Nghiên cứu ứng dụng thiết bị phân đoạn tự động nhầm giảm thời gian mất điện cho đường dây trên không lưới điện phân phối trung áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- LÊ HUYNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG THIẾT BỊ PHÂN ĐOẠN TỰ ĐỘNG NHẰM GIẢM THỜI GIAN MẤT ĐIỆN CHO ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG LƯỚI ĐIỆN PHÂ

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

-

LÊ HUYNH

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG THIẾT BỊ PHÂN ĐOẠN TỰ ĐỘNG NHẰM GIẢM THỜI GIAN MẤT ĐIỆN CHO ĐƯỜNG DÂY TRÊN KHÔNG LƯỚI

ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mục lục

LỜI CẢM ƠN 6

Mở đầu 7

Danh mục viết tắt 9

CHƯƠNG 1 ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 10

1.1 Độ tin cậy của hệ thống điện 10

1.1.1 Định nghĩa về độ tin cậy 10

1.1.2 Khái niệm và các phần tử phân phối trong lưới điện 10

1.1.3 Cấu trúc và sơ đồ của lưới điện phân phối 15

1.2 Các phương pháp đánh giá độ tin cậy 17

1.2.1 Phương pháp đồ thị-giải tích 17

1.2.2 Phương pháp không gian trạng thái 18

1.2.3 Phương pháp cây hỏng hóc 19

1.2.4 Phương pháp Monte-Carlo 19

1.2.5 Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của hệ thống điện theo tiêu chuẩn IEEE1366 20

1.2.6 Các biện pháp nâng cao độ tin cậy 21

1.3 Sử dụng cầu dao phân đoạn để nâng cao độ tin cậy trong lướiđiện phân phối trung áp 22

1.3.1 Tổng quan 22

1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cầu dao phân đoạn 23

1.3.3 Ưu điểm và nhược điểm của cầu dao phân đoạn 26

1.3.5 Những vấn đề khi sử dụng thiết bị phân đoạn 32

CHƯƠNG 2 TỐI ƯU VỊ TRÍ LẮP ĐẶT THIẾT BỊ PHÂN ĐOẠN 34

2.1 Giải thuật di truyền 34

2.1.1 Tổng quan 34

2.1.2 Chi tiết giải thuật di truyền 35

2.1.3 Ví dụ áp dụng giải thuật di truyền 38

2.1.4 Ứng dụng của giải thuật di truyền 40

2.2 Ứng dụng của giải thuật di truyền vào bài toán tối ưu vị trí lắp đặt cầu dao phân đoạn điện tử tự động 41

2.2.2 Xác định hàm mục tiêu và ràng buộc 43

2.2.3 Giải bài toán bằng công cụ Matlab 44

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐẶT TỐI ƯU CẦU DAO PHÂN ĐOẠN CHO LỘ TRUNG ÁP 477 TRẠM E25.1 PHÚC YÊN 50

3.1 Giới thiệu về lộ trung áp 477 trạm E25.1 Phúc Yên 50

3.1.1 Giới thiệu 50

3.2 Các bước tính toán bài toán tối ưu vị trí lắp đặt cầu dao phân đoạn cho lộ 477 trạm E25.1 Phúc Yên 55

3.2.1 Xác định trục chính của lộ 477 E25.1 Phúc Yên 55

3.2.2 Xác định hàm mục tiêu và ràng buộc 56

3.2.3 Giải bài toán bằng công cụ Matlab 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

ảng 1.1 Cấu trúc bảng dữ liệu yêu cầu 27

ảng 1.2 ảng trạng thái của xuất tuyến 28

ảng 1.3 Tr nh tự các bước định vị sự cố của thuật toán (1 điểm sự cố) 30

ảng 1.4 Tr nh tự các bước định vị sự cố của thuật toán (nhiều điểm sự cố) 31

ảng 2.1 Quần thể ban đầu 39

ảng 2.2 Thế hệ 2 39

ảng 2.3 Thế hệ thứ 3 40

ảng 2.4 Kết quả hội tụ 40

ảng 2.5 Thông số cài đặt cho thuật toán 44

ảng 3.1 ảng mẫu nhập dữ liệu 50

H nh 1.1 Sơ đồ lưới điện phân phối 69 nút (IEEE) 11

H nh 1.2 Thiết bị TĐL (Schneider)[2] 13

H nh 1.3 Cầu chì tự rơi 14

H nh 1.4 Thiết bị chỉ báo sự cố 14

H nh 1.5 Cầu dao phân đoạn điện tử tự động[3] 15

H nh 1.6 Sơ đồ nối tiếp 17

H nh 1.7 Sơ đồ song song 18

H nh 1.8 Sơ đồ hỗn hợp 18

H nh 1.9 Mặt cắt dọc của cầu dao phân đoạn điện tử tự động 23

H nh 1.10 Nguyên l mạch logic của cầu dao phân đoạn điện tử tự động 25

H nh 1.11 Cầu dao phân đoạn giúp định vị sự cố 26

H nh 1.12 iểu đồ hoạt động theo thời gian của cầu dao phân đoạn điện tử tự động 26

H nh 1.13 V dụ về lưới điện hình tia có các thiết bị phân đoạn 28

H nh 1.14 Sơ đồ thuật toán định vị sự cố sử dụng thiết bị phân đoạn 29

H nh 1.15 Nhiều sự cố xảy ra trong lưới điện phân phối 31

H nh 2.1 Sơ đồ các bước của giải thuật di truyền 36

H nh 2.2 V dụ xuất tuyến 6 nút 42

H nh 2.3 Giao diện MATLAB 45

H nh 2.4 Giao diện công cụ tối ưu 47

H nh 3.1 Lộ 477 trạm E25.1 Phúc Yên 54

H nh 3.2 Nhập thông số cho bài toán 57

H nh 3.3 Kết quả bài toán 58

H nh 3.4 Sơ đồ 1 sợi và vị trí lắp mới cầu dao phân đoạn điện tử tự động 59

LỜI CAM ĐOAN

K nh thƣa các thầy cô giáo, các đồng nghiệp và bạnđọc

Sau một thời gian dài tìm hiểu, nghiên cứu đƣợc sự giúp đỡ của thầy giáo TS Trần Mạnh Hùng tôi đã hoàn thành Luận văn nghiên cứu này Tôi cam đoan bản luận văn này do tôi thực hiện Các số liệu thống kê, báo cáo, các tài liệu khoa học trong Luận văn này đƣợc sử dụng của các công tr nh khácđã nghiên cứu, đƣợc chú thíchđầy đủ, đúng quy tr nh

HàNội, ngày 29 tháng 9 năm 2017 Tác giả luận văn

Lê Huynh

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các Viện, Khoa chuyên ngành, các thầy cô giáo viện Điện và viện Đào tạo sau đại học, đặc biệt các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện đã tạo điều kiện và chỉ bảo cho tôi trong quá trình học tập và khi thực hiện luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn trân thành nhất tới TS Trần Mạnh Hùng trong suốt thời gian qua đã nhiệt tình chỉ dạy và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Công ty Điện Lực Vĩnh Phúc, Công ty Lưới điện cao thế Miền Bắc, người thân trong gia đ nh, bạn bè, đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như quá tr nh thực hiện luận văn

Do thời gian có hạn, kiến thức còn hạn chế mặc dù tôi đã rất cố gắng thực hiện, tuy nhiên khối lượng công việc lớn nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót Tôi kính mong các thầy, cô giáo chỉ bảo, đóng góp kiến để tôi có thể hoàn thiện

và tiếp tục nghiên cứu để phát triển đề tài

Mở đầu

Trong những năm gần đây nền kinh tế của Việt Nam ngày càng phát triển dẫn đến nhu cầu sử dụng điện gia tăng rất lớn với yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện ngày càng cao Luật điện lực và những Nghị định của Chính phủ đã ra đời quy định

về hoạt động điện lực và sử dụng điện, quy định xử phạt vi phạm hành chính trong lĩnh vực điện lực Trong khi đó, hầu hết lưới điện phân phối của Việt Nam hiện nay

có kết cấu đơn giản, độ tin cậy thấp chưa đáp ứng được yêu cầu cung cấp điện ngày càng cao của xã hội Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về độ tin cậy cung cấp điện, tuy nhiên những đề tài này chủ yếu được xây dựng trên cơ sở lý thuyết mà chưa được áp dụng tính toán thực tế cho một lưới điện cụ thể Việc nghiên cứu phương pháp t nh toán, đánh giá độ tin cậy của một lưới điện phân phối cụ thể dựa trên các

số liệu thực tế vận hành là rất thiết thực, để từ đó đ ưa ra các giải pháp phù hợp nhằm nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao

về cung cấp điện

Từ những l do đó, luậ n văn đã chọn đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng thiết bị phân đoạn tự động nhằm giảm thời gian mất điện cho đường dây trên không lưới điện phân phối trung áp”

- Mục đ ch, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

+Mục đ ch: Nghiên cứu ứng dụng thiết bị phân đoạn tự đồng nhằm giảm thời gian mất điện cho đường dây trên không lưới điện phân phối trung áp, áp dụng để

t nh toán và đánh giá độ tin cậy cho lưới điện phân phối lộ 477 E25.1 Phúc Yên trên

cơ sở các số liệu thống kê được từ thực tế vận hành Phân tích tìm cách lắp đặt tối

ưu cho hữu hạn thiết bị phân đoạn tự động cho lưới điện phân phối trung áp

+Đối tượng: Lưới điện phân phối trung áp

+Phạm vi: Lưới điện phân phối lộ 477 E25.1 Phúc Yên

- Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

Thiết bị phân đoạn tự động được nghiên cứu, ứng dụng trong lưới điện phân phối trung áp của các nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản… đã thể hiện được những ưu điểm của nó là nhanh chóng cô lập điểm sự cố nhằm giảm

áp dụng phổ biến trong lưới phân phối trung áp do giá thành còn cao Vì vậy bài toán tối ưu vị trí lắp đặt thiết bị phân đoạn tự động là hết sức cần thiết để giảm chi phí đầu tư

Nội dung của đề tài là nghiên cứu cầu dao phân đoạn tự động để nâng độ tin cậy lưới điện phân phối và tìm vị trí tối ưu lắp đặt cầu dao phân đoạn tự động , ứng dụng lắp đặt 10 bộ cầu dao phân đoạn cho lưới điện trung áp lộ 477 E25.1 Phúc Yên Từ kết quả tính toán, sẽ t m được các vị trí lắp đặt qua đó ta có thể áp dụng cho lưới điện phân phối nói chung

Để hoàn thành luận văn, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tác giả đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè Tác giả vô cùng biết ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của Tiến sĩ Trần Mạnh Hùng trong thời gian làm luận văn

Tác giả xin chân thành cám ơn ộ môn Hệ thống điện, Viện điện, Viện đào tạo Sau đại học và các thầy cô của trường đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn

Danh mục viết tắt

ĐZ Đường dây

MC Máy cắt

ES Thiết bị phân đoạn tự động

GA Giải thuật di truyền

NST Nhiễm sắc thể

CHƯƠNG 1 ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Độ tin cậy của hệ thống điện

1.1.1 Định nghĩa về độ tin cậy

Độ tin cậy là xác xuất 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.[1]

Như vậy độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời gian nhất địnhvà trong hoàn cảnh nhất định

Xác xuất 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 nghĩa bắt buộc, vì hệ thống điện 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 gian điểm bất kỳ.[1]

Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của hệ thống điện bao gồm:

- Xác suất thiếu điện cho phụ tải, đó là xác suất công suất phụ tải lớn hơn công suất nguồn điện

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

- Điện năng thiếu (hay điện năng mất) cho phụ tải, 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

- 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

1.1.2 Khái niệm và các phần tử phân phối trong lưới điện

Lưới điện phân phối là một phần của hệ thống điện, có nhiệm vụ đưa điện năng từ các nguồn điện hay các trạm trung gian (ở địa phương hoặc khu vực) đến

các trạm phân phối phụ tải (trạm phân phối hoặc trạm phụ tải) Lưới điện phân phối bao gồm cấp điện áp trung áp và hạ áp:

 Lưới điện phân phối trung áp bao gồm các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35KV có chức năng phân phối điện năng cho cấc trạm phụ tải hoặc cấp điện cho các phụ tải trung áp

 Lưới điện phân phối hạ áp bao gồm cấp điện áp 0,4kV có chức năng cấp điện cho các phụ tải hạ áp như hộ gia đ nh, đơn vị sản xuất, kinh doanh nhỏ

nh 1.1 Sơ đồ lưới điện phân phối 69 nút (IEEE)

Người ta thường phân loại lưới trung áp theo 3 dạng:

+ Theo đối tượng và địa bàn phục vụ: Gồm có lưới phân phối thành phố, lưới phân phối nông thôn và lưới phân phối x nghiệp

+ Theo thiết bị dẫn điện: Gồm có lưới phân phối trên không và lưới phân phối cáp ngầm

+ Theo cấu trúc h nh dáng: Gồm có lưới phân phối hở (h nh tia) có phân đoạn, không phân đoạn; Lưới phân phối k n vận hành hở và hệ thống phân phối điện

Để làm cơ sở xây dựng cấu trúc lưới phân phối về mọi mặt cũng như trong quy hoạch và vận hành người ta đưa ra các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới phân phối trên 3 lĩnh vực đó là sự phục vụ đối với khách hàng, ảnh hưởng tới môi trường và

Các tiêu chuẩn đánh giá như sau:

- Chất lượng điện áp

- Độ tin cậy cung cấp điện

- Hiệu quả kinh tế (giá thành tải điện nhỏ nhất)

- Độ an toàn (an toàn cho người, thiết bị phân phối, nguy cơ hoả hoạn)

- Ảnh hưởng đến môi trường (cảnh quan, môi sinh, ảnh hưởng đếnđường dây thông tin)

Trong các tiêu chuẩn trên, tiêu chuẩn thứ nhất và thứ hai liên quan trực tiếp đến điện năng gọi chung là chất lượng phục vụ của lưới điện phân phối

Các phần tử của lưới điện phân phối bao gồm:

a Máy biến áp

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành điện áp xoay chiều ở điện áp khác và giữ nguyên tần số Ở trong hệ thống lưới điện phân phối sử dụng máy biến áp trung gian để biến đổi từ cấp điện áp truyền tải xuống cấp điện áp phân phối (trung áp), ngoài ra còn sử dụng máy biến áp phụ tải biến đổi từ cấp điện áp phân phối xuống cấp điện áp hạ áp

b Máy cắt:

Máy cắt là thiết bị có chức năng đóng, cắt mạch khi có tải và cả khi có dòng ngắn mạch Thiết bị có khả năng tự cắt mạch khi có sự cố trên đường dây và thao tác đóng lại máy cắt là bằng tay Khi cắt mạch đang có dòng sẽ xuất hiện hồ quang, vì vậy máy cắt phải có khả năng dập hồ quang Các phương pháp thường dùng để dập

hồ quang trong máy cắt sẽ được dùng để phân loại máy cắt:

c Dao cách ly:

Là thiết bị đóng mở cơ kh , ở trạng thái mở tạo ra khoảng cách điện có thể nhìn thấy được, tăng độ an toàn cho thao tác Dao cách ly không có bộ phận dập hồ quang nên không có chức năng cắt không tải mà chỉ có khả năng mở khi không có dòng điện đi qua hoặc dòng điện thấp hơn một giá trị nào đó V vậy, ngoài nhiệm vụ chính là tạo khoảng cách điện cần thiết để cách ly các phần tử được đưa ra sửa chữa với các phần tử đang làm việc trong hệ thống điện

d.Thiết bị tự đóng lại:

Trong hệ thống điện, phần lớn các sự cố là sự cố thoáng qua (do sét đánh, cành cây

va vào đường dây) Do đó, để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, tránh việc máy cắt liên tục nhảy ra, người ta sử dụng máy cắt có thiết bị tự đóng lại (TĐL) Thực chất thiết bị TĐL là máy cắt có tích hợp chức năng rơle tự động đóng lại với số lần nhất định

Nguyên lý của thiết bị TĐL: khi có sự cố trên lưới, máy cắt sẽ cắt mạch, sau 1 khoảng thời gian nhất định đã đặt trước, rơle TĐL sẽ gửi tín hiệu và máy cắt sẽ đóng lại mạch, nếu sự cố trên lưới là sự cố thoáng qua tức TĐL đóng lại thành công, còn nếu sự cố trên lưới là sự cố duy trì, máy cắt sẽ nhảy ra và TĐL sẽ tiếp tục tác động đến khi đếm đủ số lần đã cài đặt trước

nh 1.2 Thiết bị TĐL (Schneider)[2]

Do giá thành của thiết bị TĐL khá cao nên TĐL chủ yếu được đặt trên trục chính của lưới điện phân phối hay tại những đường dây cung cấp điện cho các phụ tải quan trọng

e Cầu chì tự rơi

Cầu chì tự rơi là thiết bị bảo vệ của lưới điện trung thế, được sử dụng để bảo vệ cho các máy biến áp phụ tải, thường được lắp đặt cùng với dao cách ly

nh 1.3 Cầu chì tự rơi

Cầu chì tự rơi có cấu tạo bao gồm ống chì dẫn điện và phần sứ cách điện Khi cường độ dòng điện lớn hơn một giá trị nào đó, dây chì trong thanh dẫn nóng chảy, tạo áp lực khiến thanh dẫn rơi ra, tách phần tử bị sự cố ra khỏi lưới điện Cầu chì tự rơi có thể được tháo và thay thề bằng sào cách điện

f Thiết bị chỉ báo sự cố

Thiết bị chỉ báo sự cố (Fault Indicator) là thiết bị có chức năng phát hiện, cảnh báo bằng đèn t n hiệu khi sự cố trên các đường dây trên không

nh 1.4 Thiết bị chỉ báo sự cố

Cấu tạo của thiết bị chỉ báo sự cố khá đơn giản, nó bao gồm biến dòng để đo lường dòng điện cũng như cung cấp năng lượng cho đèn báo t n hiệu khi có sự cố và mạch điện tử phát hiện, nhận dạng sự cố Khi có sự cố xảy ra trên lưới, dòng điện trên lưới sẽ tăng, các thiết bị chỉ báo sự cố được lắp giữa nguồn và điểm sự cố sẽ phát tín hiệu.Ưu điểm của thiết bị này là chi phí rẻ, có thể lắp đặt vào bất kì vị trí nào trên đường dây Tuy nhiên nhược điểm của thiết bị chỉ báo sự cố là nó chỉ có chức năng đèn báo mà không có chức năng đóng, mở mạch cách ly khu vực xảy ra sự cố

g.Cầu dao phân đoạn điện tử tự động

Cầu dao phân đoạn điện tử tự động (Electronic Sectionalizer) có cấu tạo cơ bản giống cầu chì tự rơi Cầu dao phân đoạn điện tử tự động có thêm mạch điện tử bao gồm: máy biến dòng, mạch xử lý tín hiệu và phát hiện sự cố, cơ cấu truyền động mở dao khi phát hiện sự cố Cầu dao phân đoạn điện tử tự động có hai loại đóng cắt phụ tải và đóng cắt không điện

nh 1.5 Cầu dao phân đoạn điện tử tự động[3]

1.1.3 Cấu trúc và sơ đồ của lưới điện phân phối

Cấu trúc lưới điện phân phối bao gồm:

 Cấu trúc tổng thể: Gồm tất cả các phần tử và sơ đaồ lưới đầy đủ Muốn lưới điện có độ tin cậy cung cấp điện cao th cấu trúc tổng thể phải là cấu trúc thừa Thừa về số phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về khả năng

lập sơ đồ Ngoài ra trong vận hành còn phải dự trữ các thiết bị thay thế và vật liệu để sửa chữa

 Cấu trúc vận hành: Là một phần của cấu trúc tổng thể đủ đáp ứng nhu cầu trong một chế độ vận hành nhất định Một cấu trúc vận hành gọi là một trạng thái của lưới điện Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều kiện kỹ thuật, người ta chọn cấu trúc vận hành tối ưu theo điều kiện kinh tế (tổn thất nhỏ nhất) Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận hành bị hỏng th cấu trúc vận hành bị rối loạn, người ta phải nhanh chóng chuyển qua cấu trúc vận hành sự cố bằng cách thay đổi các trạng thái phần tử cần thiết Cấu trúc vận hành sự cố có chất lượng vận hành thấp hơn so với cấu trúc vận hành

b nh thường Trong chế độ vận hành sau sự cố có thể xảy ra mất điện phụ tải Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng thao tác thuận lợi

 Cấu trúc tĩnh: Trong cấu trúc này lưới điện phân phối không thể thay đổi sơ

đồ vận hành Ở cấu trúc này khi bảo dưỡng hay sự cố th toàn bộ hoặc một phần lướiphân phối phải ngừng điện Đó là lưới phân phối h nh tia không phân đoạn và h nh tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt

 Cấu trúc động không hoàn toàn: đâylà lưới điện phân phối có cấu trúc k n vận hành hở Trong cấu trúc này có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức

Theo quy hoạch cấu trúc lưới điện phân phối có thể chia thành:

 Cấu trúc phát triển: đó là lưới phân phối cấp điện cho phụ tải đang còn tăng trưởng theo thời gian và trong không gian Khi thiết kế quy hoạch lưới này

sơ đồ của nó được chọn theo t nh huống cụ thể và t nh đến sự phát triển trong tương lai

 Cấu trúc bão hoà: đó là lưới phân phối hoặc bộ phận của nó cấp điện cho phụ tải bão hoà, không tăng thêm theo thời gian và không gian Đối với lưới phân phối bão hoà thường có sơ đồ thiết kế chuẩn, mẫu đã được t nh toán tối

ưu Khi lưới phân phối bắt đầu hoạt động, có thể phụ tải của nó chưa bão hoà mà còn tăng trưởng, nhưng khi thiết kế đã t nh cho phụ tải cuối cùng của trạng thái bão hoà Lưới phân phối phát triển luôn có các bộ phận bão hoà

1.2 Các phương pháp đánh giá độ tin cậy

1.2.1 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 bằng đại số Boole, lý thuyết xác suất thống kê, tập hợp để t nh toán độ tin cậy.[1]

Sơ đồ độ tin cậy của hệ thống được xây dựng trên cơ sở phân tích ảnh hưởng của hư hỏng phần tử đến hư hỏng hệ thống Sơ đồ độ tin cậy bao gồm các nút (nguồn, tải, trung gian) và các nhánh Nút và nhánh tạo thành mạng lưới nối nút nguồn và nút tải của sơ đồ Trạng thái hoạt động của hệ thống là trạng thái có ít nhất một đường nối từ nút nguồn đến nút tải Khi nút nguồn và nút tải bị tách rời do hỏng các phần tử thì hệ thống ở trạng thái hỏng Các dạng sơ đồ độ tin cậy như sau:

nh 1.6 Sơ đồ nối tiếp

nh 1.7 Sơ đồ song song

nh 1.8 Sơ đồ hỗn hợp

Sơ đồ nối tiếp (H nh 1.6): Hệ thống hỏng khi có một phần tử hỏng

Sơ đồsong song (H nh 1.7): Hệ thống hỏng khi tất cả các phần tử hỏng

Sơ đồ hỗn hợp (H nh 1.8): Hệ thống thể hỏng khi một số phần tử hỏng Trên cơ sở phân t ch sơ đồ độ tin cậy và các tính toán giải t ch ta t nh được các chỉ tiêu về độ tin cậy của hệ thống

1.2.2 Phương pháp không gian trạng thái

Trong phương pháp này hệ thống được diễn tả bởi các trạng thái hoạt động

và các khả năng chuyển giữa các trạng thái đó

Trạng thái hệ thống được xác định bởi tổ hợp các trạng thái phần tử Mỗi tổ hợp trạng thái phần tử cho một trạng thái hệ thống Phần tử có thể có nhiều trạng thái khác nhau, chẳng hạn tốt, hỏng hay bảo dưỡng định kỳ Sự thay đổi trạng thái của phần tử sẽ dẫn đến thay đổi trạng thái của hệ thống Nếu phần tử có 2 trạng thái

và hệ thống có n phần tử thì số trạng thái của hệ thống là 2n Hệ thống luôn ở một trong các trạng thái có thể của không gian trạng thái, nên tổng các xác suất trạng thái bằng 1

Phương pháp không gian trạng thái có thể sử dụng quá trình ngẫu nhiên Markov để tính xác suất trạng thái và tần suất trạng thái, từ đó t nh được các chỉ tiêu

độ tin cậy của hệ thống

Phương pháp không gian trạng thái có thể sử dụng quá trình ngẫu nhiên Markov để tính xác suất trạng thái và tần suất trạng thái, từ đó t nh được các chỉ tiêu

độ tin cậy của hệ thống

1.2.3 Phương pháp cây hỏng hóc

Phương pháp cây hỏng hóc được mô tả bằng đồ thị quan hệ nhân quả giữa các dạng hỏng hóc trong hệ thống, giữa hỏng hóc hệ thống và các hỏng hóc thành phần trên cơ sở hàm đại số oole Cơ sở cuối cùng để t nh toán là các hỏng hóc cơ bản của các phần tử Cây hỏng hóc mô tả quan hệ logic giữa các phần tử hay giữa các phần tử và từng mãng của hệ thống, giữa các hỏng hóc cơ bản và hỏng hóc hệ thống Phương pháp cây hỏng hóc là phương pháp rất hiệu quả để nghiên cứu độ tin cậy của các hệ thống phức tạp, có thể áp dụng cho hệ thống điện.[1]

1.2.4 Phương pháp Monte-Carlo

Phương pháp Monte - Carlo mô phỏng hoạt động của các phần tử trong hệ thống như một quá tr nh ngẫu nhiên Nó tạo ra lịch sử hoạt động của các phần tử và của hệ thống một cách nhân tạo trên máy t nh điện tử, sau đó sử dụng các phương pháp đánh giá thống kê để phân t ch rút ra các kết luận về độ tin cậy của phần tử và

hệ thống

Mỗi phương pháp đều có ưu thế riêng cho từng loại bài toán Phương pháp Monte-Carlo được sử dụng chủ yếu cho giải t ch độ tin cậy của hệ thống điện Phương pháp cây hỏng hóc th ch hợp với độ tin cậy của các nhà máy điện Các bài toán về độ tin cậy của nguồn điện thường sử dụng phương pháp không gian trạng thái ài toán độ tin cậy của lưới điện sử dụng phương pháp không gian trạng thái phối hợp với phương pháp đồ thị - giải t ch rất có hiệu quả Ở đây chúng ta sử dụng phương pháp đồ thị - giải t ch cho việc đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối[1]

1.2.5 Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của hệ thống điệntheo tiêu chuẩn IEEE1366

Nhƣ đã đề cập ở[4], có các chỉ số về độ tin cậy của hệ thống điện sau:

- SAIFI (System Average Interruption Frequency Index): tần suất mất điện trung bình của hệ thống, đƣợc tính theo công thức sau:

i i

NSAIFI

T NSAIDI

N

 

Trong đó, Ti là thời gian mất điện lần thứ i

- CAIFI (Customer Average Interruption Frequency Index): tần suất mất điện trung bình của khách hàng, đƣợc tính theo công thức sau:

i i

nCAIFI

N





Trong đó, n là số lần mất điện của toàn hệ thống đang xét

- CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index): thời gian mất điện trung bình của khách hàng, đƣợc tính theo công thức sau:

i i i i

T N

SAIDICAIDI

i i i

ENSP T

Trong đó, Pi là công suất khách hàng bị ngừng cung cấp ở lần mất điện thứ i

1.2.6 Các biện pháp nâng cao độ tin cậy

Các biện pháp để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện có thể kể đến như sau:

- Nâng cao chất lượng của thiết bị trong hệ thống: việc nâng cao chất lượng của thiết bị trong hệ thống sẽ làm tăng độ tin cậy của các thiết bị đó, làm giảm nguy cơ hỏng hóc, sự cố xảy ra do các thiết bị đó gây ra Tuy nhiên việc sử dụng các phần tử

có độ tin cậy cao đồng nghĩa với tăng chi ph

- Sử dụng hệ thống các thiết bị tự động trong hệ thống: việc bố trí các thiết bị tự động trong hệ thống như thiết bị tự động đóng lại, tự đóng nguồn dự trữ, hệ thống điều khiển giám sát thu thập dữ liệu từ xa (SCADA), sẽ làm giảm đáng kể thời gian mất điện của hệ thống do thời gian xử lý thông tin của hệ thống tự động nhanh hơn

so với con người xử lý, bởi vì hệ thống tự động không bị tác động bởi các yếu tố như: thời gian phản ứng, tâm lý, khoảng cách,…

- Tăng cường khả năng dự phòng của hệ thống: việc sử dụng hệ thống mạch kép, lưới kín sẽ nâng cao độ tin cậy cung cấp điện do phụ tải sẽ nhận điện từ nhiều phía thay vì chỉ nhận điện từ một ph a như khi sử dụng lưới hình tia

- Giảm thời gian mất điện: có thể giảm thời gian mất điện bằng việc lên kế hoạch ngắt điện hợp l Ngoài ra, cũng cần phải giảm thời gian mất điện do sự cố Thời gian này bao gồm: thời gian phản ứng của hệ thống (hệ thống bảo vệ rơle, máy cắt, cầu chì tự rơi,…), thời gian tìm vị trí xảy ra sự cố và thời gian sửa chữa sự cố Do thời gian phản ứng của hệ thống là rất nhanh (đơn vị giây) và thời gian sửa chữa sự

cố phụ thuộc vào tr nh độ của cán bộ thi công, nên hai yếu tố thời gian này có thể cải thiện bằng đầu tư nâng cấp thiết bị, giáo dục, duy chỉ có thời gian định vị sự cố

có thể giảm được đáng kể Do cấu trúc của lưới điện truyền tải và lưới điện phân phối khác nhau, nên vấn đề về t m điểm sự cố trong hai lưới điện kể trên cũng có những điểm khác nhau

Lưới điện truyền tải có cấu trúc mạch đơn giản, nhưng đường dây ở lưới điện

vấn đề về t m điểm sự cố là tìm ra khoảng cách bị sự cố, hiện nay ở Việt Nam, rơle khoảng cách đang thực hiện nhiệm vụ này

Khác so với lưới điện truyền tải, lưới điện phân phối có phạm vi đường dây

bé (10-20 km), tuy nhiên cấu trúc của lưới điện này lại khá phức tạp với cấu trúc hình tia rẽ nhánh, do đó việc xác định khoảng cách vị trí sự cố sẽ trở nên không hiệu quả.Vì thế, để giảm thời gian mất điện do sự cố ở lưới điệnphân phối cần xác định nhánh đường dây bị sự cố, do các đoạn đường dây ở lưới điện phân phối thường ngắn nên việc t m điểm sự cố trên các nhánh đường dây sẽ không quá khó khăn

Nâng cao tr nh độ nhân lực: việc nâng cao tr nh độ nhân lực cũng góp phần làm cải thiện độ tin cậy, với tr nh độ cao hơn, các công việc sẽ được hoàn thiện nhanh và ch nh xác hơn, góp phần làm giảm thời gian mất điện cũng như tần suất sự

ly, còn nếu máy cắt lại tiếp tục nhảy thì sự cố nằm ở nhánh rẽ khác và phải thực hiện lại thao tác trên để tiếp tục tìm kiếm điểm xảy ra sự cố Phương pháp định vị

sự cố ở trên rất phức tạp, đòi hỏi thao tác phải cẩn thận, ngoài ra còn rất mất thời gian và làm giảm tuổi thọ củamáy cắt (do phải thao tác nhiều lần)

Trên thế giới hiện nay, có một số phương pháp nhằm xác định vị trí sự cố trong lưới điện phân phối như dựa vào điện kháng sự cố, độ sụt điện áp hay dựa vào sóng truyền trên đường dây Tuy nhiên, các phương pháp kể trên cần phải đầu tư các thiết bị đắt tiền như hệ thống đo đếm tần số cao hay hệ thống máy tính có khả

năng t nh toán nhanh, ngoài ra, việc thay đổi phương thức tìm sự cố của các phương pháp trên sẽ rất phức tạp khi cấu trúc của lưới điện thay đổi

Ngoài các phương pháp kể trên, hiện nay còn có phương pháp sử dụng các thiết bị phân đoạn như máy cắt, thiết bị tự đóng lại, thiết bị chỉ báo sự cố (Fault Indicator), cầu dao phân đoạn điện tử tự động để định vị sự cố trong lưới phân phối Việc sử dụng các thiết bị phân đoạn này sẽ giúp người vận hành dễ dàng tìm ra được nhánh đường dây bị sự cố cũng như có thể tách được phần bị sự cố ra để sửa chữa, cấp điện lại nhanh chóng cho các nhánh không bị sự cố(không áp dụng với thiết bị chỉ báo sự cố) Ngoài ra, phương pháp này không yêu cầu tài nguyên tính toán cao cũng được cập nhật dễ dàng khi cấu trúc lưới điện thay đổi Phương pháp này chỉ t m ra được khoảng sự cố chứ không chỉ ra được vị trí cụ thể, tuy nhiên vấn

đề này không gây khó khăn trong quá tr nh định vị sự cố do chiều dài đường dây ở lưới điện phân phối thường ngắn, mặc dù vậy, phương pháp này sẽ kém hiệu quả hơn nếu lưới điện có cấu trúc mạch vòng hay có nguồn điện phân tán trong lưới điện phân phối

1.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cầu dao phân đoạn

a Cấu tạo

nh 1.9 Mặt cắt dọc của cầu dao phân đoạn điện tử tự động

- Các bộ phận chính của cầu dao phân đoạn điện tử tự động:

Cầu dao phân đoạn điện tử tự động có cùng nguyên lý hoạt độngdựa trên việc phát hiện hiện tượng quá dòng điệnnhưthiết bị chỉ báo sự cố Sự khác biệt của cầu dao phân đoạn điện tử tự động là nó có thể cách ly khu vực bị sự cố và chỉ có thể lắp đặt trên cột điện thay vì lắp đặt trên đường dây như thiết bị chỉ báo sự cố

nh 1.10 Nguyên lý mạch logic của cầu dao phân đoạn điện tử tự động

H nh 1.12 thể hiện biểu đồ hoạt động theo thời gian của cầu dao phân đoạn điện tử tự động khi có sự cố trên lưới, ở đây số lần đếm cài đặt cho thiết bị là 3 lần Khi thiết bị TĐL thực hiện đóng lại 2 lần, ở lần đóng lại thứ 2 không thành công, sau khi đã cắt mạch, cầu dao phân đoạn điện tử tự động sẽ mở ra

nh 1.11 Cầu dao phân đoạn giúp định vị sự cố

nh 1.12 Biểu đồ hoạt động theo thời gian của cầu dao phân đoạn điện tử tự động

1.3.3 Ưu điểm và nhược điểm của cầu dao phân đoạn

a Ưu điểm

- Cầu dao phân đoạn điện tử tự động khi kết hợp với máy cắt hoặc thiết bị TĐL nhằm phân biệt sự cố thoáng qua và sự cố duy tr cũng như xác định được khoảng vùng bị sự cố trong lưới phân phối Ví dụ ở H nh 1.11, trong 4 cầu dao phân đoạn thì chỉ có cầu dao phân đoạn ở nhánh bị sự cố mở ra, do đó vị trí ngắn mạch được xác định nhanh chóng hơn

- Cầu dao phân đoạn có thể nhìn thấy nó đã tác động dễ dàng bằng mắt thường do hình dáng của nó lúc đang ở trạng thái mở hay đóng giống so với cầu chì tự rơi

b Nhược điểm

Thiết bị phân đoạn có giá thành tương đối cao so với các thiết bị khác như cầu chì tự rơi, và đặc điểm lưới phân phối trung áp của Việt Nam có độ dài lớn Nên nếu lắp toàn bộtrên hệ thống cần vốn đầu tưrất lớn

1.3.4 Sử dụng thiết bị phân đoạn để định vị sự cố trong lưới điện phân phối hình tia

Thuật toán để tìm khoảng vị trí sự cố trong lưới điện phân phối kết hợp với

hệ thống máy tính sử dụng thiết bị chỉ báo sự cố được trình bày khá chi tiết ở [5]

Trước khi bắt đầu thuật toán, cần phải đánh số các thiết bị phân đoạn và lập

ra bảng trạng thái thể hiện mối liên hệ giữa các thiết bị phân đoạn trong một xuất tuyến cũng như trạng thái của chúng khi có sự cố Bảng trạng thái đó có mẫu như sau:

ảng 1.1 Cấu trúc bảng dữ liệu yêu cầu

Số

thứ tự

Thiết bị phía trước

Thiết bị phía sau

Số thiết bị phía sau Trạng thái

…

Cụ thể, ở cột số thứ tự là số thứ tự của các thiết bị phân đoạn trong hệ thống,

để tiện cho việc theo dõi, nên đánh số máy cắt đầu mạch có số thứ tự là 1, số các thiết bị phía sau phải lớn hơn số thiết bị ph a trước Thiết bị A được gọi là thiết bị

ph a trước của thiết bị B nếu dòng công suất chảy từ A sang B mà ở giữa 2 thiết bị này không có thiết bị nào khác, khi đó thiết bị được gọi là thiết bị phía sau của thiết bị A Có thể nhận thấy rằng đối với lưới điện phân phối hình tia, một thiết bị

có thể có nhiều thiết bị phía sau (thiết bị ở cuối cùng có thiết bị ph a sau là “0”) nhưng chỉ có tối đa một thiết bị ph a trước (máy cắt đầu mạch không có thiết bị phía trước, cột thiết bị ph a trước của máy cắt đầu mạch ghi là “0”) Quy ước trạng thái của thiết bị: nếu thiết bị có dòng điện ngắn mạch đi qua, chức năng quá dòng của các thiết bị này sẽ nhận ra và chúng sẽ có trạng thái là “1”, các thiết bị không có

Ví dụ,H nh 1.13 thể hiện 1 xuất tuyến của lưới điện phân phối h nh tia có đặt

8 thiết bị phân đoạn (thiết bị số 1 là máy cắt, các thiết bị còn lại là thiết bị chỉ báo sự cố).Các thiết bị được tô màu đen là các thiết bị có dòng ngắn mạch đi qua, các thiết

bị còn lại không có dòng ngắn mạch đi qua Vị trí ngắn mạch được thể hiện rõ trên hình.Bảng trạng thái của xuất tuyến này được thể hiện ởVí dụ về lưới điện hình tia

có các thiết bị phân đoạn

ảng 1.2

nh 1.13 Ví dụ về lưới điện hình tia có các thiết bị phân đoạn

ảng 1.2 Bảng trạng thái của xuất tuyến

STT Thiết bị ph a trước Thiết bị phía sau Số thiết bị phía sau Trạng thái

Trước khi vào thuật toán định vị sự cố, cần khai báo các biến sau:

 Mảng A[m] bao gồm m giá trị là số thứ tự các thiết bị mà sự cố xảy ra ở ngay sau thiết bị đó (ở trước thiết bị phía sau của nó);

 Mảng B[n] dùng để lưu trữ dữ liệu khi sự cố xảy ra ở nhiều nhánh

 k-số thứ tự các thiết bị; i, j: các thông số để so sánh kiểm tra xem đã xét hết

sự cố trên lưới hay chưa Sơ đồ của thuật toán được miêu tả ởH nh 1.14

nh 1.14 Sơ đồ thuật toán định vị sự cố sử dụng thiết bị phân đoạn

Cụ thể các bước của thuật toán được diễn tả như sau:

 ước 1: Đặt các giá trị k, m, j là 1; đặt i, n là 0;

 ước 2: Xét ES thứ k xem có dòng sự cố không; nếu có chuyển sang bước

tiếp theo, nếu không chuyển sang bước 7;

 ước 3: Kiểm tra có bao nhiêu ES sau ES thứ k; nếu có 1 thì chuyển sang

bước 4; nếu nhiều hơn 1 th chuyển sang bước 5; nếu bằng 0 thì sự cố ngay

sau ES thứ k; đặt A[m]=k; m=m+1 rồi chuyển sang bước 6;

 ước 4: Kiểm tra trạng thái của ES sau ES thứ k, nếu trạng thái là “0” th

điểm sự cố ở sau ES k, đặt A[m]=k; m=m+1 rồi chuyển sang bước 6 Nếu

trạng thái là “1” th đặt giá trị k bằng số của ES đang xét rồi về bước 3;

 ước 5: Kiểm tra trạng thái của tất cả ES sau ES thứ k, nếu tất cả trạng thái

là “0” th đặt A[m]=k; m=m+1 rồi chuyển sang bước 6 Nếu chỉ có 1 ES có trạng thái là “1” th đặt giá trị k bằng số của ES đó rồi về bước 3 Nếu có hơn

1 ES có trạng thái “1” th gán tổng số ES đó vào n và số từng ES đó lần lượt vào [i+1], [i+2],…, [i+n] rồi đặt i=i+n rồi chuyển tới bước 6;

 ước 6: So sánh j và i, nếu j>i thì chuyển sang bước 7; mặt khác đặt k=B[j]

và j=j+1 rồi quay về bước 3;

 ước 7: Đưa ra mảng A[m], các điểm xảy ra sự cố nằm ngay sau các ES trong mảng A;

Ví dụ áp dụng thuật toán trên vào xuất tuyến H nh 1.13:

ảng 1.3 Trình tự các bước định vị sự cố của thuật toán (1 điểm sự cố)

3 Số thiết bị phía sau (=1) 7 0 1 1 0

4 Trạng thái của thiết bị 8 là

“0”, gán k vào A[m], m=2; 7 0 1 2 0 A[1]=7

Vậy, theo kết quả ở ảng 1.3, vị trí sự cố nằm ở khoảng giữa thiết bị số 7 và thiết bị phía sau của nó là thiết bị số 8

Ví dụ đối với trường hợp có 2 sự cố xảy ra đồng thời ở lưới điện phân phối được trình bày ởH nh 1.15: