1.1 Quan h ệ giữa vốn đầu tư và 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 kinh tế do mất điện như đã nói ở trên Tuy nhiên việc tính toán như vậy gặp nhiều khó khăn Do đó 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 như:

- Xác xuất không xảy ra mất điện (độ tin cậy) phải bằng hoặc lớn hơn giá trị nào đó

- Xác suất xảy ra mất điện (độ rủi ro) phải nhỏ hơn giá trị nào đó

Các chỉ tiêu này được xác định trên cơ sở phân tích kinh tế - kỹ thuật hệ thống điện

1.1.5 Đặc điểm của hệ thống điện và các biện pháp nâng cao độ tin cậy của hệ

- Mối liên hệ giữa các phần tử phức tạp

- Hệ thống điện là hệ thống có dự phòng về mặt công suất, năng lượng sơ cấp, số phần tử và khả năng tải của chúng, sơ đồ nối dây

- Hệ thống điện có khả năng phục hồi do các phần tử của nó có khả năng phục hồi

- Hệ thống điện có nhiều trạng thái làm việc, mỗi trạng thái tương ứng với khả năng hoàn thành công việc khác nhau

- Hệ thống điện có bảo dưỡng định kỳ: tiểu tu, trung tu và đại tu Khi phần tử hết hạn sử dụng sẽ được loại bỏ và thay bằng phần tử mới, do đó hệ thống điện luôn

ở trong giai đoạn làm việc bình thường với cường độ hỏng hóc trung bình là hằng

+ Dự trữ năng lượng sơ cấp

+ Dự trữ công suất nguồn, công suất máy biến áp, khả năng tải của lưới điện

về phát nóng, về tổn thất điện áp, về ổn định, dự trữ thiết bị thay thế

- Hoàn thiện cấu trúc lưới điện làm chúng trở nên linh hoạt, có độ dự trữ cao

và có khả năng thích ứng nhanh với mọi tình huống vận hành (sử dụng sơ đồ lưới điện có cấu trúc linh hoạt và năng động)

- Sử dụng các thiết bị bảo vệ, thiết bị điều khiển tự động chống sự cố và điều chỉnh chế độ ngày càng hoàn thiện

- Sử dụng các thiết bị điện có chất lượng cao

- Tổ chức tốt hệ thống quản lý, vận hành

- Không ngừng nâng cao khả năng vận hành của cán bộ vận hành

1.1.6 Bài toán độ tin cậy và phương pháp giải

Theo cấu trúc lưới điện, bài toán độ tin cậy hệ thống điện được chia thành 4 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

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

- Bài toán về độ tin cậy của phụ tải

Theo mục đích, bài toán độ tin cậy được chia thành các dạng:

- Bài toán quy hoạch, phục vụ quy hoạch phát triển hệ thống điện

- Bài toán vận hành, phục vụ vận hành hệ thống điện

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

- Bài toán giải tích, nhằm mục đích tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện có cấu trúc cho trước

- Bài toán tổng hợp, nhằm xác định trực tiếp thông số của một phần tử trong

hệ thống 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

Trong bài toán giải tích độ tin cậy, các yếu tố: thông số đặc trưng độ tin cậy của phần tử (cường độ hỏng hóc, sửa chữa định kỳ, ngừng điện công tác), cấu trúc lưới điện; hệ thống quản lý, vận hành, bảo dưỡng, sách lược dự trữ, yếu tố môi trường là yếu tố đầu vào, còn đầu ra là chỉ tiêu độ tin cậy Tuy nhiên việc tính đến mọi yếu tố rất phức tạp, cho nên tuỳ từng bài toán, tùy từng phương pháp sử dụng

mà một số yếu tố bị bỏ qua hoặc đơn giản hoá và kết quả tính toán có sai số chấp nhận được

Các phương pháp phổ biến hiện dùng để giải tích bài toán độ tin cậy hệ thống điện gồm có:

i) Phương pháp đồ thị - giải tích: phương pháp này bao gồm việc lập sơ đồ

độ tin cậy và áp dụng phương pháp giải tích đại số Boolean và lý thuyết xác suất các tập hợp, lý thuyết graph để tính toán độ tin cậy

ii) Phương pháp không gian trạng thái trong đó sử dụng quá trình ngẫu nhiên Markov: trong phương pháp này hệ thống điện được diễn tả bởi các trạng thái hoạt động và khả năng chuyển giữa các trạng thái đó Tất cả các trạng thái có thể của hệ thống điện tạo thành không gian trạng thái Quá trình ngẫu nhiên trong đó hệ thống

điện liên tiếp chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác được mô tả bởi mô hình toán học quá trình ngẫu nhiên Markov

Phương pháp không gian trạng thái có ưu điểm là có thể xét các phần tử, hệ thống có nhiều trạng thái khác nhau, và có thể áp dụng quá trình ngẫu nhiên Markov

để tính xác suất trạng thái, tần xuất trạng thái từ đó tính được chỉ tiêu độ tin cậy một cách hiệu quả

iii) Phương pháp cây hỏng hóc xây dựng trên cơ sở lập cây hỏng hóc cho mối liên quan giữa cây hỏng hóc phần tử và hỏng hóc hệ thống Phương pháp cây hỏng hóc thích hợp với bài toán độ tin cậy của các nhà máy điện

iv) Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo: Nội dung của phương pháp là mô phỏng hoạt động của các phần tử trong hệ thống như một quá trình ngẫu nhiên Lịch

sử hoạt động của phần tử và hệ thống được tạo ra một cách nhân tạo trên máy tính điện tử, sau đó sử dụng các phương pháp đánh giá, thống kê để phân tích rút ra các kết luận độ tin cậy của hệ thống phương pháp này cho phép tính được ảnh hưởng của các hoạt động vận hành đến độ tin cậy của hệ thống nên phương pháp này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu độ tin cậy hệ thống điện

Mỗi phương pháp đều có ưu thế trong từng loại bài toán Tuy nhiên, trong tính toán độ tin cậy của riêng hệ thống nguồn điện, phương pháp chủ yếu được dùng

là phương pháp không gian trạng thái

1.2 ĐỘ TIN CẬY CỦA PHẦN TỬ

Độ tin cậy của các phần tử là yếu tố quyết định độ tin cậy của hệ thống Phần tử trong hệ thống có thể là phần tử không phục hồi hoặc phần tử phục hồi, các khái niệm về độ tin cậy của hai loại phần tử này sẽ được trình bày chi tiết như sau:

1.2.1 Phần tử không phục hồi

Phần tử không phục hồi chỉ làm việc đến lần hỏng đầu tiên Thời gian làm việc của phần tử là từ lúc bắt đầu phục vụ cho đến khi hỏng hay còn gọi là thời gian phục vụ, đây là đại lượng ngẫu nhiên vì thời điểm hỏng của phần tử là một đại lượng ngẫu nhiên không biết trước và được đặc trưng bởi hai đại lượng cơ bản sau:

* H àm phân bố F T (t): Chính là xác suất P(T ≤ t) để phần tử làm việc từ thời điểm t=0 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

* Độ tin cậy R(t): chính là xác xuất P(T>t) để thời gian phục vụ (T) của phần

tử lớn hơn thời gian ngẫu nhiên t, cũng chính là xác suất để phần tử xảy ra hỏng hóc tại thời điểm t:

R(t) = P(T>t) (1.5)

hay R(t) = 1- P(T≤t) = 1- FT(t) (1.6)

Sự biến thiên của hàm tin cậy R(t) và hàm phân bố FT(t) của phần tử được

mô tả như trên hình 1.2

Hình 1.2 B iến thiên hàm phân bố và hàm tin cậy

* Cường độ hỏng hóc λ(t): Cường độ hỏng hóc được định nghĩa như sau: với

∆t đủ nhỏ thì λ(t).∆t là xác suất để phần tử đã phục vụ đến thời điểm t sẽ hỏng trong khoảng ∆t tiếp theo:

λ(𝑡𝑡) = lim∆𝑡𝑡→0∆𝑡𝑡1 𝑃𝑃(𝑡𝑡 < 𝑇𝑇 ≤ 𝑡𝑡 + ∆𝑡𝑡/𝑇𝑇 > 𝑡𝑡) (1.7)

Trong P(t<T≤t+∆t/T>t) là xác suất có điều kiện của hai sự kiến

- Phần tử hỏng trong khoảng thời gian (t, t+∆t)

- Sự kiện phần tử làm việc tốt đến thời điểm t

Như vậy để phần tử hỏng trong khoảng t+∆t thì đương nhiên phần tử phải làm việc tốt đến thời điểm t Như vậy, áp dụng công thức tính toán xác suất có được:

Suy ra độ tin cậy của phần tử được tính theo công thức cơ bản sau:

R(t)

Trong hệ thống điện, các phần tử là phần tử phục hồi do luôn được bảo dưỡng định kỳ nên có thể xem như cường độ hỏng hóc λ(t) là hằng số λ Do đó, độ tin cậy, hàm phân bố và hàm mật độ của phần tử tuân theo luật phân bố mũ như sau:

𝑅𝑅(𝑡𝑡) = 𝑒𝑒−𝜆𝜆𝑡𝑡; 𝐹𝐹𝑇𝑇(𝑡𝑡) = 1 − 𝑒𝑒−𝜆𝜆𝑡𝑡; 𝑓𝑓𝑇𝑇(𝑡𝑡) = 𝜆𝜆𝑒𝑒−𝜆𝜆𝑡𝑡 (1.11)

* Thời gian làm việc trung bình T LV :

Khi cường độ hỏng hóc là hằng số λ thì 𝑅𝑅(𝑡𝑡) = 𝑒𝑒−𝜆𝜆𝑡𝑡, khi đó thời gian làm việc trung bình của phần tử được xác định như sau:

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

Giả thuyết rằng sửa chữa như mới Trong thực tế, đây là các trường hợp phần

tử hỏng được thay thế rất nhanh bằng các phần tử mới Phần tử được xem như luôn

ở trạng thái tốt Đại lượng đặc trưng cho hỏng hóc của loại phần tử này là:

𝑘𝑘=1Trong đó:

- P(t,t+∆t) là xác xuất chung để phần tử bị hỏng trong khoảng thời gian (t, t+∆t) chính là tổng các khả năng xảy ra hỏng hóc:

𝑃𝑃(𝑡𝑡, 𝑡𝑡 + ∆𝑡𝑡) = � 𝑓𝑓𝑘𝑘(𝑡𝑡) ∆𝑡𝑡 (1.15)

𝑘𝑘=1với 𝑓𝑓𝑘𝑘(𝑡𝑡) = ∫ 𝑓𝑓0𝑡𝑡 (𝑘𝑘−1)(𝜏𝜏).𝑓𝑓(𝑘𝑘)(𝑡𝑡 − 𝜏𝜏) 𝑑𝑑𝑡𝑡 (1.16)

- f1(t) là mật độ xác suất của thời gian làm việc đến lần hỏng đầu tiên, f1(t) =

Nếu 𝑓𝑓1(𝑡𝑡) = 𝑓𝑓 𝑇𝑇(𝑡𝑡) = 𝜆𝜆𝑒𝑒−𝜆𝜆𝑡𝑡 khi đó thời gian đến lần hỏng thứ k tuân theo luật Poisson: 𝑓𝑓𝑘𝑘(𝑡𝑡) = 𝜆𝜆 𝑘𝑘 𝑡𝑡𝑘𝑘−1

(𝑘𝑘−1)! 𝑒𝑒−𝜆𝜆𝑡𝑡Khi đó, 𝜔𝜔(𝑡𝑡) = ∑∞ 𝑓𝑓𝑘𝑘(𝑡𝑡) = 𝜆𝜆 (1.17)

𝑘𝑘=1Như vậy có thể thấy rằng: Với hàm mật độ xác suất thời gian làm việc đến lần hỏng đầu tiên phân bố theo luật phân bố mũ thì thông số dòng hỏng hóc ω(t) = λ nên cường độ hỏng hóc và thông số dòng hỏng hóc của phần tử thường hiểu là một, chỉ khác nhau khi hàm mật độ xác xuất không tuân theo luật mũ

b) Sửa chữa sự cố thực tế, có 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 (trạng thái tốt) thì sau thời gian làm việc 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

Hình 1.3 Mô tả 2 trạng thái ngẫu nhiên của phần tử

Khác với phần tử không phục hồi, phần tử phục hồi sau khi sửa chữa phần tử được phục hồi như mới, và ở mỗi thời điểm t phần tử có thể ở một trong 2 trạng thái: làm việc và hỏng hóc nên mỗi chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của phần tử phục hồi cần có hai đại lượng ứng với hai trạng thái làm việc và trạng thái hỏng, cụ thể như sau:

- Hàm phần bố thời gian phần tử làm việc F LV (t) và hàm phân bố thời gian phần tử ở trạng thái hỏng F H (t)

- Xác suất phần tử ở trạng thái làm việc (trạng thái tốt) ở thời điểm t P LV (t)

và xác suất phần tử ở trạng thái hỏng ở thời điểm t P H (t)

+ X(t) là trạng thái của phần tử ở thời điểm t

- Cường độ chuyển trạng thái từ trạng thái làm việc sang trạng thái hỏng (q LV-H ):

- Thời gian làm việc trung bình T LV

- Thời gian hỏng trung bình τ

- Thời gian trung bình của một chu kỳ làm việc-hỏng T CK : T CK =T LV + τ

- Hệ số sẵn sàng A:

𝐴𝐴 =𝑇𝑇𝑇𝑇𝐿𝐿𝐿𝐿𝐶𝐶𝐶𝐶 =𝑇𝑇𝑇𝑇𝐿𝐿𝐿𝐿

𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝜏𝜏

- Hệ số không sẵn sàng 𝐴𝐴̅:

𝐴𝐴̅ = 1 − 𝐴𝐴 =𝑇𝑇 𝜏𝜏

𝐿𝐿𝐿𝐿 + 𝜏𝜏Giả thuyết rằng TLV và τ đều tuân theo luật phân bố mũ (thực tế tuân theo luật phân bố chuẩn), với giả thuyết này, có thể áp dụng mô hình Markov để tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy của phần tử

Đối với phần tử phục hồi thường thống kê được:

- Cường độ hỏng hóc λ (hay số lần hỏng hóc trong một đơn vị thời gian), từ

đó tính được thời gian làm việc trung trung bình: TLV = 1/λ

- Thời gian sửa chữa sự cố trung bình τ, từ đó tính được cường độ phục hồi:

μ = 1/τ

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 thuyết, thời gian bảo dưỡng định kỳ τĐK cũng tuân theo luật phân bố

mũ thì có thể áp dụng mô hình trên hình 1.4 Trong đó phần tử có 3 trạng thái: T - tốt; ĐK - bảo dưỡng định kỳ và H - hỏng với các thông số lần lượt là 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

Khi phần tử đang được bảo dưỡng định kỳ thì không thể xảy ra hỏng, còn bảo dưỡng định kỳ thì không thể bắt đầu khi phần tử ở trạng thái hỏng Sự chuyển trạng thái của phần tử khi có bảo dưỡng định kỳ được thể hiện trong hình 1.4:

Hình 1.4 Sơ đồ chuyển trạng thái phần tử có bảo dưỡng định kỳ

Giả thuyết rằng thời gian giữa hai lần bảo dưỡng định kỳ TĐK cũng tuân theo luật phân bố hàm mũ (thực tế bảo đưỡng định kỳ thực hiện theo kế hoạch tiền định) khi đó có thể áp dụng được mô hình Markov để tính toán xác suất trạng thái của phần tử PT, PH, PĐK, và kết quả tính toán được khá gần thực tế

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ LUẬN TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN 2.1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CHUNG 18 2.1.1 Yêu cầu công suất nguồn phát 19 2.1.2 Các chỉ tiêu và chỉ số đánh giá độ tin cậy hệ thống nguồn điện 19 2.1.3 Phương pháp phần trăm dự trữ công suất 20 2.1.4 Phương pháp sự cố tổ máy lớn nhất 21 2.1.5 Phương pháp xác suất thiếu công suất LOLP (Loss Of Load

Probability) 21 2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY 22 2.2.1 Mô hình nguồn điện 23 2.2.2 Mô hình phụ tải 28 2.2.3 Chỉ số xác suất thiếu công suất LOLP 32 2.2.4 Chỉ số kỳ vọng điện năng thiếu hụt LOEE 35 2.2.5 Ảnh hưởng bảo dưỡng định kỳ đến độ tin cậy hệ thống nguồn điện 35

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ LUẬN TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN

2.1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CHUNG

Từ những năm 1940 đã có một vài phương pháp xác suất đơn giản xác định công suất dự trữ máy phát điện, tuy nhiên sự đánh giá độ tin cậy hệ thống điện thực

sự bắt đầu được quan tâm từ sau năm 1965, sau sự kiện mất nguồn ở thành phố NewYork Từ đó đến nay, phương pháp luận và các mô hình toán học tính toán độ tin cậy được phát triển liên tục cho phù hợp với sự thay đổi về công nghệ trong vận hành và cấu trúc hệ thống điện

Về khía cạnh độ tin cậy, các khâu của hệ thống điện (phát điện, truyền tải và phân phối) được chia thành 3 mức phân cấp như thể hiện trên hình 2.1 Mức đầu tiên (HLI) là nguồn phát điện, mức thứ 2 (HLII) bao gồm nguồn phát điện và lưới truyền tải và mức thứ 3 (HLIII) là toàn bộ hệ thống điện từ nguồn phát đến lưới điện phân phối

Hình 2 1 Các mức phân cấp tính độ cậy trong hệ thống điện

Trong luận văn này sẽ tìm hiểu cơ sở lý thuyết và tính toán độ tin cậy của riêng hệ thống nguồn điện (ở mức HLI)

Nguồn phát

Lưới truyền tải

Lưới phân phối

Mức phân cấp 1 (HLI)

Mức phân cấp 2 (HLII)

Mức phân cấp 3 (HLIII)

2.1.1 Yêu cầu công suất nguồn phát

Trong quy hoạch hệ thống điện, xác định công suất đặt của nguồn điện là bao nhiêu để đáp ứng nhu cầu phụ tải tại một thời điểm trong tương lai và xác định đủ công suất dự trữ cho thực hiện bảo dưỡng định kỳ và sửa chữa sự số các tổ máy phát là cần thiết Trước đây, công suất dự trữ nguồn phát được xác định bằng phần trăm nhu cầu công suất phụ tải, hoặc bằng một hay nhiều hơn công suất đặt lớn nhất của tổ máy phát hoặc kết hợp cả hai cách trên Ngày nay, chỉ tiêu độ dự trữ công suất nguồn phát được xác định bằng các phương pháp xác suất vì phương pháp xác suất thích hợp với các yếu tố ngẫu nhiên ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống nguồn điện

Trong vận hành, công suất đặt của nguồn không đổi nhưng công suất khả phát của các tổ máy có thể nhỏ hơn công suất đặt do sự cố tổ máy, bảo dưỡng định

kỳ hoặc do các nguyên nhân khác như thiếu nhiên liệu, năng lượng sơ cấp Các phương pháp xác suất hiện có thường được sử dụng để xác định công suất khả phát

nguồn phát để đáp ứng nhu cầu phụ tải thực tế ở bất kỳ thời điểm nào

2.1.2 Các chỉ tiêu và chỉ số đánh giá độ tin cậy hệ thống nguồn điện

Độ tin cậy của hệ thống nguồn điện có thể được đánh giá thông qua các chỉ

cơ bản sau: Xác suất thiếu công suất LOLP(Loss Of Load Probability), kỳ vọng số ngày thiếu công suất LOLE(Loss Of Load Expectation), kỳ vọng điện năng thiếu hụt LOEE(Loss Of Energy Expectation), chỉ số tin cậy điện năng EIR(Energy Index

of Reliabilty, chỉ số không tin cậy điện năng EIU (Energy Index of Unreliability):

- LOLP (Loss Of Load Probability): Đây là chỉ số xác suất cơ bản nhất, chỉ

số này xác định xác suất công suất phụ tải lớn hơn công suất khả phát của hệ thống nguồn điện Nhược điểm của chỉ tiêu này xác định thiếu công suất cho phụ tải mà không định lượng được cụ thể thiếu bao nhiêu vì với cùng một giá trị LOLP, lượng công suất nguồn thiếu hụt có thể là nhỏ hơn 1MW hoặc lớn hơn 1000MW hoặc lớn

hơn nhiều 1000MW

- LOLE (Loss Of Load Expectation): Đây là chỉ số mang tính xác suất được

sử dụng rộng rãi để xác định công suất nguồn trong tương lai Là số ngày trung bình trong năm công suất phụ tải đỉnh ngày lớn hơn công suất khả phát của hệ thống nguồn điện hoặc có thể là số giờ trong năm công suất phụ tải lớn hơn công suất khả phát của hệ thống nguồn điện Chỉ số này xác định số ngày (hoặc số giờ) xảy ra thiếu công suất nguồn Ý nghĩa vật lý của LOLE không đồng nhất với LOLP mặc

dù giá trị của hai chỉ tiêu này có liên quan trực tiếp với nhau Hiện nay chỉ số này được sử dụng rộng rãi để đánh giá độ tin cậy hệ thống nguồn điện

- LOEE: là điện năng không được đáp ứng do công suất phụ tải lớn hơn công suất khả phát của hệ thống nguồn điện

- EIR và EUR: chỉ số này liên quan trực tiếp tới LOEE được chuẩn hóa bằng cách chia LOEE cho tổng nhu cầu điện năng Chỉ tiêu này đảm bảo rằng các hệ thống lớn và các hệ thống nhỏ có thể được so sánh ở một chuẩn như nhau và và những thay đổi theo thời gian trong một hệ thống có thể được theo dõi liên tục

2.1.3 Phương pháp phần trăm dự trữ công suất

Phương pháp phần trăm dự trữ công suất nguồn là phương pháp đơn giản được dùng để xác định công suất dự trữ của hệ thống nguồn Theo phương pháp này

độ dự trữ công suất của hệ thống nguồn điện được tính bằng mức độ vượt trội của công suất nguồn điện so với phụ tải bởi công thức sau:

𝑆𝑆ℎ𝑡𝑡% = 𝑁𝑁𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 −𝐿𝐿𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓

𝐿𝐿𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 100% (2.1) Trong đó: Sht %: Độ dự trữ công suất của hệ thống nguồn điện (%)

Nfmax: Tổng công suất đặt của hệ thống nguồn điện

Lmax : Phụ tải đỉnh của hệ thống Mức độ dự trữ công suất nguồn điện thường được dựa trên các kinh nghiệm vận hành trong quá khứ, thường nằm trong khoảng từ 15% đến 20%

Phương pháp xác định phần trăm dự trữ công suất có nhược điểm là bỏ qua nhiều yếu tố có ảnh hưởng rõ ràng đến độ tin cậy của hệ thống nguồn điện như: độ tin cậy của các nhà máy điện, công suất các tổ máy phát, sự biến động của phụ

tải Tuy nhiên phương pháp này vẫn được sử dụng trong việc đánh giá sơ bộ độ tin cậy hệ thống nguồn điện trong quy hoạch phát triển hệ thống điện

2.1.4 Phương pháp sự cố tổ máy lớn nhất

Thực tế thấy rằng, với cùng một công suất đặt, nếu hệ thống nguồn điện có

sử dụng các tổ máy phát có công suất càng lớn thì độ tin cậy của hệ thống càng giảm do độ lớn thiếu hụt công suất khi sự cố tổ máy phát càng tăng Phương pháp

sự cố tổ máy lớn nhất xác định độ dự trữ công suất hệ thống nguồn điện bằng cách cộng thêm phần trăm giữa công suất tổ máy lớn nhất trong hệ thống nguồn và phụ tải đỉnh của hệ thống với phần trăm dự trữ công suất yêu cầu không đổi, cụ thể theo công thức sau:

𝑆𝑆ℎ𝑡𝑡% = 𝑆𝑆𝑦𝑦𝑦𝑦% + 𝑃𝑃𝐹𝐹𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓

𝐿𝐿 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 100% (2.2)

Trong đó, Sht: Độ dự trữ công suất của hệ thống nguồn điện (%)

Syc: Độ dự trữ công suất yêu cầu không thay đổi (%)

PFmax: Công suất tổ máy phát lớn nhất trong hệ thống

Lmax: Phụ tải đỉnh của hệ thống

So với phương pháp độ dự trữ phần trăm công suất, phương pháp sự cố tổ máy lớn nhất cho kết quả trung thực hơn Khi một tổ máy phát mới có công suất lớn hơn tổ máy có công suất lớn nhất hiện có trong hệ thống được đưa vào hệ thống thì phần trăm dự trữ của hệ thống cần phải tăng lên, điều này phù hợp với thực tế hơn

2.1.5 Phương pháp xác suất thiếu công suất LOLP (Loss Of Load Probability)

Phương pháp xác suất thiếu công suất được đề xuất từ những năm 40-50 nhằm mục đích xác định công suất dự trữ của hệ thống Nội dung của phương pháp này là tổ hợp các xác suất sự cố của tổ máy phát với phụ tải đỉnh ngày, từ đó xác định được chỉ số xác suất thiếu công suất LOLP và số ngày hàng năm công suất phụ tải lớn hơn công suất nguồn LOLE

Hiện nay, phương pháp xác suất thiếu công suất LOLP là một phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để tính toán dự trữ công suất trong hệ thống nguồn điện Trong quy hoạch, vận hành hệ thống điện, LOLP được tính toán cho từng năm

với các điều kiện cụ thể và phải đạt một giá trị nào đó được quy định cho từng quốc gia Ở Việt Nam cũng như các nước ASEAN, LOLP của hệ thống nguồn điện phải đạt được giá trị 0,003 đến 0,01

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY

Hai phương pháp cơ bản dùng để đánh giá độ tin cậy hệ thống nguồn điện là: phương pháp giải tích và phương pháp mô phỏng

Phương pháp mô phỏng áp dụng mô hình Monte Carlo và thường được sử dụng để phân tích, đánh giá độ tin cậy của hệ thống phức tạp như mức phân cấp HL2 và HL3 của hệ thống điện và không được đề cập trong nội dung nghiên cứu của luận văn này

Phương pháp giải tích tính toán độ tin cậy của hệ thống nguồn điện được sử dụng trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này Nội dung của phương pháp giải tích là tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy bằng cách sử các mô hình và phương pháp giải toán học

Quá trình tính toán độ tin cậy hệ thống nguồn điện (mức phân cấp HLI) mô

tả trên hình 2.2 cho thấy mô hình nguồn điện và mô hình phụ tải kết hợp với nhau tạo thành mô hình rủi ro Mô hình nguồn phát thường được xem xét độc lập với mô hình phụ tải được thể hiện bằng các đường liên hệ nét liền trên hình 2.2 Một số phương pháp có liên kết mô hình phụ tải và mô hình nguồn điện (đường liên hệ nét đứt) để phản ánh đặc tính vòng của các tổ máy phát với phụ tải Tuy nhiên, đặc tính liên hệ giữa các tổ máy phát với phụ tải có thể được bỏ qua nhưng vẫn cho lời giải chính xác

Hình 2.2 Mô hình tính toán độ tin cậy hệ thống nguồn điện

Mô hình hệ thống nguồn điện

Mô hình

ph ụ tải

Mô hình

r ủi ro

Trong phương pháp giải tích, nguồn điện được mô hình hóa dưới dạng bảng xác suất trạng thái nguồn điện Bảng xác suất trạng thái nguồn điện liệt kê các trạng thái công suất nguồn điện theo thứ tự công suất ngừng phát tăng dần cùng với xác suất xuất hiện mỗi trạng thái đó Còn phụ tải được mô hình hóa bằng đồ thị phụ tải đỉnh ngày hoặc biểu đồ phụ tải Mô hỉnh rủi ro là sự tổng hợp mô hình phụ tải và

mô hình nguồn điện và từ đây tính toán được các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của hệ

thống nguồn điện

Phương pháp giải tích tính toán độ tin cậy hệ thống nguồn điện ngoài dữ liệu đầu vào cơ bản là mô hình nguồn điện, mô hình phụ tải còn có thể đưa thêm vào nhiều hệ số ngẫu nhiên khác như: ảnh hưởng của bảo dưỡng tổ máy phát, ảnh hưởng chế độ thủy văn của các nhà máy thủy điện, sai số dự báo phụ tải để lời giải của bài toán chính xác hơn

Quá trình xây dựng các mô hình nêu trên được trình bày chi tiết trong các mục dưới đây:

2.2.1 Mô hình nguồn điện

a Mô hình tổ máy phát điện

Tổ máy phát điện thường được mô tả bởi mô hình phần tử có 2 trạng thái: trạng thái tốt và trạng thái hỏng với hệ số sẵn sàng P và hệ số không sẵn sàng Q (P+Q=1) Gọi xác suất giảm cưỡng bức công suất nguồn là FOR Khi FOR tính trong thời gian dài thì FOR = Q

- Không tính đến các tổ máy ngừng để bảo dưỡng Thời gian khảo sát

(thường là 1 năm) được chia thành các phân đoạn trong đó số các tổ máy làm việc

thay đổi Tính độ tin cậy cho từng phân đoạn rồi cộng lại

- Coi tất cả các tổ máy trong hệ thống đều làm việc liên tục suốt thời gian

xét Công suất các tổ máy dừng để bảo dưỡng được cộng thêm vào đồ thị phụ tải

kéo dài năm

Các tổ máy có nhiều trạng thái, lúc đó cần phải quy đổi về 2 trạng thái Ví dụ

tổ máy có 3 trạng thái:

- Trạng thái làm việc trong thời gian T0

- Sự cố hỏng hoàn toàn trong thời gian TSC

- Trạng thái giảm công suất 40% tổng Tgiam CS = 80giờ 1 năm

Thời gian giảm công suất quy đổi về hỏng hóc 100% là Tnđ-qđ = 0,4.80 = 32

giờ Sau đó tính xác suất ngừng điện cưỡng bức tương đương EFORnhư sau:

𝐸𝐸𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 = 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑆𝑆 +𝑇𝑇𝑛𝑛đ−𝑞𝑞đ

𝑇𝑇 0 + 𝑇𝑇 𝑆𝑆𝑆𝑆 +𝑇𝑇𝑛𝑛đ−𝑞𝑞đ (2.6)

Độ không sẵn sàng của tổ máy phát điện được tính theo một trong các công

thức (2.4), (2.5), (2.6)

b Mô hình hệ thống nguồn điện

Nguồn điện được mô tả bằng các trạng thái có thể có của nguồn điện Trạng

thái nguồn điện là tổ hợp các trạng thái của các tổ máy phát Bảng xác suất trạng

thái nguồn điện có thể được lập theo 2 phương pháp sau:

* T hành lập bảng xác suất trạng thái nguồn điện với 2 tổ máy đầu tiên sau

đó mở rộng bảng trạng thái với từng tổ máy tiếp theo theo cách tổ hợp trực tiếp:

Các tổ máy phát thường độc lập với nhau, nghĩa là hỏng hóc và phục hồi tổ

máy này không phụ thuộc vào hỏng hóc và phục hồi tổ máy khác Mỗi tổ máy có 2

trạng thái làm việc:

- Trạng thái tốt với xác suất pjvà công suất phát NFjbằng công suất khả phát

NKPj Với tổ máy mới, công suất khả phát bằng công suất định mức Njđm, còn tổ máy

cũ có công suất khả phát nhỏ hơn công suất định mức

- Trạng thái hỏng với xác suất qjvà công suất phát NFj=0 hay công suất giảm

đi NGj = NKPj

Tổng xác suất của 2 trạng thái tốt và hỏng của tổ máy bằng 1, pj+qj = 1 Trạng thái hệ thống nguồn điện là tổ hợp các trạng thái của các tổ máy phát Trạng thái của hệ thống nguồn điện được đặc trưng bởi hai thông số: Công suất trạng thái và xác suất trạng thái

Công suất trạng thái i của hệ thống nguồn điện có thể là công suất phát được

NFjtrong trạng thái đó hoặc là công suất không phát được NGj(công suất giảm do sự

𝑘𝑘=1

� (2.10)

Trong đó: n là tổng số các tổ máy được xét; n1 là số các tổ máy ở trạng thái tốt; n2 là số các tổ máy ở trạng thái hỏng; n1+n2 = n

Xác suất trạng thái Pi là xác suất để công suất phát là NFi đồng thời cũng là xác suất để công suất giảm là NGi

Pi = P(NF=NFi) = P(NG=NGi) (2.11)

Ngoài thông số công suất trạng thái và xác suất trạng thái, trạng thái i của hệ thống nguồn điện còn được đặc trưng bởi thông số xác suất tích lũy PTLi Xác suất tích lũy là xác suất để công suất phát của hệ thống nguồn điện bằng hoặc nhỏ hơn giá trị công suất phát tương ứng NFi, đồng thời cũng là xác suất để công suất giảm lớn hơn hoặc bằng giá trị NGi Công suất tích lũy trạng thái i (PTLi) được tính bằng tổng xác suất của tập các trạng thái nguồn điện có công suất giảm NG≥ NGi

PTLi = P(NG ≥ NGi) = P(NF ≤ NFi) (2.12)

Trong quá trình lập bảng trạng thái nguồn điện có thể xảy ra trường hợp các trạng thái có công suất giảm giống nhau khi đó xác suất của các trạng thái này được cộng lại thành một trạng thái

Khi tính toán hệ thống nguồn điện lớn có hàng trăm mức công suất giảm để giảm khối lượng tính toán cần đơn giản hóa bảng trạng thái nguồn điện bằng cách chuyển về bảng xác suất trạng thái chuẩn có bậc giảm công suất không đổi là b

MW Độ chính xác của phép tính phụ thuộc giá trị của b, với b càng nhỏ độ chính xác càng cao

Tổng quát, nếu trạng thái nguồn có công suất giảm là NG2 và xác suất trạng thái là P2 nằm giữa hai trạng thái có công suất giảm chuẩn là kb và (k+1)b (k=1,2,3 ) thì xác suất trạng trạng thái P2 được phân bổ đưa về hai trạng thái chuẩn theo công thức sau:

Thuật toán phương pháp thành lập bảng xác suất trạng thái nguồn điện với 2

tổ máy đầu tiên sau đó mở rộng bảng trạng thái với từng tổ máy tiếp theo bằng cách

tổ hợp trực tiếp đòi hỏi phải tính toán với số trạng thái rất lớn (2ntrạng thái, với n là

số tổ máy phát) Do đó, khối lượng tính toán theo phương pháp này rất lớn, ngay cả khi sử dụng chương trình máy tính, tốc độ tính toán chậm, đòi hỏi bộ nhớ có dung lượng lớn

* T hành lập bảng xác suất trạng thái nguồn theo phương pháp cuộn:

Phương pháp này được Harry G.Stoll trình bày trong cuốn sách “Least - cost electrical utility planning” Nội dung của phương pháp là trên cơ sở đã xây dựng được bảng xác suất trạng thái cho một số tổ máy sẽ tính toán, lập bảng xác suất trạng thái mới mỗi khi thêm một tổ máy phát điện mới Thuật toán của phương pháp như sau:

Xét hệ thống nguồn điện hiện có: giả sử trạng thái công suất giảm X MW của hệ thống có xác suất trạng thái là Pold(X) Khi bổ sung một tổ máy phát mới có công suất C MW, xác suất giảm công suất là FOR vào hệ thống nguồn thì trạng thái giảm công suất X MW của hệ thống nguồn mới sẽ có xác suất là Pnew(X)

Hệ thống nguồn mới xảy ra trạng thái công suất giảm là X MW từ 2 sự kiện:

- Hệ thống cũ có công suất giảm là X MW và tổ máy mới thêm vào có công suất giảm là 0 MW (sự kiện tổ máy mới thêm vào ở trạng thái làm việc tốt)

- Hệ thống nguồn cũ có công suất giảm là (X-C) MW, xác suất trạng thái là

Pold(X-C) và tổ máy mới có công suất giảm C (sự kiện tổ máy mới thêm vào ở trạng thái hỏng) Hai sự kiện nêu trên được trình bày trong bảng 2.1 sau:

Bảng 2.1 Xác suất giảm công suất khi thêm một tổ máy mới

Công suất

giảm

(MW)

Xác suất trạng thái

Công suất giảm (MW)

Xác suất trạng thái

Công suất giảm (MW)

Xác suất trạng thái

Vì hai sự kiện nêu trên loại trừ lẫn nhau nên xác suất trạng thái giảm công suất X MW của hệ thống nguồn mới được tính theo các công thức sau:

Pnew(X) = Pold(X).(1-FOR) + Pold(X-C).FOR nếu X ≥ C (2.14)

Pnew(X) = Pold(X).(1-FOR) nếu X < C (2.15)

vì trạng thái công suất giảm âm có xác suất bằng 0

Xác suất tích lũy PTLnew(X) (xác suất trạng thái công suất giảm của hệ thống nguồn lớn hơn hoặc bằng X MW) được tính theo công thức sau:

PTLnew(X) = ∫ 𝑃𝑃(𝑧𝑧) 𝑑𝑑𝑧𝑧𝐶𝐶∞ = PoldTL(X).(1-FOR) + PoldTL(X-C).FOR (2.16)

Với quy ước: PTL(X<0) = PTL(0) = 1

Như vậy theo phương pháp cuộn, quá trình lập bảng xác suất trạng thái nguồn điện sẽ bắt đầu bằng việc lập bảng xác suất trạng thái ban đầu, bao gồm các trạng thái có công suất giảm từ 0 cho đến công suất phát lớn nhất của hệ thống Trong bảng xác suất trạng thái ban đầu, xác suất trạng thái công suất giảm bằng 0 được tính bằng 1, xác suất các trạng thái công suất giảm lớn hơn 0 được tính bằng

0 Khi các tổ máy mới lần lượt được thêm vào thì bảng xác suất các trạng thái của

hệ thống mới sẽ được lập dựa vào các công thức (2.14), (2.15), (2.16) trình bày ở trên

Để giảm khối lượng tính toán, sau khi lập được bảng xác suất trạng thái theo phương pháp cuộn cũng cần bỏ bớt các trạng thái có xác suất nhỏ và chuẩn hóa các trạng thái

Phương pháp cuộn có ưu điểm là khối lượng tính toán nhỏ, tốc độ nhanh hơn

và thuận tiện trong lập trình, tính toán bằng máy tính cho các hệ thống nguồn lớn (gồm hàng trăm tổ máy)

2.2.2 M ô hình phụ tải

a Đồ thị phụ tải kéo dài

Trong bài toán độ tin cậy nguồn điện, phụ tải được mô tả bằng đồ thị phụ tải kéo dài Đồ thị phụ tải kéo dài có thể là đường cong phụ tải đỉnh ngày đêm

(DPLVC-Daily Peak Load Variation Curve), hoặc biểu đồ phụ tải giờ (LDC-Load Duration Curve) DPLVC mô tả phụ tải đỉnh ngày trong một chu kỳ xem xét có thể

là một năm, mùa hoặc tháng LDC mô tả giá trị phụ tải theo giờ hoặc nửa giờ trong chu kỳ xét

Trên hình 2.3 thể hiện đồ thị phụ tải kéo dài Trong đó trục tung là giá trị phụ tải Trục hoành là thời gian trong đó phụ tải của hệ thống lớn hơn giá trị phụ tải tương ứng Trục hoành được thể hiện bằng thời gian thực hoặc giá trị tương đối

Hình 2.3 Đồ thị phụ tải kéo dài điển hình

Mô hình đánh giá độ tin cậy hệ thống nguồn điện được xây dựng từ việc kết hợp mô hình nguồn điện và mô hình phụ tải như sau: Mỗi trạng thái i của nguồn điện có công suất phát giảm là NGi, xác suất xuất hiện trạng thái là pi, được xếp chồng trên mô hình phụ tải (đồ thị phụ tải kéo dài) như mô tả trên hình 2.4 Từ mô hình này sẽ tính được các thông số ứng mỗi trạng thái i của nguồn điện như: số ngày (giờ) thiếu công suất nguồn ti, kỳ vọng điện năng thiếu hụt LOEEi, tổng nhu cầu điện năng E

Phụ tải L MW

LDC

t

T DPLVC

0