Nghiên cứu tối ưu số lượng và vị trí lắp đặt các thiết bị tự động đóng cắt trong lưới điện phân phối

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ TĐL Thiết bị tự đóng lại DTĐ Cầu dao phân đoạn tự động SCADA Hệ thống điều khiển giám sát thu thập dữ liệu SAIFI Tần suất ngừng cung cấp

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

-

TRẦN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU SỐ LƯỢNG VÀ VỊ TRÍ LẮP ĐẶT

CÁC THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG ĐÓNG CẮT TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội - Năm 2019

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

-

TRẦN TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU SỐ LƯỢNG VÀ VỊ TRÍ LẮP ĐẶT

CÁC THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG ĐÓNG CẮT TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN XUÂN TÙNG

Hà Nội – Năm 2019

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ 5

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 10

1.1 Tổng quan chung về lưới điện phân phối 10

1.2 Các thiết bị đóng cắt trong lưới phân phối 11

1.2.1 Máy cắt trung áp 11

1.2.2 Thiết bị tự đóng lại 12

1.2.3 Cầu dao phân đoạn tự động 13

1.2.4 Cầu chì tự rơi 15

1.2.5 Cầu dao phụ tải (Load Break Switch) 16

1.2.6 Nhận xét chung 16

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 17

2.1 Độ tin cậy của hệ thống điện 17

2.1.1 Các khái niệm và định nghĩa 17

2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy 18

2.2 Yêu cầu đánh giá độ tin cậy trong vận hành và quy hoạch thiết kế lưới điện 20 2.2.1 Các nguyên nhân gây mất điện 20

2.2.2 Ảnh hưởng của độ tin cậy đến tổn thất kinh tế và cấu trúc lưới điện 21

2.2.3 Các biện pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện 23

2.2.4 Vấn đề tối ưu vị trí đặt của thiết bị tự đóng lại trên lưới phân phối 26

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU KHI TÍNH TOÁN VỊ TRÍ ĐẶT TỐI ƯU CÁC THIẾT BỊ TỰ ĐÓNG LẠI 28

3.1 Xây dựng tiêu chí của hàm mục tiêu 28 3.1.1 Ảnh hưởng của số lượng phụ tải và tổng công suất phụ tải bị mất điện 28

3.1.2 Ảnh hưởng của tần suất sự cố đối với tiêu chí của hàm mục tiêu 29

3.2 Tính toán hàm mục tiêu với lưới điện đơn giản 30

3.3 Tính toán tìm vị trí đặt thiết bị TĐL với hàm mục tiêu đã xây dựng trong trường hợp đơn giản chỉ có 1 thiết bị TĐL 34

3.4 Kết luận chương 3 36

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO XUẤT TUYẾN ĐƯỜNG DÂY 22KV LỘ 476 E17.1 THUỘC CÔNG TY ĐIỆN LỰC SƠN LA 38

4.1 Mô tả lưới điện cần tính toán áp dụng 38

4.1.1 Mô tả lưới điện 38

4.1.2 Tính toán chuẩn bị số liệu 40

4.2 Công cụ tính toán được sử dụng 43

4.2.1 Giới thiệu phần mềm Matlab 43

4.2.2 Thuật giải di truyền 45

4.2.3 Ưu – nhược điểm của sử dụng thuật toán di truyền 54

4.3 Tính toán áp dụng với xuất tuyến 476 E17.1 Sơn La 54

4.3.1 Xây dựng bài toán 54

4.3.2 Các kịch bản tính toán 54

4.3.3 Kết quả tính toán và các nhận xét 55

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI59 5.1 Kết luận của luận văn 59

5.2 Đề xuất hướng nghiên cứu tương lai 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 62

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của ai Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

TÁC GIẢ

Trần Tuấn Anh

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Xuân Tùng, giảng viên Bộ môn Hệ thống điện - Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Điện, thư viện Tạ Quang Bửu, cùng các giảng viên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn tôi trong khóa học và hoàn thành đề tài này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ hành chính của Viện Điện và Viện Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ chúng tôi trong quá trình học tập tại trường

Để có được ngày hôm nay tôi không thể không nhắc đến những người thân trong gia đình đã tạo một hậu phương vững chắc giúp tôi yên tâm hoàn thành công việc và nghiên cứu của mình

Cuối cùng tôi xin gửi tới toàn thể bạn bè và đồng nghiệp lời biết ơn chân thành về những tình cảm tốt đẹp cùng sự giúp đỡ quý báu mà mọi người đã dành cho tôi trong suốt thời gian làm việc, học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài này

Trần Tuấn Anh

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

TĐL Thiết bị tự đóng lại

DTĐ Cầu dao phân đoạn tự động

SCADA Hệ thống điều khiển giám sát thu thập dữ liệu

SAIFI Tần suất ngừng cung cấp điện trung bình của hệ thống SAIDI Thời gian ngừng cung cấp điện trung bình của hệ thống CAIFI Tần suất mất điện trung bình của khách hàng

CAIDI Thời gian mất điện trung bình của khách hàng

ASAI Khả năng sẵn sàng vận hành

ENS Điện năng trung bình không được cung cấp

đvtđ Đơn vị tương đối

CTDL Cấu trúc dữ liệu

MỞ ĐẦU

Lưới điện phân phối có chiều dài đường dây và số lượng phụ tải rất lớn, do vậy yêu cầu đảm bảo cung cấp điện liên tục là bài toán phức tạp, cần có sự phối hợp đồng bộ của nhiều giải pháp

Hiện nay các thiết bị tự đóng lại (TĐL) đã và đang được sử dụng nhiều trên lưới, tuy nhiên do giá thành của thiết bị TĐL cao nên số lượng thiết bị này trên lưới không nhiều Các điện lực vẫn chọn vị trí lắp đặt TĐL theo kinh nghiệm, ví dụ khi

có các nhánh phụ tải quan trọng thì sẽ lắp đặt thiết bị TĐL tại đó, hoặc đơn giản hơn

là lắp TĐL tại vị trí giữa đường dây Có thể thấy rằng hiệu quả của TĐL trong việc giảm thời gian cô lập và phân đoạn sự cố là rất lớn; do đó nếu tối ưu lại vị trí đặt TĐL sẽ giảm được cả thời gian ngừng cung cấp điện và số lượng phụ tải bị mất điện

Các nghiên cứu cho thấy bài toán tối ưu vị trí lắp đặt thiết bị TĐL cần cân nhắc rất nhiều yếu tố như: chiều dài đường dây; số lượng phụ tải, mật độ phân bố phụ tải dọc đường dây; mức độ quan trọng của phụ tải; công suất phụ tải Do vậy bài toán còn tồn tại là: cần tối ưu lại vị trí đặt các thiết bị TĐL giảm tối đa các chỉ tiêu SAIDI, CAIDI và ENS, nâng cao chất lượng điện năng của lưới Bên cạnh đó thiết

bị cầu dao phân đoạn tự động có giá thành rẻ hơn, có khả năng giúp giảm thời gian

cô lập sự cố, do vậy nếu sử dụng kết hợp với các thiết bị TĐL sẽ có hiệu quả cao Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu sử dụng tính toán tìm vị trí đặt tối ưu của các thiết bị TĐL và cầu dao phân đoạn tự động (DTĐ) hiện có với hàm mục tiêu là nâng cao các chỉ tiêu chất lượng điện năng theo yêu cầu của ngành điện Phạm vi nghiên cứu của luận văn giới hạn áp dụng với đường dây trung áp và với thiết bị tự đóng lại sử dụng ở cấp điện áp này

Về mặt cấu trúc luận văn được chia ra thành 5 chương

Chương 1: Tổng quan chung về các cấu hình lưới phân phối điện và các thiết bị đóng cắt: giới thiệu chung về lưới phân phối và các thiết bị đóng cắt phổ biến trên lưới, ưu điểm và hạn chế của các thiết bị này

Chương 2: Độ tin cậy của hệ thống điện và các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy Yêu cầu

đánh giá độ tin cậy trong vận hành và qui hoạch thiết kế lưới điện Đánh giá vai trò của thiết bị TĐL và cầu dao phân đoạn tự động trong việc nâng cao độ tin cậy Các vấn đề còn tồn tại với việc lựa chọn vị trí và số lượng thiết bị TĐL, cầu dao phân đoạn tự động DTĐ và đề xuất hướng nghiên cứu

Chương 3: Xây dựng bài toán tối ưu và các ràng buộc, lựa chọn công cụ phần mềm

và thuật giải bài toán tối ưu

Chương 4: Tính toán kiểm chứng đề xuất nghiên cứu với một xuất tuyến lưới điện thuộc Công ty Điện lực Sơn La, đánh giá kết quả nhận được và khả năng áp dụng thực tế

Chương 5: Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.3.1 Bảng tổng hợp kết quả tính toán tại các nút 36

Bảng 4.1.1 Bảng thống kê chiều dài, công suất, số lượng phụ tải 41

Bảng 4.1.2 Bảng kết quả tính toán trong hệ đơn vị tương đối 42

Bảng 4.2.1 Độ tốt của cá thể 50

Bảng 4.2.2 Độ thích nghi cá thể 50

Bảng 4.2.3 Độ thích nghi của cá thể 51

Bảng 4.3.1 Bảng kết quả tính toán 55

Bảng 4.3.2 Bảng kết quả tính toán 57

Bảng 4.3.3 Bảng kết quả tính toán 58

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1.1 Một xuất tuyến của lưới điện phân phối trung áp 10

Hình 1.2.1 Máy cắt trung áp 11

Hình 1.2.2 Thiết bị tự đóng lại trung áp 12

Hình 1.2.3 Cấu trúc cầu dao phân đoạn tự động 13

Hình 1.2.4 Cấu tạo chi tiết của cầu dao phân đoạn tự động 13

Hình 1.2.5 Cầu dao phân đoạn tự động loại 1 pha và 3 pha 14

Hình 1.2.6 Vị trí lắp đặt của cầu dao phân đoạn tự động 14

Hình 1.2.7 Cầu chì tự rơi 15

Hình 1.2.8 Cầu dao phụ tải 16

Hình 3.2.1 Sơ đồ đường dây tính toán 30

Hình 3.2.2 Sơ đồ thay thế 31

Hình 3.2.3 Sơ đồ tính toán 32

Hình 3.2.4 Sơ đồ rút gọn 32

Hình 3.2.5 Sơ đồ biểu diễn phụ tải, công suất tích lũy từng nút 33

Hình 3.3.1 Sơ đồ biểu diễn phụ tải, công suất tích lũy từng nút 34

Hình 3.3.2 Sơ đồ lưới điện trong trường hợp TĐL đặt tại nút 4 34

Hình 3.3.3 Sơ đồ lưới điện trong trường hợp TĐL đặt tại nút 3 35

Hình 4.1.1 Sơ đồ thực địa của lưới điện 39

Hình 4.1.2 Sơ đồ chi tiết của lưới điện 39

Hình 4.1.3 Sơ đồ lưới điện rút gọn 40

Hình 4.2.1 Giao diện chính của Matlab 44

Hình 4.2.2 Công cụ tính toán tối ưu trong Matlab 45

Hình 4.2.3 Sơ đồ tổng quát của thuật giải di truyền 49

Hình 4.2.4 Quy tắc chọn lọc theo bàn Roulete 51

Hình 4.2.5 Tiến hành chọn lọc theo quy tắc bạn Roulete 52

Hình 4.2.6 Quy tắc lại ghép đơn điểm 53

Hình 4.2.7 Quy tắc đột biến 53

Hình 4.3.1 Đồ thị mức giảm hàm mục tiêu theo số TĐL 56

Hình 4.3.2 Đồ thị mức giảm hàm mục tiêu theo mức tăng TĐL 57

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan chung về lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối là một phần của hệ thống điện, làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải Lưới điện phân phối là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng Lưới điện phân phối bao gồm lưới điện trung áp và lưới điện hạ áp

Lưới điện phân phối gồm hai phần:

- Lưới điện phân phối trung áp chủ yếu ở các cấp điện áo 6,3kV, 10,5kV, 23kV, 35kV phân phối cho các trạm phân phối trung áp/ hạ áp và các phụ tải trung áp

- Lưới điện phân phối hạ áp có cấp điện áp 380/220 V cấp điện cho các phụ tải

hạ áp

Nhiệm vụ của lưới điện phân phối:

- Lưới điện phân phối là nhiêm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải

- Lưới điện phân phối được xây dựng, lắp đặt phải đảm bảo nhận điện năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ

- Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ sao cho ít gây ra mất điện nhất, lưới phải đảm bảo cho nhu cầu phát triển của phụ tải

- Đảm bảo chất lượng điện năng trong giới hạn cho phép

Hình 1.1.1 Một xuất tuyến của lưới điện phân phối trung áp

Các lưới điện phân phối thường được thiết kế mạch vòng, nhưng vận hành hở; việc thiết kế mạch vòng để có thể nhanh chóng chuyển đổi phương thức cấp điện

MC

Máy cắt tổng

khi có sự cố trên một phân đoạn nào đó, đồng thời việc vận hành hở sẽ làm đơn giản công tác điều độ lưới điện

Hình 1.1 mô tả một xuất tuyến của lưới điện phân phối, trong đó có thể hiện một số thiết bị đóng cắt phổ biến được sử dụng trên lưới điện phân phối Việt Nam hiện nay

1.2 Các thiết bị đóng cắt trong lưới phân phối

1.2.1 Máy cắt trung áp

Hình 1.2.1 Máy cắt trung áp

Máy cắt điện là thiết bị đóng cắt điện áp cao ngay khi có dòng điện phụ tải hoặc dòng điện ngắn mạch chạy qua Ngoài khả năng đóng cắt máy cắt điện bằng tay, bao giờ đi kèm với nó, cũng có một mạch điện điều khiển, để có thể tự động cắt dòng được ngắn mạch đường dây Vì vậy máy cắt điện không những là một thiết bị đóng cắt thông thường mà còn là thiết bị bảo vệ đường dây khi bị ngắn mạch Khi đóng cắt mạch điện áp cao hồ quang sinh ra ở các tiếp điểm rất lớn, mặc dầu công suất đóng cắt nhỏ Do đó vấn đề kỹ thuật chủ yếu cần giải quyết trong máy cắt điện

là việc dập tắt hồ quang ở các tiếp điểm

Nếu phân loại máy cắt theo môi trường dập hồ quang thì có các loại thông thường sau:

- Máy cắt nhiều dầu: dầu vừa là chất cách điện đồng thời sinh khí để dập tắt hồ quang

- Máy cắt ít dầu: lượng dầu ít chỉ đủ để sinh khí dập tắt hồ quang còn cách điện là chất rắn

- Máy cắt không khí: dùng khí nén để dập tắt hồ quang

- Máy cắt tự sinh khí: dùng vật liệu cách điện có khả năng tự sinh khí dưới tác động

của nhiệt độ cao của hồ quang Khí tự sinh ra có áp suất cao dập tắt hồ quang

- Máy cắt điện từ: hồ quang được dập trong khe hẹp làm bằng vật liệu rắn chịu được hồ quang, lực điện từ đẩy hồ quang vào khe

- Máy cắt chân không: hồ quang được dập trong môi trường chân không

- Máy cắt SF6: dùng khí SF6 để dập hồ quang

1.2.2 Thiết bị tự đóng lại

Phần lớn sự cố trong hệ thống điện là sự cố thoáng qua Vì vậy để tăng cường

độ liên tục cung cấp điện cho phụ tải, thay vì sử dụng máy cắt người ta sử dụng máy cắt có thiết bị tự đóng lại (TĐL) Thực chất thiết bị tự đóng lại là máy cắt có kèm thêm rơle có chức năng bảo vệ và điều khiển Người sử dụng có thể lập trình các chức năng bảo vệ như bảo vệ quá dòng cắt nhanh, bảo vệ quá dòng có thời gian, bảo

vệ quá dòng pha/quá dòng chạm đất Chức năng điều khiển tự đóng lại cho phép cài đặt nhiều tham số như số lần tự đóng lại, thời gian tự đóng lại, thời gian phục hồi… theo yêu cầu Thiết bị này còn có thể đo và lưu trữ một số thông số vận hành cần thiết như U, I, P, Q…và lưu trữ các bản ghi sự cố

Hình 1.2.2 Thiết bị tự đóng lại trung áp

Khi trên đường dây xảy ra sự cố, thiết bị tự đóng lại sẽ cắt và sau một khoảng thời gian đặt trước rơle điều khiển sẽ ra lệnh đóng lại máy cắt Nếu là sự cố thoáng qua, tự đóng lại thành công thì đường dây sẽ có điện trở lại Trong trường hợp sự cố vẫn tồn tại (sự cố duy trì hoặc bán duy trì) thì thiết bị tự đóng lại có thể tự đóng lại thêm 1 hoặc 2 lần tùy theo cài đặt; sau đó sẽ tự khóa để tránh gây hư hỏng máy cắt Trong trường hợp này các phụ tải ở phía sau điểm đặt TĐL sẽ bị mất điện Thiết bị TĐL thường được trang bị trên đường trục chính của xuất tuyến trung áp của lưới điện phân phối (Hình 1.2) Do giá thành của thiết bị này khá cao nên các thiết bị TĐL chủ yếu được lắp đặt cho các đường dây cung cấp cho phụ tải quan trọng, số lượng và công suất phụ tải lớn

1.2.3 Cầu dao phân đoạn tự động

Về mặt hình thức thì cầu dao phân đoạn tự động khá tương tự với các cầu chì tự rơi Cầu dao phân đoạn tự động bao gồm hai phần chính: Cơ cấu đỡ tương tự như cầu chì tự rơi gồm có sứ cách điện và các hệ thống ngàm cơ khí và ống dẫn điện (vai trò tương tự như dao cách ly) và một mô-đun điều khiển điện tử

Hình 1.2.3 Cấu trúc cầu dao phân đoạn tự động

Cấu tạo chi tiết như sau:

Hình 1.2.4 Cấu tạo chi tiết của cầu dao phân đoạn tự động

Ngoài ra một số loại được trang bị thêm hệ thống dập hồ quang để tăng cường khả năng cắt; trên thị trường có cả loại 3 pha và 1 pha phù hợp với các ứng dụng khác nhau

Hình 1.2.5 Cầu dao phân đoạn tự động loại 1 pha và 3 pha

Vị trí lắp đặt: thường lắp đặt sau thiết bị TĐL và tại đầu các nhánh rẽ (minh họa với cầu dao phân đoạn tự động Autolink của ABB)

Hình 1.2.6 Vị trí lắp đặt của cầu dao phân đoạn tự động

Cầu dao phân đoạn tự động hoạt động trên nguyên tắc như sau: mô đun điện

tử có trang bị các biến dòng điện để đo lường dòng điện chạy qua dao và để cung cấp năng lượng cho các hệ thống mạch điện tử và cơ cấu chấp hành (dạng cuộn hút) Khi có sự cố xảy ra ở phía sau vị trí đặt cầu dao phân đoạn thì dòng điện qua dao tăng cao, nếu dòng điện này vượt giá trị ngưỡng đã cài đặt trong bộ điều khiển thì bộ điều khiển sẽ đếm là 1 lần sự cố Sau đó máy cắt hoặc TĐL sẽ cắt sự cố và thực hiện tự đóng lại Nếu TĐL đóng thành công thì bộ đếm của dao cách ly sẽ tự

giải trừ sau một khoảng thời gian; trường hợp TĐL đóng không thành công thì bộ đếm sẽ ghi nhận được số lần đóng vào sự cố này Nếu số lần đóng vào sự cố vượt quá giá trị đặt trước (ví dụ 3 lần) thì trong khoảng thời gian không điện giữa các lần TĐL bộ điều khiển điện tử sẽ cấp điện cho cuộn hút để kéo các lẫy của cơ cấu tự rơi

và ống dao sẽ rơi khỏi vị trí đóng, cách ly phần đường dây phía sau cầu dao

Để phối hợp sự làm việc của các cầu dao phân đoạn tự động cần cài đặt số lần đếm

sự cố của thiết bị theo bậc phân cấp: các cầu dao càng gần nguồn sẽ có số lần đếm càng lớn hơn

Việc sử dụng cầu dao phân đoạn này sẽ tự động cách ly được phân đoạn sự cố, không cần đội thao tác phải đi đến hiện trường; do vậy giảm được thời gian mất điện của các phụ tải lân cận nhánh sự cố

1.2.4 Cầu chì tự rơi

Hình 1.2.7 Cầu chì tự rơi

Một trong những thiết bị đóng cắt đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và cải thiện độ tin cậy trên đường dây lưới phân phối đó là cầu chì tự rơi (Hình 1.6) Cầu chì tự rơi chủ yếu được dùng để bảo vệ máy biến áp phân phối hoặc sử dụng tại đầu đường nhánh rẽ từ trục chính Cầu chì tự rơi là thiết bị bảo vệ đơn giản trong lưới phân phối với đặc tính thời gian phụ thuộc, có khả năng cắt dòng điện cực đại

từ 5 đến 8 kA ở cấp điện áp 11 hoặc 22 kV Cầu chì tự rơi có nhược điểm là có thể gây nên tình trạng hở mạch một pha trong vận hành nếu sự cố xảy ra ở 1 pha

1.2.5 Cầu dao phụ tải (Load Break Switch)

Cầu dao phụ tải có công dụng như một cấu dao liên động Tuy nhiên nó có ưu việt hơn hẳn cầu dao thường đó chính là khả năng đóng/cắt được khi có tải Việc lắp đặt tại đầu các nhánh rẽ sẽ thu hẹp khu vực bị mất điện khi thực hiện cắt điện theo kế hoạch để công tác, hay phân đoạn để sử lý sự cố trên đường dây

Hình 1.2.8 Cầu dao phụ tải

Cầu dao phụ tải là thiết bị có buồng dập hồ quang, chính vì vậy thiết bị có thể cắt được dòng điện bình thường Thiết bị có tiếp điểm chính và tiếp điểm phụ (tiếp điểm phụ được thiết kế nằm trong buồng dập hồ quang Khi muốn cắt dòng điện thì tiếp điểm chính sẽ mở trước, sau đó tiếp điểm phụ mới mở Do tiếp điểm phụ được thiết kế nằm trong buồng dập hồ quang nên khi hồ quang sinh ra sẽ được dập tắt Ngược lại khi muốn đóng điện trở lại thì tiếp điểm phụ sẽ đóng trước, sau đó tiếp điểm chính mới đóng

1.2.6 Nhận xét chung

Lưới điện phân phối được trang bị nhiều loại thiết bị giúp nâng cao mức độ tự động hóa và nhanh chóng loại trừ, cô lập được phân đoạn sự cố So sánh chung về các loại thiết bị đóng cắt thường gặp có thể thấy hiệu quả của các loại thiết bị này tương ứng với chi phí đầu tư Máy cắt và thiết bị tự đóng lại có hiệu quả sử dụng cao nhất do có thể đóng cắt khi có sự cố, giúp giảm thiểu thời gian ngừng cung cấp điện, đặc biệt trong các trường hợp có sự cố thoáng qua, giúp nâng cao các chỉ tiêu

về chất lượng điện năng của lưới Tuy nhiên để nâng cao hiệu quả sử dụng của các loại thiết bị này cần tính toán lựa chọn số lượng và vị trí lắp đặt phù hợp

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA

HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Độ tin cậy của hệ thống điện

2.1.1 Các khái niệm và định nghĩa

Khi đánh giá độ tin cậy, hệ thống điện là hệ thống có cấu trúc phức tạp thể hiện trong:

- Gồm số lượng rất lớn các phần tử thuộc nhiều chủng loại khác nhau

- Sơ đồ lưới điện phức tạp: gồm nhiều lớp thực hiện nhiều nhiệm vụ, trải rộng trong không gian

- Cấu trúc của lưới điện phát triển không ngừng theo thời gian

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

Hệ thống điện là hệ thống phục hồi, các phần tử của hệ thống sau khi bị hỏng sẽ được phục hồi đưa trở lại làm việc, do đó các trạng thái hỏng hóc của hệ thống cũng được phục hồi sau một thời gian nhất định Đa số các phần tử của hệ thống điện còn được bảo dưỡng định kì để phục hồi khả năng làm việc đã suy giảm sau thời gian làm việc

Độ tin cậy là xác suất để hệ thống (hoặc phần tử) hoàn thành triệt để nhiêm vụ yêu cầu trong khoảng thời gian nhất định trong điều kiện vận hành nhất định Như vậy

độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể, trong khoảng thời gian xác định và trong hoàn cảnh nhất định Mức độ độ tin cậy là xác suất hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời gian xác định Xác suất này được gọi là độ tin cậy của hệ thống (hay phần tử)

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

hệ thống điện và các phần tử của nó, khái niệm khoảng thời gian xác định không có

ý nghĩa bắt buộc vì hệ thống làm việc liên tục Do đó, độ tin cậy được đo bởi một đại lượng thích hợp hơn, đó là độ sẵn sàng

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

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

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

2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy

Có thể liệt kê một số chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy được sử dụng cho hệ thống điện như sau:

- SAIFI: Tần suất ngừng cung cấp điện trung bình của hệ thống (System Average Interruption Frequency Index: SAIFI)

- SAIFI cho biết thông tin về tần suất trung bình của các lần mất điện duy trì trên mỗi khách hàng của một vùng cho trước

.

i

N N



 Trong đó: i: Cường độ sự cố tại nút i

- CAIFI: Tần suất mất điện trung bình của khách hàng (Customer Average Interruption Frequency Index: CAIFI)

Cho biết tần suất trung bình của các lần mất điện duy trì đã xảy ra đối với khách hàng Trong công thức này chỉ quan tâm số lượng khách hàng và không xét đến số lần mất điện

'CAIFI= i i

c

N N

- ASAI: Khả năng sẵn sàng vận hành (Average Service Availability Index: ASAI)

Chỉ tiêu này được biểu diễn dưới dạng phân bố của thời gian (thường là phần trăm), nói lên thời gian có điện của khách hàng trong năm hay trong thời gian được định trước

ENS P i.Ti Trong đó: P i là công suất tải trung bình được nối vào nút tải thứ i

2.2 Yêu cầu đánh giá độ tin cậy trong vận hành và quy hoạch thiết kế lưới điện

2.2.1 Các nguyên nhân gây mất điện

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

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

- Do hư hỏng các thành phần của hệ thống điện như:

Phần điện và phần máy: hỏng hệ thống cung cấp nhiên liệu, hỏng phần động lực, hỏng máy biến áp, hỏng thiết bị đóng cắt, hỏng phần dẫn điện hỏng, hỏng chất cách điện của: đường dây điện, trạm biến áp, chống sét van, hỏng cáp điện lực, hỏng thiết

bị điều chỉnh điện áp của máy phát điện, hỏng thiết bị điều khiển tụ bù,

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

- Do hoạt động của hệ thống như:

Do trạng thái của hệ thống: Độ ổn định của hệ thống, điện áp cao/thấp, tần số cao/thấp, quá tải đường dây, máy biến áp, tải không cân bằng, do nhân viên vận hành, do nhân viên điều độ hệ thống điện, do nhân viên vận hành nhà máy điện, do nhân viên vận hành lưới điện, lỗi do duy trì

- Các nguyên nhân khác: động vật, phương tiện vận tải, đào đất, hỏa hoạn, phá hoại

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

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

Nhìn chung, có thể phân chia, sắp xếp lại để giảm thiểu số lượng khách hàng bị ảnh hưởng của hỏng hóc thiết bị hoặc thời gian mất điện là nhỏ nhất Sẵn sàng hoạt động là sự lựa chọn duy nhất của ngành điện để nâng cao độ tin cậy Giảm thiểu thời gian mất điện bằng cách sữa chữa kịp thời thiết bị hư hỏng

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

ro mất điện

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

Điện năng là động lực chính của toàn bộ nền kinh tế quốc dân Việc mất điện sẽ gây

ra hậu quả xã hội, kinh tế rất lớn

Khi xét đến hậu quả của việc mất điện, các phụ tải được chia làm hai loại:

- Loại phụ tải mà sự mất điện gây ra các hậu quả mang tính chính trị - xã hội

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

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

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

sở này phải chịu khi mất điện đột ngột theo kế hoạch

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

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

Ví dụ về giá tiền 1 kWh điện năng mất:

- Ở Australia sử dụng bảng giá mất điện ($/kWh) như sau (theo tiền Australia): Phụ tải dân dụng: 0,5 cho ngừng điện kế hoạch và 1,5 cho ngừng điện sự cố

Phụ tải doanh nghiệp bình thường: 2,5 cho ngừng điện kế hoạch và 7,5 cho ngừng điện sự cố

Phụ tải doanh nghiệp nhạy cảm: 5 cho ngừng điện kế hoạch và 15 cho ngừng điện

sự cố

- Ở FDF sử dụng giá như sau: năm 1988 giá mất điện ở lưới phân phối là: 14,5 F/kWh chung, không phân loại theo phụ tải, ở lưới chuyên tải có hai cấp giá, nếu công suất mất nhỏ hơn 8% thì giá là 7,25 F/kWh, còn cao hơn 8% thì giá

là 14, 5F/kWh

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

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

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

- Cấu trúc lưới: mạch vòng kín, nhiều lộ song song, trạm nhiều máy biến áp,

sơ đồ trạm và nhà máy điện phức tạp

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

- Cấu trúc hệ thống quản lí: 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 kì

Để nâng cao độ tin cậy đòi hỏi vốn đầu tư lớn, do đó độ tin cậy không phải được nâng cao bằng mọi giá Đầu tư vào nâng cao độ tin cậy chỉ có hiệu quả khi mức giảm tổn thất kinh tế do nâng cao độ tin cậy lớn hơn chi phí nâng cao độ tin cậy Trong hàm mục tiêu của các bài toán xác định cấu trúc nguồn điện cũng như lưới điện đều có thành phần tổn thất do độ tin cậy được tính theo tổn thất kinh tế đã nói trên Tuy nhiên việc tính 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 suất 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 - kĩ thuật hệ thống điện

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

Để nâng cao độ tin cậy của toàn lưới phân phối thì ta cần phải nâng cao độ tin cậy của các phần tử trên lưới

Biện pháp đầu tiên là cần phải quan tâm là sử dụng các thiết bị điện có độ tin cậy cao Các phần tử cần có độ tin cậy cao trong hệ thống điện như là đường dây, máy biến áp, máy cắt, dao cách ly, các thiết bị bảo vệ, điều khiển và tự động hóa… Ngày nay, với sự phát triển mạnh của ngành công nghệ vật liệu mới, đã có nhiều vật liệu

và thiết bị điện có độ tin cậy rất cao Về vật liệu có thể kể đến như: vật liệu cách điện có cường độ cách điện cao như các loại giấy cách điện, sứ cách điện bằng silicom, Về thiết bị điện có thể kể đến như máy cắt chân không, máy cắt điện SF6 Các thiết bị bảo vệ tự động hóa hiện nay sử dụng công nghệ kĩ thuật số có độ tin cậy

cao hơn rất nhiều so với thiết bị sử dụng rơle điện từ trước đây Ngoài ra máy biến

áp hiện nay sử dụng vật liệu dẫn từ có tổn hao nhỏ và cách điện tốt nên có độ tin cậy cao Tuy nhiên việc sử dụng thiết bị có độ tin cậy cao đồng nghĩa với việc tăng chi phí đầu tư cho lưới điện Vì vậy ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế của hệ thống, nên việc sử dụng nó tùy vào điều kiện cụ thể Đối với các hộ phụ tải không được phép mất điện thì đầu tư với khả năng tốt nhất cho phép Đối với các phụ tải khác phải dựa trên sự so sánh giữa tổn thất do mất điện và chi phí đầu tư Trên thực

tế lưới phân phối hiện nay còn sử dụng nhiều thiết bị cũ, công nghệ lạc hậu, có độ tin cậy thấp đang dần được thay thế bằng những thiết bị hiện đại có độ tin cậy cao,

do đó độ tin cậy của lưới điện ngày càng được nâng cao rõ rệt

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

xa Các thiết bị tự động thường dùng là: tự đóng lại, tự động đóng nguồn dự phòng,

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

dữ liệu từ xa ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp Hệ thống này cho phép thu thập dữ liệu, phân tích và điều khiển các đối tượng từ xa

Sử dụng hệ thống SCADA trong điều hành lưới phân phối sẽ nhanh chóng tách đoạn lưới sự cố và khôi phục cấp điện cho các phân đoạn không sự cố Đối với hệ thống lưới phân phối có nhiều nguồn và kết dây phức tạp như lưới điện trong các thành phố thì việc sử dụng hệ thống SCADA là rất hiệu quả và hợp lý, tuy nhiên đối với hệ thống lưới phân phối ở các vùng nông thôn, ngoại thành… thì chi phí cho hệ

thống này khá lớn ảnh hưởng đến chỉ tiêu kinh tế của công trình

Biện pháp thứ ba là tăng cường khả năng dự phòng bằng sơ đồ kết dây lưới điện hợp lí (sử dụng đường dây mạch kép, lưới điện kín vận hành kín, lưới phân đoạn) Lưới phân phối hiện nay thường là lưới hình tia có phân nhánh, thường có độ tin cậy thấp Tuy vậy, bởi lí do kinh tế nó vẫn được sử dụng trong sơ đồ có khả năng chuyển đổi kết dây linh hoạt nhằm hạn chế thấp nhất khả năng ngừng cấp điện cho phụ tải Bình thường hai lộ có thể vận hành song song hoặc vận hành độc lập Khi

sự cố một lộ, lộ còn lại cấp điện cho toàn phụ tải Vì vậy, khả năng tải của mỗi lộ phải đảm đương được toàn bộ tải Đặc điểm sơ đồ này là độ tin cậy cao nhưng chi phí đầu tư khá lớn, chỉ thích hợp cho những phụ tải quan trọng không cho phép mất điện

Sơ đồ lưới kín vận hành hở Loại sơ đồ này gồm nhiều nguồn và nhiều phân đoạn đường dây tạo thành lưới kín nhưng khi vận hành thì các máy cắt phân đoạn tạo thành lưới hở Khi một phân đoạn ngừng điện thì chỉ phụ tải phân đoạn đó mất điện, còn các phân đoạn khác chỉ mất điện tạm thời trong thời gian thao tác, sau đó lại được cấp điện lại bình thường Sơ đồ có ưu điểm là chi phí đầu tư không cao, có thể

áp dụng cho các hệ thống lưới phân phối Tuy nhiên tùy thuộc vào tình hình nguồn điện ở từng khu vực

Sơ đồ lưới có phân đoạn Sơ đồ lưới hình tia có phân đoạn được sử dụng nhiều nhất hiện nay vì nó có chi phí thấp, sơ đồ đơn giản có thể áp dụng rộng rãi Nhược điểm của nó là độ tin cậy chưa cao Thiết bị phân đoạn có thể là máy cắt điện, dao cách

ly, dao cách ly phụ tải Trong sơ đồ này khi sự cố một phân đoạn thì chỉ những phân đoạn sau nó bị mất điện, các phân đoạn đứng trước nó (về phía nguồn) chỉ bị mất điện tạm thời trong thời gian thao tác Trong kiểu sơ đồ này, số lượng và vị trí đặt của các thiết bị phân đoạn cũng ảnh hưởng đến thời gian mất điện của phụ tải Vì vậy cần lựa chọn cụ thể từng lưới điện cụ thể Kinh nghiệm vận hành cho thấy để giảm thiểu điện năng bị mất do bảo dưỡng định kì và do sự cố cần nhiều thiết bị phân đoạn trên đường dây Vị trí đặt các thiết bị phân đoạn chia đều chiều dài đường dây Tuy nhiên việc lắp đặt quá nhiều thiết bị phân đoạn sẽ làm tăng vốn đầu

tư, tăng phần tử sự cố trên lưới nên đối với lưới 10kV người ta thường chọn chiều dài các phân đoạn đường dây từ 2- 3 km Để sử dụng sơ đồ này có hiệu quả có thể kết hợp với các thiết bị tự đóng lại, điều khiển từ xa… có thể nâng cao đáng kể độ tin cậy của lưới phân phối Việc sử dụng các thiết bị này có thể loại trừ ảnh hưởng của sự cố thoáng qua và rút ngắn thời gian thao tác trên lưới, nhờ thế nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Tuy nhiên, vốn đầu tư khá lớn nên việc sử dụng nó cần so sánh tổn thất do mất điện và chi phí đầu tư

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

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

2.2.4 Vấn đề tối ưu vị trí đặt của thiết bị tự đóng lại trên lưới phân phối

Nâng cao độ tin cậy là mục tiêu quan trọng đối với lưới phân phối Việc sử dụng các thiết bị tự đóng lại (TĐL) hay dao phân đoạn tự động (DTĐ) là giải pháp rất tốt

để giảm số lần mất điện cũng như giảm thời gian tìm và cách ly sự cố Nhưng do giá thành các thiết bị rất cao nên để tối ưu về bài kinh tế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật thì cần giải quyết bài toán: Tối ưu vị trí đặt của các thiết bị TĐL hay DTĐ Việc tính toán vị trí tối ưu của các thiết bị TĐL mang lại nhiều ý nghĩa:

- Giảm được thời gian ngừng cung cấp điện với các trường hợp sự cố duy trì;

- Giảm được tần suất mất điện của các phụ tải;

- Giảm được số lượng phụ tải bị mất điện;

- Giảm được lượng điện năng không được cung cấp (Energy Not Supplied - ENS), hay giảm lượng công suất phụ tải không được cấp điện

Hàm mục tiêu cần xây dựng với bài toán tối ưu vị trí đặt thiết bị TĐL có thể dựa trên một trong các tiêu chí trên Tuy nhiên, luận văn mong muốn có thể xây dựng được một hàm mục tiêu tổng hợp, kết hợp được tất cả các tiêu chí trên Lý do cần có hàm mục tiêu tổng thể là do cần giảm cả tổng công suất phụ tải bị cắt điện và số lượng phụ tải mất điện

Trong chương tiếp theo sẽ xây dựng hàm mục tiêu và các ràng buộc khi tìm vị trí đặt tối ưu các thiết bị TĐL trên lưới

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU KHI TÍNH TOÁN VỊ TRÍ

ĐẶT TỐI ƯU CÁC THIẾT BỊ TỰ ĐÓNG LẠI

3.1 Xây dựng tiêu chí của hàm mục tiêu

3.1.1 Ảnh hưởng của số lượng phụ tải và tổng công suất phụ tải bị mất điện

Như đã trình bày các chương trước, có nhiều chỉ tiêu để đánh giá chất lượng điện năng của lưới phân phối như SAIFI, SAIDI, MAIFI, ENS…tuy nhiên về bản chất việc nâng cao chất lượng điện năng hay chất lượng dịch vụ của lưới phân phối khi sử dụng thiết bị TĐL tập trung vào hai mục tiêu:

- Giảm số lượng khách hàng bị mất điện: nếu số lượng khách hàng bị mất điện

lớn sẽ gây các hiệu ứng không tốt về xã hội, gây ảnh hưởng tới kinh tế Có thể công suất tiêu thụ của các phụ tải này không lớn (ví dụ phụ tải ở các khu vực miền núi), tuy nhiên nếu nhiều khách hàng bị mất điện cũng sẽ gây ảnh hưởng lớn

- Giảm tổng công suất phụ tải bị cắt điện: trong trường hợp số lượng phụ tải bị

mất điện nhỏ, nhưng tổng công suất các phụ tải bị mất điện lớn thì cũng đều gây thiệt hại cho khách hàng, cho sản xuất và cho Công ty điện lực Vấn đề này có thể xảy ra với các khu vực thành phố hoặc khu vực khu công nghiệp Như vậy cần xây dựng một chỉ tiêu đánh giá mà có thể kết hợp được hai yếu tố trên Trong luận văn này đề xuất tiêu chí tổng hợp để xây dựng hàm mục tiêu như sau:

Tiêu chí tổng hợp = {a 1*Số lượng khách hàng + a2*Tổng công suất phụ tải}

Trong đó:

- Số lượng khách hàng: là tổng số khách hàng có thể bị mất điện khi có sự cố duy trì trên đường dây;

- Tổng công suất phụ tải: là tổng công suất của toàn bộ các phụ tải bị mất điện khi có sự cố duy trì trên đường dây;

- a 1: trọng số xét tới ảnh hưởng của số lượng khách hàng;

- a 2: trọng số xét tới ảnh hưởng của tổng công suất phụ tải

Các hệ số {a1,; a2} được chọn tùy theo quan điểm của mỗi điện lực, ví dụ:

- Với các điện lực quản lý cấp điện cho các khu vực vùng xa, khu vực nông

thôn, miền núi: công suất của mỗi phụ tải hoặc nhóm phụ tải có thể rất nhỏ, sản lượng tiêu thụ không cao; tuy nhiên cần quan tâm tới việc tránh cắt điện nhiều hộ dân thì khi đó có thể chọn hệ số a1 lớn hơn so với a2 (chọn a1>>a2) Khi chọn a1>a2 nghĩa là đánh giá số lượng khách hàng bị mất điện

có ảnh hưởng lớn hơn so với tổng công suất phụ tải bị mất điện

- Với các điện lực quản lý cấp điện cho các khu vực khu công nghiệp, số lượng phụ tải không lớn, tuy nhiên mỗi phụ tải lại tiêu thụ một lượng công suất rất lớn Trong trường hợp này cần chọn trọng số a2 lớn hơn a1 (chọn a2>>a1), nghĩa là coi trọng việc giảm thiểu tổng lượng công suất phụ tải bị cắt khi có sự cố duy trì

- Trong trường hợp các yếu tố về số lượng phụ tải bị mất điện và tổng công suất phụ tải bị cắt điện đều được coi trọng như nhau thì có thể chọn a1 bằng a2 (ví dụ chọn a1=a2=1)

3.1.2 Ảnh hưởng của tần suất sự cố đối với tiêu chí của hàm mục tiêu

Trong phần trên đã đề xuất xây dựng tiêu chí đánh giá tổng hợp xét tới ảnh hưởng của số lượng phụ tải và công suất phụ tải Tuy nhiên một yếu tố khác cũng gây ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất lượng điện năng là tần suất sự cố: nếu tần suất

sự cố trên xuất tuyến lớn, phụ tải sẽ bị mất điện nhiều lần, khi đó cần tăng số lượng thiết bị TĐL để phân đoạn đường dây thành nhiều vùng, giảm thiểu số lượng phụ tải mất điện khi có sự cố duy trì Mặt khác tần suất sự cố lớn sẽ làm tăng chỉ số lượng điện năng không được cung cấp (ENS), giảm doanh thu của ngành điện Do vậy trong nghiên cứu về tối ưu số lượng và vị trí đặt thiết bị TĐL cần phải xét cả tới ảnh hưởng của tần suất sự cố

Thực tế hiện nay việc đánh giá tần suất sự cố được tính trung bình cho cả đường dây và không đánh giá cho từng phân đoạn của đường dây, nghĩa là coi tần suất sự

cố là giống nhau trên mọi nhánh đường dây Với cách thống kê và đánh giá này có

thể nói số sự cố trên mỗi phân đoạn đường dây sẽ tỷ lệ với chiều dài đường dây

đang được xem xét Như vậy nếu phân đoạn đường dây dài thì số lần sự cố sẽ lớn hơn số lần sự cố của phân đoạn đường dây ngắn

Nhu vậy hàm mục tiêu cần kết hợp được ảnh hưởng của các yếu tố:

- Tổng số lượng khách hàng bị mất điện;

- Tổng công suất phụ tải bị mất điện;

- Số lần sự cố hay chiều dài đường dây (phân đoạn đường dây) đang quan tâm Theo các lập luận trên đây, luận văn đề xuất hàm mục tiêu kết hợp được cả 3 yếu tố như sau:

Hàm mục tiêu=Tiêu chí tổng hợp*L

={a 1 *Số lượng khách hàng + a 2*Tổng công suất phụ tải}*L

Trong đó L là chiều dài phân đoạn đường dây đang được xem xét (với giả thiết là tần suất sự cố trên các phân đoạn đường dây là như nhau)

Bài toán tối ưu vị trí đặt thiết bị TĐL chính là tìm vị trí sao cho giá trị hàm mục tiêu đạt nhỏ nhất

3.2 Tính toán hàm mục tiêu với lưới điện đơn giản

a Sơ đồ lưới điện và qui đổi thông số

Để minh họa cho đề xuất về hàm mục tiêu trên đây, trong phần này sẽ trình bày về

ví dụ xây dựng hàm mục tiêu khi cần tìm vị trí đặt tối ưu thiết bị TĐL

Xét ví dụ lưới điện đơn giản với tổng công suất phụ tải, số lượng phụ tải và chiều dài các phân đoạn đường dây như sau:

3km 4km

5 Đầu nguồn

6km

Hình 3.2.1 Sơ đồ đường dây tính toán

Các số liệu của sơ đồ chỉ có ý nghĩa minh họa cho tính toán Các phụ tải rải rác dọc các phân đoạn đường dây được thay thế bởi các phụ tải tập trung tại các nút Các nút ở đây chính là các vị trí cột hoặc vị trí trên đường dây mà ở đó có thể cho phép lắp đặt thiết bị TĐL Ví trí đầu đường dây đã có lắp sẵn máy cắt của xuất tuyến

Để thuận tiện cho tính toán giả thiết các hệ số a1 và a2 bằng nhau và bằng 1 (a1=a2=1)