đánh giá độ tin cậy và các giải pháp nâng cao độ tin cậy - áp dụng đánh giá độ tin cậy lưới điện trung áp tỉnh tuyên quang

Đặc biệt ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV lấy qua các trạm trung gian 35/6kV và 35/10kV không có hệ thống điều áp dưới tảikhoảng 40-50% tổn thất của hệ thống điện, độ tin cậy cung cấp đ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-* -

TỐNG THANH QUANG

ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY VÀ CÁC GIẢI PHÁP

NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY - ÁP DỤNG ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP TỈNH TUYÊN QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

THÁI NGUYÊN - 2010

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-* -

TỐNG THANH QUANG

ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY VÀ CÁC GIẢI PHÁP

NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY - ÁP DỤNG ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP TỈNH TUYÊN QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

PGS - TS Trần Bách

THÁI NGUYÊN - 2010

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan công trình nghiên cứu này là của tôi Các số liệu và kết quả nghiên cứu được nêu trong luận văn là trung thực và chưa ai được công bố trong các công trình khác

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới các tác giả của công trình nghiên cứu, các tác giả của các tài liệu nghiên cứu mà tôi trích dẫn và tham khảo để hoàn thành luận văn này Đặc biệt, tôi vô cùng cảm ơn PGS TS Trần Bách đã tận tình hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu

Tuyên Quang, tháng 8/2010

Tác giả

Tống Thanh Quang

MỤC LỤC

Trang

Danh mục các bảng, biểu.

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Lời nói đầu……… 1

Chương 1: Tổng quan về độ tin cậy của lưới điện phân phối………… 4

1.1 Tổng quan về lưới điện phân phối……….… 4

1.1.1 Định nghĩa và phân loại 4

1.1.2 Phần tử của lưới điện phân phối 6

1.1.3 Cấu trúc và sơ đồ của lưới điện phân phối 8

1.1.4 Đặc điểm của lưới điện phân phối miền Bắc 10

1.2 Tổng quan về độ tin cậy cung cấp điện 12

1.2.1 Các khái niệm về độ tin cậy 12

1.2.2 Độ tin cậy của hệ thống 13

1.2.3 Độ tin cậy của phần tử 13

1.2.3.1 Phần tử không phục hồi 13

1.2.3.2 Phần tử phục hồi 17

1.3 Các phương pháp đánh giá độ tin cậy 22

1.3.1 Phương pháp đồ thị giải tích 22

1.3.2 Phương pháp không gian trạng thái 23

1.3.3 Phương pháp cây hỏng hóc 25

1.3.4 Phương pháp mô phỏng Monte - Carlo 25

1.4 Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối 26

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy của lưới điện phân phối 29

Chương 2: Phương pháp phân tích - Tính toán độ tin cậy của lưới điện phân phối 30

2.1 Phân phối xác suất của chỉ số tin cậy 30

2.2 Các sơ đồ lưới điện dùng để tính toán độ tin cậy 31

2.2.1 Sơ đồ lưới điện hình tia không phân đoạn 33

2.2.2 Lưới điện hình tia rẽ nhánh có bảo vệ bằng cầu chì 35

2.2.3 Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở 39

2.2.4 Hệ thống song song 43

2.3 Xây dựng bài toán tính toán đánh giá độ tin cậy 46

2.3.1 Đẳng trị lưới phân phối thành sơ đồ tương đương 47

2.3.2 Mô tả lưới phân phối theo cấu trúc ngược 49

Trang

2.3.3 Tính ma trận ảnh hưởng 50

2.3.4 Thuật toán ma trận đường nối 52

2.3.5 Thuật toán tính ma trận ảnh hưởng 53

2.3.6 Chương trình tính toán 54

Chương 3: Tính toán - đánh giá - phân tích độ tin cậy của lưới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang 55

3.1 Giới thiệu tổng quát về lưới điện phân phối tỉnh Tuyên Quang 55

3.1.1 Nguồn điện 55

3.1.2 Lưới điện trung áp 56

3.2 Tính toán độ tin cậy lưới điện phân phối tỉnh Tuyên Quang 59

3.2.1 Lựa chọn một số xuất tuyến để đưa vào tính toán………… 59

3.2.2 Các số liệu đưa vào tính toán……… 61

3.2.3 Kế quả đẳng trị sơ đồ lưới điện của các xuất tuyến……… 62

3.2.4 Kết quả tính toán độ tin cậy……… ……… 65

3.2.5 Các chỉ tiêu độ tin cậy bổ sung……… 68

3.3 Đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối tỉnh Tuyên Quang…… 68

3.3.1 Hiện trạng độ tin cậy của lưới điện phân phối……… 68

3.3.2 Tính thiết hại kinh tế của lưới điện phân phối……… 70

3.3.3 Đánh giá chung về độ tin cậy lưới điện phân phối tỉnh Tuyên Quang.……… 72

Chương 4: Áp dụng một số giải pháp nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang 76

4.1 Tính chọn vị trí để lắp đặt thêm thiết bị phân đoạn …… … 76

4.2 Lắp đặt thêm một số cầu dao phụ tải và máy cắt phân đoạn… 80

4.2.1 Lắp đặt thêm một số cầu dao phụ tải……… 81

4.2.2 Lắp đặt thiết bị phân đoạn bằng máy cắt Recloser… …… 81

4.2.3 Sử dụng trạm biến áp có thời gian phục hồi nhanh…….… 82

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

DANH MỤC CÁC BẢNG - BIỂU

Trang

Bảng 2.1: Xác suất xuất hiện số lần mất điện……… … 30

Bảng 2.2: Thông số của hệ thống 34

Bảng 2.3: Số liệu về khách hàng và tải trung bình ở các nút phụ tải 34

Bảng 2.4: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 2.1 34

Bảng 2.5: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 2.2 36

Bảng 2.6: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 2.3 37

Bảng 2.7: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 2.4 39

Bảng 2.8: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 2.5 trong trường hợp không hạn chế công suất chuyển tải 40

Bảng 2.9: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 2.5 trong trường hợp hạn chế công suất chuyển tải 42

Bảng 2.10: Tổng hợp các chỉ tiêu độ tin cậy của các hệ thống từ hình 2.1 đến hình 2.5 42

Bảng 2.11: Dữ liệu về độ tin cậy của hệ thống hình 2.6 46

Bảng 3.1: Công suất các trạm biến áp 110 tỉnh Tuyên Quang 55

Bảng 3.2: Công suất các trạm biến áp trung gian tỉnh Tuyên Quang 56

Bảng 3.3: Số lượng xuất tuyến của các trạm 110kV và trạm trung gian 58

Bảng 3.4: Số liệu đẳng trị lưới điện của xuất tuyến 375 E14.1 Tuyên Quang… 62 Bảng 3.5: Số liệu đẳng trị lưới điện của xuất tuyến 373 E14.2 Chiêm Hoá…… 63

Bảng 3.6: Số liệu đẳng trị lưới điện của xuất tuyến 972 Hưng Thành… 63

Bảng 3.7: Số liệu đẳng trị lưới điện của xuất tuyến 973 Gò Chẩu……… 64

Bảng 3.8: Số liệu đẳng trị lưới điện của xuất tuyến 973 Sơn Dương…… 64

Bảng 3.9: Kết quả tính toán độ tin cậy của xuất tuyên 375 E14.1 Tuyên Quang 65

Bảng 3.0: Kết quả tính toán độ tin cậy của xuất tuyên 373 E14.2 Chiêm Hoá 65 Bảng 3.11: Kết quả tính toán độ tin cậy của xuất tuyên 972 Hưng Thành……… 66

Bảng 3.12: Kết quả tính toán độ tin cậy của xuất tuyên 973 Gò Chẩu… 67

Bảng 3.13: Kết quả tính toán độ tin cậy của xuất tuyên 973 Sơn Dương 67 Bảng 3.14: Các chỉ tiêu độ tin cậy mất điện sự cố……… 68

Bảng 3.15: Các chỉ tiêu độ tin cậy mất điện công tác sửa chữa……… 68

Trang

Bảng 3.16: Kết quả tính toán thiệt hại do mất điện ……… 70

Bảng 3.17: Phân loại sự cố vĩnh cửu năm 2008 của lưới điện tỉnh Tuyên Quang…… 73

Bảng 4.1 Kết quả độ tin cậy của xuất tuyến 375 E14.1 khi có lắp DCL 76 Bảng 4.2 Các chỉ tiêu độ tin cậy của xuất tuyến 375 E14.1 khi có lắp DCL… 77

Bảng 4.3 Kết quả độ tin cậy của xuất tuyến 373 E14.2 khi có lắp DCL……… 77

Bảng 4.4 Các chỉ tiêu độ tin cậy của xuất tuyến 373 E14.2 khi có lắp DCL… 78 Bảng 4.5 Kết quả độ tin cậy của xuất tuyến 972 Hưng Thành khi có lắp DCL ……… 78

Bảng 4.6 Các chỉ tiêu độ tin cậy của xuất tuyến 972 Hưng Thành khi có lắp DCL 79

Bảng 4.7 Kết quả độ tin cậy của xuất tuyến 973 Gò Chẩu khi có lắp DCL… 79

Bảng 4.8 Các chỉ tiêu độ tin cậy của xuất tuyến 973 Gò Chẩu khi có lắp DCL ……… 80

Bảng 4.9 Kết quả độ tin cậy của xuất tuyến 973 Sơn Dương khi có lắp DCL 80

Bảng 4.10 Các chỉ tiêu độ tin cậy của xuất tuyến 973 Sơn Dương khi có lắp DCL 81

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hàm tin cậy R(t)……… 15

Hình 1.2: Hàm cường độ hỏng hóc  (t)……… 16

Hình 1.3: Mô hình và giản đồ chuyển trạng thái 18

Hình 1.4: Mối liên hệ giữa các trạng thái của phần tử……… 21

Hình 1.5: Sơ đồ nối tiếp 23

Hình 1.6: Sơ đồ song song 23

Hình 1.7: Sơ đồ hỗn hợp 23

Hình 2.1: Sơ đồ lưới điện hình tia không phân đoạn……… 33

Hình 2.2: Sơ đồ lưới điện hình tia có nhánh rẽ được bảo vệ bằng cầu… 35

Hình 2.3: Sơ đồ lưới điện hình tia phân đoạn bằng dao cách ly, nhánh rẽ bảo vệ bằng cầu chì……… 37

Hình 2.4: Sơ đồ lưới điện hình tia phân đoạn bằng máy cắt……… 38

Hình 2.5: Sơ đồ lưới điện kín vận hành hở……… 40

Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống lưới điện song song……… 44

Hình 2.7: Thuật toán tìm ma trận đường nối……… 52

LỜI NÓI ĐẦU

Nhiệm vụ của hệ thống điện là sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đến các hộ tiêu thụ, trong đó phải đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng điện năng theo quy định và độ tin cậy cung cấp điện cung cấp điện hợp lý Độ tin cậy cung cấp điện cùng với chất lượng điện năng là hai chỉ tiêu quan trọng

để đánh giá về một hệ thống điện, mọi nghiên cứu, tính toán, các kỹ thuật và công nghệ áp dụng cho một hệ thống điện đều với mục đích đảm bảo hai chỉ tiêu này Khi quy hoạch, thiết kế và vận hành hệ thống điện, đảm bảo hệ thống điện được phát triển tối ưu và vận hành đạt hiệu quả kinh tế cao nhất Quá trình quy hoạch hệ thống điện được thể hiện trong phân bố và dự trữ công suất nguồn, công suất dự phòng, kết cấu lưới nhằm đảm bảo độ tin cậy cần thiết Việc tính toán độ tin cậy của hệ thống điện ngày càng được chú ý, rất nhiều công trình nghiên cứu đã cho phép đưa ra các thuật toán hiệu quả giải quyết triệt để việc tính toán độ tin cậy hệ thống điện và được áp dụng tính toán cho các lưới điện có cấu trúc khá phức tạp

Lưới điện trung áp cấp điện trực tiếp cho các phụ tải chiếm khối lượng đầu tư lớn (khoảng 15% tổng vốn đầu tư), tổn thất trên lưới điện này rất lớn Đặc biệt ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV lấy qua các trạm trung gian 35/6kV và 35/10kV không có hệ thống điều áp dưới tải(khoảng 40-50% tổn thất của hệ thống điện), độ tin cậy cung cấp điện kém, thường xuyên xẩy ra sự

cố, hỏng hóc cần được tính toán, đề nghị sử dụng các biện pháp nâng cao

độ tin cậy đảm bảo các tiêu chuẩn điện năng theo quy định

Từ những lý do đó, tác giả đã chọn đề tài "Đánh giá độ tin cậy của lưới điện trung áp, các biện pháp nâng cao độ tin cậy Áp dụng đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối tỉnh Tuyên Quang"

Phạm vi của đề tài: Nghiên cứu độ tin cậy lưới điện phân phối cung cấp

điện cho Tỉnh Tuyên Quang

Mục đích của đề tài: Trên cơ sở nghiên cứu xây dựng phương pháp tính

toán, đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối, áp dụng để tính toán và đánh giá độ tin cậy cho lưới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang trên cơ sở các

số liệu thống kê được từ thực tế vận hành Phân tích những nguyên nhân ảnh hưởng đến độ tin cậy của lưới điện phân phối nhằm đưa ra những giải pháp nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Lý thuyết về độ tin cậy đã

được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cơ khí, viễn thông, điện lực, các phương tiện vận tải Đối với hệ thống điện lý thuyết về

độ tin cậy đã đóng một vai trò rất quan trọng trong việc quy hoạch, xây dựng

và vận hành Việc nghiên cứu phương pháp tính toán, đánh giá độ tin cậy của lưới phân phối là rất cần thiết để từ đó đưa ra các giải pháp nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của xã hội Nội dung của đề tài là xây dựng phương pháp tính toán độ tin cậy lưới điện phân phối và áp dụng tính toán chọn lọc một số xuất tuyến của lưới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang Từ kết quả tính toán sẽ đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang so với các tỉnh khác trong khu vực miền Bắc, từ đó đi sâu phân tích những nguyên nhân ảnh hưởng đến độ tin cậy của lưới điện phân phối Đưa ra những giải pháp cụ thể nhằm nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối

Trong phạm vi đề tài, thực hiện các nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan về độ tin cậy của lưới điện phân phối

Chương 2: Phương pháp phân tính - Tính toán độ tin cậy của lưới điện phân phối

Chương 3: Tính toán - đánh giá - phân tích độ tin cậy của lưới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang

Chương 4: Áp dụng một số giải pháp nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối Tỉnh Tuyên Quang

Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực của bản thân, tác giả đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thầy, các Cô trong bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện và Khoa đào tạo Sau đại học Trường Đại học

Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của thầy PGS.TS Trần Bách

Mặc dù đã rất cố gắng, xong do hạn chế về trình độ, kiến thức, thời gian thực hiện nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót, khiếm khuyết,

em rất mong nhận được sự chỉ bảo, bổ xung của các Thầy, Cô

Em xin chân thành cảm ơn !

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

1.1 Tổng quan về lưới phân phối

1.1.1 Định nghĩa và phân loại

Lưới phân phối điện là một bộ phận 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

Nhiệm vụ của lưới phân phối là cấp điện cho phụ tải đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện trong giới hạn cho phép Tuy nhiên do điều kiện kinh tế và kỹ thuật, độ tin cậy của lưới phân phối cao hay thấp phụ thuộc vào yêu cầu của phụ tải và chất lượng của lưới điện phân phối

Lưới phân phối gồm lưới phân phối trung áp và lưới phân phối hạ áp Cấp điện áp thường dùng trong lưới phân phối trung áp là 6, 10, 15, 22 và 35kV Cấp điện áp thường dùng trong lưới phân phối hạ áp là 380/220V hay 220/110V

Lưới phân phối có tầm quan trọng cũng như có ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của hệ thống điện như:

- Trực tiếp cấp điện và đảm bảo chất lượng điện năng cho phụ tải (chủ yếu là điện áp)

- Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải Tỷ lệ điện năng bị mất (điện năng mất/tổng điện năng phân phối) do ngừng điện được thống kê như sau:

+ Do ngừng điện lưới 110kV trở lên : (0,1 - 0,3)x10-4

+ Do sự cố lưới điện trung áp : 4,5x10-4

+ Do ngừng điện kế hoạch lưới trung áp: 2,5x10-4

+ Do sự cố lưới điện hạ áp : 2,0x10-4

+ Do ngừng điện kế hoạch lưới hạ áp : 2,0x10-4

Điện năng bị mất do sự cố và ngừng điện kế hoạch trong lưới phân phối chiếm 98% Ngừng điện (sự cố hay kế hoạch) trên lưới phân trung áp có ảnh hưởng rất lớn đến các hoạt động kinh tế xã hội

- Chi phí đầu tư xây dựng lưới phân phối chiếm tỷ lệ lớn khoảng 50% của hệ thống điện (35% cho nguồn điện, 15% cho lưới hệ thống và lưới truyền tải)

- Tổn thất điện năng trong lưới phân phối lớn gấp 2-3 lần lưới truyền tải

và chiếm (65-70)% tổn thất toàn hệ thống

- Lưới phân phối gần với người sử dụng điện do đó vấn đề an toàn điện cũng rất quan trọng

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

- Theo đối tượng và địa bàn phục vụ:

+ Lưới phân phối thành phố

+ Lưới phân phối nông thôn

+ Lưới phân phối xí nghiệp

- Theo thiết bị dẫn điện:

+ Lưới phân phối trên không

+ Lưới phân phối cáp ngầm

- Theo cấu trúc hình dáng:

+ Lưới phân phối hở (hình tia) có phân đoạn, không phân đoạn

+ Lưới phân phối kín vận hành hở

+ Hệ thống phân phối điện

Tóm lại, do tầm quan trọng của lưới điện phân phối nên lưới phân phối được quan tâm nhiều nhất trong quy hoạch cũng như vận hành Các tiến bộ khoa học thường được áp dụng vào việc điều khiển vận hành lưới phân phối trung áp Sự quan tâm đến lưới phân phối trung áp còn được thể hiện trong tỷ

lệ rất lớn các công trình nghiên cứu khoa học được công bố trên các tạp chí khoa học

Để làm cơ sở xây dựng cấu trúc lưới phân phối về mọi mặt cũng như trong quy hoạch và vận hành lưới phân phối người ta đưa ra các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới phân phối Chất lượng lưới phân phối được đánh giá trên

3 mặt:

- Sự phục vụ đối với khách hàng

- Ảnh hưởng tới môi trường

- Hiệu quả kinh tế đối với cách doanh nghiệp cung cấp điện

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 đến đường 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

1.1.2 Phần tử của lưới điện phân phối

Các phần tử của lưới điện phân phối bao gồm:

- Máy biến áp trung gian và máy biến áp phân phối

- Thiết bị dẫn điện: Đường dây điện (dây dẫn và phụ kiện)

- Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét van, áp tô mát, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch

- Thiết bị điều chỉnh điện áp: Thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị lọc sóng hài bậc cao

- Thiết bị đo lường: Công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản kháng, đồng hồ đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lường

- Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù

- Thiết bị nâng cao độ tin cậy: Thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đường dây, kháng điện hạn chế ngắn mạch,

- Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo xa, thiết bị truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị thực hiện,

Mỗi phần tử trên lưới điện đều có các thông số đặc trưng (công suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt, ) được chọn trên cơ sở tính toán

kỹ thuật

Những phần tử có dòng công suất đi qua (máy biến áp, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, máy biến dòng, tụ bù, ) thì thông số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến thông số chế độ (điện áp, dòng điện, công suất) nên được dùng để tính toán chế độ làm việc của lưới điện phân phối

Nói chung các phần tử chỉ có 2 trạng thái: Làm việc và không làm việc Một số ít phần tử có nhiều trạng thái như: Hệ thống điều áp, tụ bù có điều khiển, mỗi trạng thái ứng với một khả năng làm việc

Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dưới tải) như: Máy cắt, áp tô mát, các thiết bị điều chỉnh dưới tải Một số khác có thể thay đổi khi cắt điện như: Dao cách ly, đầu phân áp cố định Máy biến áp và đường dây nhờ các máy cắt có thể thay đổi trạng thái dưới tải

Nhờ các thiết bị phân đoạn, đường dây điện được chia thành nhiều phần

tử của hệ thống điện

Không phải lúc nào các phần tử của lưới phân phối cũng tham gia vận hành, một số phần tử có thể nghỉ vì lý do sự cố hoặc lý do kỹ thuật, kinh tế khác Ví dụ tụ bù có thể bị cắt lúc phụ tải thấp để giữ điện áp, một số phần tử lưới không làm việc để lưới phân phối vận hành hở theo điều kiện tổn thất công suất nhỏ nhất

1.1.3 Cấu trúc và sơ đồ của lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối bao gồm:

- Các phần tử tạo thành lưới điện phân phối

- Sơ đồ lưới điện phân phối

- Hệ thống điều khiển lưới điện phân phối

Cấu trúc lưới điện phân phối bao gồm: Cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành

+ Cấu trúc tổng thể: Bao gồm tất cả các phần tử và sơ đồ lưới đầy đủ Muốn lưới điện có độ tin cậy cung cấp điện cao thì 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

Trong một chế độ vận hành nhất định chỉ cần một phần của cấu trúc tổng thể là đủ đáp ứng nhu cầu, ta gọi phần đó là cấu trúc vận hành Một cấu trúc vận hành gọi là một trạng thái của lưới điện

Có cấu trúc vận hành bình thường gồm các phần tử tham gia vận hành và các sơ đồ vận hành do người vận hành lựa chọn Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều kiện kỹ thuật, người ta phải 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 thì 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 bình 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 cần bảo dưỡng hay sự cố thì toàn lưới phân phối hoặc một phần lưới phân phối phải ngừng điện Đó là lưới phân phối hình tia không phân đoạn và hình tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt

+ Cấu trúc động không hoàn toàn: Trong cấu trúc này lưới điện phân phối có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức là trong khi lưới phân phối cắt điện để thao tác Đó là lưới điện phân phối có cấu trúc kín vận hành hở + Cấu trúc động hoàn toàn: Trong cấu trúc này lưới điện phân phối có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngay cả khi đang làm việc, đó là hệ thống phân phối điện

Cấu trúc động được áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung cấp điện Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh tế lưới điện phân phối, trong đó cấu trúc động không hoàn toàn và cấu trúc động hoàn toàn mức thấp cho phép vận hành kinh tế lưới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải thay đổi đáng kể Cấu trúc động ở mức cao cho phép vận hành lưới điện trong thời gian thực, lưới phân phối trong cấu trúc này phải được thiết kế sao cho có thể vận hành kín trong thời gian ngắn trong khi thao tác sơ đồ

- 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 tình huống cụ thể và tính 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 tính 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 tính cho phụ tải cuối cùng của trạng thái bão hoà Lưới phân phối phát triển luôn có các bộ phận bão hoà

1.1.4 Đặc điểm của lưới điện phân phối miền Bắc

Mạng lưới điện phân phối hiện nay bao gồm nhiều cấp điện áp: 35kV, 22kV, 10kV, 6kV bao gồm đường dây trên không và cấp ngầm Trong đó lưới điện 22kV chỉ mới được xây dựng tại một số tỉnh với khối lượng rất nhỏ Mạng lưới điện 35kV, 10kV, 6kV được sử dụng cả hai dạng: Đường dây cáp ngầm, đường dây trên không ( đường dây cáp ngầm chủ yếu xây dựng trong các thành phố ) Cả 3 hệ thống lưới điện 35kV, 10kV, 6kV đều thuộc loại lưới điện trung tính không nối đất trực tiếp, đa số thiết kế theo mạng hình tia, liên kết các đường dây còn yếu, độ linh hoạt kém, khi xẩy ra sự cố mất điện kéo dài

- Mạng lưới điện 35kV hiện có được thiết kế, sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn của Liên xô cũ Cấp điện áp 35kV vừa làm nhiệm vụ truyền tải điện thông qua các trạm trung gian 35/6-10kV vừa đóng vai trò phân phối cho các phụ tải qua các trạm 35/0,4kV Từ năm 1994, Bộ Năng Lượng ra quyết định không xây dựng mới các trạm trung gian 35/6-10kV thì lưới 35kV làm nhiệm vụ phân phối phát triểm mạnh ở các tỉnh miền núi: Nghệ An, Cao Bằng, Lai Châu Lưới 35kV phù hợp với các vùng có bán kính lớn, phụ tải rải rác ( vùng sâu, xa, miền núi ), sử dụng chủ yếu đường dây trên không loại AC-35 đến AC-150 với đặc điểm là bán kính cấp điện tương đối dài (100 -

120km), nhiều đường dây 35kV là đường cấp điện độc đạo nên độ tin cậy cung cấp điện không cao

- Mạng lưới điện 10kV xuất hiện ở miền Bắc sau năm 1954, hiện nay cùng với lưới 35kV Lưới 10kV phát triển rộng khắp các xã, huyện, thành phố

ở miền Bắc, tập trung chủ yếu ở miền đồng bằng, trung du Hiện tại, lưới điện 10kV có đường dây phát triển tương đối dài, dây dẫn chắp vá, dây dẫn chủ yếu sử dụng AC-35, AC-50, AC-70 gây tổn thất công suất, tổn thất điện áp lớn Tương lai lưới 10kV sẽ được xoá bỏ, cải tạo sang lưới 22kV

- Mạng lưới 6kV tồn tại từ thời Pháp thuộc và phát triển trong những thời kỳ đầu của mạng lưới điện Việt Nam và được sử dụng tại các thành phố lớn như Hà Nội, Hải Phòng, Nam Định (cách đây 30- 40 năm) Ngoài ra lưới điện 6kV còn phát triển tương đối mạnh ở Bắc Giang, Hà Tây, Phú Thọ, Quảng Ninh, Tuyên Quang chủ yếu tập trung ở các thị xã, thị trấn Lưới 6kV hiện nay đã trở nên cũ nát, chắp vá không đủ khả năng truyền tải công suất tới các hộ tiêu thụ điện, tỷ lệ tổn thât trên lưới cao, mức độ an toàn thấp Dây dẫn chủ yếu sử dụng loại AC-35 đến AC-120, có bán kính cấp điện lớn Lưới 6kV không phù hợp với sự gia tăng phụ tải, nhất là các thành phố lớn, trong tương lai lưới 6kV sẽ được xoá bỏ và cải tạo sang lưới 22kV

- Trạm biến áp phân phối miền Bắc: Trạm biến áp phân phối sử dụng các cấp điện áp 35-10-6/0,4kV sử dụng các loại máy 3 pha với công suất đặt: 50,

100, 160, 180, 250, 320, 560, 630, 1000kVA Các tỉnh có lưới điện phát triển sớm ở miền Bắc hầu như đều sử dụng các máy biến áp ba pha đặt trong trạm xây hoặc sử dụng trạm bệt, có công suất đặt lớn: 320, 400, 560kVA, các lưới mới xây dựng sử dụng các máy biến áp có công suất nhỏ 50, 75, 100kVA sử dụng kết cấu trạm treo trên hai cột bê tông ly tâm Các trạm biến

áp này có bán kính phụ tải lớn, thường xuyên xẩy ra quá tải, gây sự cố mất điện Các trạm biến áp đa số được cấp điện theo mạng hình tia, thiết bị cũ nát,

ít được duy tu bảo dưỡng nên khi xẩy ra sự cố thì thời gian mất điện thường kéo dài

1.2 Tổng quan về độ tin cậy cung cấp điện

1.2.1 Các khái niệm về độ tin cậy

Độ tin cậy là xác suất để hệ thống (hoặc phần tử) hoàn thành 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 một nhiệm vụ cụ thể, trong một thời gian nhất định và trong một hoàn cảnh nhất định

Mức đo độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời gian xác định và xác suất này được gọi là độ tin cậy của hệ thống hay phần tử

Đối với hệ thống hay phần tử không phục hồi, 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

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

Ngược lại với độ sẵn sàng là độ không sẵn sàng, nó là xác suất để hệ thống hoặc phần tử ở trạng thái hỏng

1.2.2 Độ tin cậy của hệ thống

Như đã giới thiệu ở phần trên, hệ thống điện là một hệ thống phức tạp, gồm nhièu 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 từng vùng hoặc toàn hệ thống Có thể chia thành 4 nhóm nguyên nhân gây mất điện như sau:

- Do thời tiết: Giông sét, lũ lụt, mưa, bão, lốc xoáy,

- Do hư hỏng các phần tử của hệ thống điện

lý rộng lớn và phức tạp

1.2.3 Độ tin cậy của phần tử

Độ tin cậy của phần tử có ý nghĩa quyết định độ tin cậy của hệ thống Các khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử cũng đúng cho hệ thống Do

đó nghiên cứu kỹ những khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử là điều rất cần thiết Ở đây sẽ xét cụ thể độ tin cậy của phần tử phục hồi và phần tử không phục hồi

1.2.3.1 Phần tử không phục hồi

Phần tử phục hồi chỉ làm việc đến phần hỏng đầu tiên Thời gian làm việc của phần tử từ lúc bắt đầu hoạt động cho đến khi hỏng hay còn gọi là thời

gian phục vụ T là đại lượng ngẫu nhiên, vì thời điểm hỏng của phần tử là ngẫu nhiên không biết trước

Ta có hàm phân bố là FT(t) 1:

FT(t) = P (T  t) (1.1)

P (T  t) là xác suất để phần tử làm việc từ thời điểm 0 đến thời điểm t bất kỳ; t là biến số Đó cũng là xác suất để phần tử hỏng trước hoặc đúng thời điểm t

Hàm mật độ là fT(t) 1:

) (

1 )

0

t t T t P t t

Theo lý thuyết xác suất ta có:

( ( ) (1.3)

dt

t t

f

T

) ( )

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

Hàm tin cậy R(t) có tính chất biến thiên từ 1 đến 0 (Hình 1.1)

Hình 1.1: Hàm tin cậy R(t)

- Cường độ hỏng hóc (t)

Cường độ hỏng hóc được định nghĩa như sau: Với t đủ nhỏ thì chính là xác suất để phần tử đã phục vụ đến thời điểm (t).t sẽ hỏng trong khoảng tiếp theo [3]

) ( 1

) ( )

(

) ( )

(

t

t t

R

t t

F

f f

T

T T







Công thức (1.6) cho quan hệ giữa các đại lượng: Hàm phân bố, hàm mật

độ, độ tin cậy và cường độ hỏng hóc

Nếu lấy logarit của R(t) rồi đạo hàm theo t, sẽ được [1]



 

t

dt t e t

)

) (



(1.7) Công thức (1.7) là công thức cơ bản cho phép tính được độ tin cậy của phần tử khi biết cường độ hỏng hóc của nó, còn cường độ hỏng hóc được xác định nhờ thống kê quá trình hỏng trong quá khứ của phần tử

Trong hệ thống điện thường sử dụng điều kiện đầu:

F(t)

R(t)

Luật phân bố này gọi là luật phân bố mũ

Thời gian làm việc trung bình [1]:

0

).

( )

( ).

(

dt

t dR t dt t f

t T LV

Với phần tử không phục hồi, độ tin cậy được mô tả nhờ hoặc là (t) hoặc

- Thời kỳ II: Thời kỳ làm việc bình thường của phần tử: (t) là hàng số

- Thời kỳ III: Thời kỳ già cỗi, (t) tăng dần

Hình 1.2: Hàm cường độ hỏng hóc (t)

Đối với các phần tử phục hồi như hệ thống điện, các phần tử này có các

bộ phận luôn bị già hóa, do đó (t) luôn là hàm tăng, bởi vậy người ta phải áp dụng biện pháp bảo dưỡng định kỳ làm cho cường độ hỏng hóc có giá trị quanh một giá trị trung bình tb(Hình 1.2b),

Khi xét khoảng thời gian dài, với các phần tử phục hồi có thể xem như

(t) là hằng số và bằng tb để tính toán độ tin cậy

1.2.3.2 Phần tử phục hồi

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

Trong thực tế, đây là các phần tử hỏng được thay thế rất nhanh bằng phần tử mới (ví dụ như MBA) Phần tử được xem như luôn ở trong trạng thái tốt Đại lượng đặc trưng cho hỏng hóc của loại phần tử này là:

Thông số của dòng hỏng hóc (t) [1]:

P t

0

 (hỏng xảy ra trong khoảng (t, t + t) (1.10)

So với định nghĩa (t), ở đây không đòi hỏi điều kiện phần tử phải làm việc tốt từ đầu cho đến t, mà chỉ cần thời điểm t nó đang làm việc, điều kiện này luôn đúng vì phần tử luôn làm việc, khi hỏng nó được phục hồi tức thời Tương tự như (t) đại lượng (t).t là xác suất để hỏng hóc xảy ra trong khoảng (t, t + t)

Với luật phân bố mũ, thông số dòng hỏng hóc (t) là hằng số và bằng cường độ hỏng hóc của phần tử: (t) =  [1]

Vì lý do này mà cường độ hỏng hóc và thông số của dòng hỏng hóc thường hiểu là một, trừ các trường hợp riêng khi thời gian làm việc không tuân theo luật mũ thì phải phân biệt

b Sửa chữa sự cố thực tế, thời gian phục hồi 

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

và trạng thái hỏng (Hình 1.3)

Nếu khởi đầu phần tử ở trạng thái làm việc, thì sau thời gian làm việc TLV, phần tử phần tử bị hỏng và chuyển sang trạng thái hỏng phải sửa chữa Sau thời gian sửa chữa xong , phần tử trở lại trạng thái làm việc

a)

b)

Hình 1.3: Mô hình và giản đồ chuyển trạng thái (LV-làm việc, H-hỏng)

Ta cũng giả thiết rằng sau khi sửa chữa sự cố, phần tử được phục hồi như mới Ở đây cần hai hàm phân bố xác suất: Hàm phân bố thời gian phần tử ở trạng thái làm việc FLV(t) và hàm phân bố thời gian phần tử ở trạng thái hỏng

FH(t) Đó là sự khác nhau cơ bản giữa phần tử không phục hồi và phần tử phục hồi (Đối với phần tử không phục hồi chỉ cần một hàm phân bố thời gian

là đủ) Để đánh giá về lượng độ tin cậy của phần tử phục hồi cần có hai đại lượng Các đại lượng và chỉ tiêu cần thiết để mô tả hành vi của phần tử phục hồi gồm:

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

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

P t

( 1

lim]

0Theo lý thuết xác suất: P(AB) = P(A/B)P(B), từ đây ta có:

(

).

( )

(

) ( )

( ).

(

t

t t LV

t X P

t t LV

t X P

LV t X H t t X P t t

P

q

LV H

- Thời gian làm việc trung bình là TLV

- Thời gian hỏng trung bình là 

- Thời gian trung bình một chu kỳ làm việc-hỏng là: TCK = TLV + 

T

LV LV CK

FT(t) = 1 - e-t (phân bố xác suất của thời gian làm việc)

F(t) = 1 - e-t (phân bố xác suất của thời gian hỏng hóc)

Trong đó



  1 là cường độ phục hồi,  là thời gian hỏng hóc trung bình

Áp dụng quá trình Markov cho sơ đồ (Hình 1.3), trong đó  và  chính

là cường độ chuyển trạng thái, sẽ tính được xác suất của trạng thái làm việc

T

T A

Q (khi TLV >> ,  << ) (1.12b) Khi đó:

LV LV

hệ thống điện, PLV thường có giá trị xấp xĩ 1, nên có thể coi gần đúng   Đối với phần tử phục hồi thường thống kê được:

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

  1

c Sửa chữa sự cố thực tế và bảo dưỡng định kỳ

Bảo dưỡng định kỳ được thực hiện vì nó làm giảm cường độ hỏng hóc, tăng thời gian làm việc trung bình của phần tử mà chi phí lại ít hơn nhiều so với sửa chữa sự cố

Nếu giả thiết thời gian bảo dưỡng định kỳ ĐK cũng tuân theo luật mũ thì

có thể áp dụng mô hình trên (Hình 1.4) Trong đó có ba trạng thái:

ĐK: Cường độ xảy ra bảo dưỡng đinh kỳ

ĐK: Cường độ bảo dưỡng định kỳ

Ta thấy khi phần tử đang bảo dưỡng định kỳ thì không thể xảy ra hỏng hóc, còn bảo dưỡng định kỳ không thể bắt đầu khi phần tử ở trạng thái hỏng Nếu giả thiết thêm rằng, thời gian giữa hai lần bảo dưỡng định kỳ TĐK cũng tuân theo luật mũ, thì có thể tìm được xác suất trạng thái bằng mô hình markov Giả thiết này không đúng thực tế, vì bảo dưỡng định kỳ được thực

hiện theo kế hoạch tiền định, tuy nhiên mô hình vẫn cho kết quả khá gần thực

tế và có thể rút ra từ đó nhiều kết luận hữu ích

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

K K

K

K

.

.

.

D D

D

D T

K

K

.

.

D D

D

D DK

K

K

.

.

.

D D

D

D H

.

D D H

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

Tương tư với PH, PĐK hay QĐK là:

K K K K

K

D D

D

D DK

PĐK còn gọi là hệ số bảo dưỡng định kỳ

Các biểu thức (1.14) và (1.15) cho phép tính được xác suất của trạng thái

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:

- Sơ đồ nối tiếp (Hình 1.5): Hệ thống hỏng khi có một phần tử hỏng

- Sơ đồ song song (Hình 1.6): Hệ thống hỏng khi tất cả các phần tử hỏng

- Sơ đồ hỗn hợp (Hình 1.7): Hệ thống thể hỏng khi một số phần tử hỏng Trên cơ sở phân tích sơ đồ độ tin cậy và các tính toán giải tích ta tính được các chỉ tiêu về độ tin cậy của hệ thống

1.3.2 Phương pháp không gian trạng thái

Phương pháp không gian trạng thái trong đó sử dụng quá trình ngẫu nhiên Markov là chính, 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 Trạng thái

hệ thống được xác định bởi tổ hợp các trạng thái của các phần tử, mỗi tổ hợp trạng thái của phần tử cho một trạng thái của hệ thống Phần tử có thể có

3

2

nhiều trạng thái khác nhau như: trạng thái tốt, trạng thái hỏng, trạng thái bảo dưỡng định kỳ do đó mỗi sự thay đổi trạng thái của phần tử đều làm cho hệ thống chuyển sang một trạng thái mới

- Tất cả các trạng thái có thể của hệ thống tạo thành không gian trạng thái, hệ thống luôn ở một trong các trạng thái này Do đó, tổng các xác suất trạng thái bằng 1

- Đối với hệ thống điện, sự chuyển trạng thái xảy ra khi xảy ra hỏng hóc hoặc phục hồi của các phần tử Với giả thiết thời gian làm việc và thời gian phục hồi của các phần tử tuân theo luật phân bố mũ, thì thời gian hệ thống ở các trạng thái và cường độ chuyển trạng thái không phụ thuộc thời gian cũng

sẽ tuân theo luật này, có thể áp dụng quá trình Markov đồng nhất Quá trình ngẫu nhiên Markov là đống nhất nếu thời gian hệ thống ở trạng thái bất kỳ tuân theo luật phân bố mũ với xác suất chuyển pij không phụ thuộc vào thời gian, pij gọi là cường độ chuyển trạng thái và được định nghĩa như sau:

Pij = lim

t



1(p[X(t+t) =

)

(t X

j

= i]) (1.16)

Đó là xác suất ở thời điểm t, hệ thống ở trạng thái i nhưng ở thời điểm t + t hệ thống chuyển sang trạng thái j, trong đó X chỉ trạng thái của hệ thống Quá trình ngẫu nhiên Markov có thể là:

+ Rời rạc trong không gian và liên tục trong thời gian

+ Rời rạc trong không gian và theo thời gian (xích Markov)

Ưu điểm của phương pháp không gian trạng thái là có thể xét các phần

tử có nhiều trạng thái khác nhau và với các giả thuyết nhất định có thể áp dụng phương pháp quá trình Markov một cách hiệu quả để tính xác suất trạng thái và tần suất trạng thái, từ đó tính được các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống

1.3.3 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 Boole Cơ sở cuối cùng để tính 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

1.3.4 Phương pháp mô phỏng Monte - Carlo

Phương pháp Monte - Carlo mô phỏng hoạt động của các phần tử trong

hệ thống như một quá trình ngẫu nhiên Nó tạo ra lịch sử hoạt động của các phần tử và của hệ thống 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 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 tích độ tin cậy của hệ thống điện Phương pháp cây hỏng hóc thích 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 Bài toán độ tin cậy của lưới điện sử dụng phương pháp không gian trạng thái phối hợp với phương pháp đồ thị - giải tích rất có hiệu quả Ở đây chúng ta sử dụng phương pháp đồ thị - giải tích cho việc đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối

Ưu điểm của phương pháp này là dễ sử dụng, có thể áp dụng cho các hệ thống rất phức tạp mà các phương pháp khác không áp dụng được Đối với hệ thống điện, phương pháp Monte - Carlo cho phép tính được ảnh hưởng của các hoạt động vận hành đến độ tin cậy của hệ thống, do đó phương pháp này ngày càng có ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu độ tin cậy của hệ thống điện

Nhược điểm của phương pháp này là đòi hỏi khối lượng tính toán lớn và kết quả có độ tán xạ rất cao

1.4 Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối

Các chỉ tiêu độ tin cậy lưới điện phân phối được đánh giá khi dùng 3 khái niệm cơ bản, đó là cường độ mất điện trung bình  (do sự cố hoặc theo

kế hoạch), thời gian mất điện (sửa chữa) trung bình t, thời gian mất điện hàng năm trung bình T của phụ tải

Tuy nhiên, những giá trị này không phải là giá trị quyết định mà là giá trị trung bình của phân phối xác suất, vì vậy chúng chỉ là những giá trị trung bình dài hạn Mặc dù 3 chỉ tiêu trên là quan trọng, nhưng chúng không đại diện một cách toàn diện để thể hiện độ tin cậy của hệ thống Chẳng hạn các chỉ tiêu trên được đánh giá không thể hiện được tương ứng với 1 khách hàng hay 100 khách hàng, tải trung bình tại điểm đánh giá là 10kW hay 10MW Để đánh giá được một cách toàn diện về sự mất điện của hệ thống, người ta còn đánh giá thêm các chỉ tiêu sau:

1.4.1 Tần suất mất điện trung bình của hệ thống, SAIFI (System average

interruption frequency index):

1.4.2 Tần suất mất điện trung bình của khách hàng, CAIFI (Customer

average interruption frequency index):

Tổng số lần mất điện của khách hàng

CAIFI =

Tổng số khách hàng bị ảnh hưởng

Chỉ tiêu này xác định số lần mất điện đối với khách hàng bị ảnh hưởng

1.4.3 Thời gian mất điện trung bình của hệ thống, SAIDI (System average

interruption duration index):

Tổng số thời gian mất điện của khách hàng Ti Ni

SAIDI = =

Tổng số khách hàng Ni

Ở đây Ti là thời gian mất điện trung bình hàng năm và Ni là số khách hàng của nút phụ tải thứ i Chỉ tiêu này xác định thời gian mất điện trung bình của một khách hàng trong một năm

1.4.4 Thời gian mất điện trung bình của khách hàng, CAIDI (Customer

average interruption duration index):

Tổng số thời gian mất điện của khách hàng Ti Ni

CAIDI = =

Tổng số lần mất điện của khách hàng i Ni

Ở đây i là cường độ mất điện, Ti là thời gian mất điện trung bình hàng năm và Ni là số khách hàng của nút phụ tải thứ i Chỉ tiêu này xác định thời gian mất điện trung bình của một khách hàng trong một năm cho một lần mất điện

1.4.5 Tổng thời gian mất điện trung bình của khách hàng, CTAIDI

(Customer total average interruption duration index):

Tổng số thời gian mất điện của khách hàng Ti Ni

CTAIDI = =

Tổng số khách hàng bị mất điện Ni

Ở đây Ti là thời gian mất điện trung bình hàng năm và Ni là số khách hàng của nút phụ tải thứ i Chỉ tiêu này xác định tổng thời gian mất điện trung bình của một khách hàng trong một năm

1.4.6 Độ sẵn sàng (không sẵn sàng) phục vụ trung bình, ASAI (ASUI)

(Average service availability (unavailability) index):

Số giờ khách hàng được cung cấp điện

1.4.7 Năng lƣợng không đƣợc cung cấp, ENS(Energy not supplied index)

ENS = Tổng số điện năng không được cung cấp bởi hệ thống

= Pi Ti

Ở đây Pi là tải trung bình được nối vào nút tải thứ i Chỉ tiêu này xác định sản lượng điện bị mất đối với hệ thống trong một năm

1.4.8 Điện năng trung bình không đƣợc cung cấp, AENS hay mất điện hệ

thống trung bình (Average Energy not supplied index):

Tổng điện năng không cung cấp được Pi Ti

1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy của lưới điện phân phối

- Độ tin cậy của các phần tử tạo nên lưới điện:

+ Chất lượng của thiết bị ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ hỏng hóc của lưới phân phối, thời gian phục hồi

+ Sửa chữa, duy tu bảo dưởng, trung đại tu thiết bị trong vận hành

+ Ngừng điện để thao tác đóng cắt, cải tạo, phát triển lưới điện

- Cấu trúc lưới điện: Sơ đồ cấu trúc lưới điện có ý nghĩa rất lớn đối với

độ tin cậy của lưới điện, ảnh hưởng đến khả năng thay đổi sơ đồ kết dây và dự phòng

+ Sự ghép nối giữa các phần tử trong lưới điện, hình dáng lưới điện + Khả năng thao tác và đổi nối trong sơ đồ (tự động hoặc bằng tay)

- Hệ thống tổ chức quản lý và vận hành:

+ Tổ chức và bố trí các đơn vị cơ động can thiệp khi sự cố

+ Tổ chức mạng lưới phục hồi sự cố và sửa chữa định kỳ

+ Dự trữ thiết bị, dự trữ nguồn

+ Cấu trúc và hoạt động của hệ thống điều khiển vận hành

+ Sách lược bảo quản định kỳ thiết bị

- Ảnh hưởng môi trường:

+ Phụ tải điện

+ Yếu tố thời tiết, khí hậu, nhiệt độ và độ ô nhiểm của môi trường

- Yếu tố con người: Trình độ của nhân viên quản lý vận hành, yếu tố kỹ thuật, tự động hoá vận hành

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH - TÍNH TOÁN

ĐỘ TIN CẬY CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

2.1 Phân phối xác suất của chỉ số tin cậy

Các chỉ số về độ tin cậy nêu ở chương 1 là những giá trị trung bình Vì

sự cố và quá trình phục hồi mang tính ngẫu nhiên, nên những chỉ số này đối với năm bất kỳ sẽ sai lệch xung quanh các giá trị trung bình này Sự sai lệch này được thể hiện bằng các phân phối xác suất và điều này có ích cho việc đánh giá hệ thống hiện tại và tiến trình nâng cấp trong tương lai

- Đối với cường độ mất điện : Thời gian mất điện thông thường được biểu thị dạng phân bố theo hàm mũ Cường độ mất điện của lưới điện hình tia chỉ phụ thuộc vào cường độ mất điện của các thành phần của lưới điện, không phụ thuộc vào thời gian khôi phục Do vậy thời gian khôi phục không ảnh hưởng phân bố cường độ mất điện Trong điều kiện này, cường độ mất điện của nút tải đối với hệ thống hình tia tuân theo phân bố Poisson, đó là xác suất xuất hiện n lần mất điện trong khoảng thời gian t:

(t)n.e-tP(n) = (2.1) n!

Biểu thức trên có thể dùng để đánh giá xác suất của bất kỳ số sự cố trong năm tại mỗi nút tải khi biết giá trị trung bình của cường độ mất điện  Giả sử cường độ mất điện trung bình của các nút tải A, B, C là 1; 1.2; 1.4 thì xác suất mất điện xuất hiện 0, 1, 2, 3, 4, 5 lần trong 1 năm tại các nút tải sẽ như Bảng 2.1

Bảng 2.1: Xác suất xuất hiện số lần mất điện

mũ Mặc dù thời gian ngừng cung cấp điện không theo qui luật phân phối gamma, cũng không theo phân phối xác suất nào đã biết sẵn, nhưng giá trị trung bình của thời gian mất điện vẫn có giá trị trong kỹ thuật đánh giá độ tin cậy của hệ thống phân phối và nó chỉ là sự phân bố xung quanh giá trị trung bình này

2.2 Các sơ đồ lưới điện dùng để tính toán độ tin cậy

Nhiều hệ thống phân phối được thiết kế và xây dựng theo dạng hình tia Một số hệ thống khác được xây dựng mạch vòng nhưng vận hành như mạng hình tia bởi các điểm thường mở Mục đích của những điểm thường mở là giảm đi sự mất điện của hệ thống, khi hệ thống bị sự cố hay trong quá trình

bảo dưỡng, điểm thường mở này có thể được đóng và điểm khác được mở để giảm tối thiểu tải tổng bị mất điện

Thực tế ở Việt Nam lưới điện phân phối hầu hết có dạng hình tia, trên trục chính và các nhánh rẽ có thể có hoặc không có các thiết bị đóng cắt Một trong những nhiệm vụ quan trọng của các thiết bị này là phân đoạn lưới điện nhằm hạn chế số lần và thời gian mất điện khi lưới điện bị sự cố hoặc sửa chữa Các thiết bị phân đoạn thường được sử dụng trên lưới điện gồm các loại chính sau:

- Máy cắt điện: Là một thiết bị dùng trong mạng điện cao áp để đóng, cắt

dòng điện phụ tải và cắt dòng điện ngắn mạch, có thể tự động đóng cắt hoặc điều khiển từ xa Khi mạng điện có sự cố máy cắt phân đoạn sẽ tự động tách đoạn bị sự cố ra khỏi mạng điện, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các hộ phụ tải ở các đoạn đường dây không bị sự cố Đây là loại thiết bị đóng cắt làm việc tin cậy, nhưng giá thành cao nên máy cắt chỉ được dùng ở những nơi quan trọng

- Dao cách ly: Là loại thiết bị có nhiệm vụ tạo ra một khoảng cách trông

thấy giữa bộ phận mang điện và bộ phận không mang điện nhằm đảm bảo an toàn khi công tác trên lưới điện Dao cách ly chỉ dùng để đóng, cắt khi không

có dòng điện Khi có sự cố trên đoạn đường dây, dao cách ly phân đoạn sẽ tách đoạn đường dây này ra khỏi mạng điện chính, đảm bảo cho các hộ phụ tải khác không bị ảnh hưởng và giúp cho việc xác định sự cố được tiến hành

dễ dàng Sau khi sự cố được khắc phục đoạn đường dây bị sự cố được đóng bằng tay vào mạng điện trở lại Cơ cấu phân đoạn này cũng được sử dụng để cắt điện khi sửa chữa định kỳ và kiểm tra thiết bị

- Cầu chì: Là một khí cụ điện dùng để bảo vệ khi có ngắn mạch trên lưới

điện Cầu chì là loại khí cụ bảo vệ đơn giản, rẻ tiền, nhưng độ nhạy kém Nó chỉ tác động khi dòng điện lớn hơn định mức nhiều lần, chủ yếu là khi xuất

hiện dòng điện ngắn mạch

Trong tính toán độ tin cậy, lưới điện hình tia gồm các phần tử mắc nối tiếp, nên các chỉ số trung bình cơ bản về độ tin cậy của hệ thống được tính như sau:

s = i (2.2)

Ts = i ti (2.3)

ts = Ts / s = ( i ti )/( i ) (2.4) Trong đó:

- i, s là cường độ mất điện trung bình của từng thành phần (đoạn lưới)

và của hệ thống trong một năm (lần/năm)

- ti, ts là thời gian mất điện trung bình của từng thành phần (đoạn lưới) và của hệ thống cho một lần mất điện (giờ/lần)

- Ts là thời gian mất điện trung bình năm của hệ thống

2.2.1 Sơ đồ lưới điện hình tia không phân đoạn

Xét sơ đồ lưới điện như Hình 2.1, các sự cố xảy ra trên mỗi đoạn 1, 2, 3,

4 hoặc trên các nhánh rẽ a, b, c, d đều làm máy cắt đầu nguồn tác động và toàn hệ thống sẽ bị mất điện Sau khi sự cố được khắc phục máy cắt sẽ được đóng lại để phục hồi việc cấp điện Trên cơ sở các số liệu về suất sự cố trung bình và thời gian mất điện trung bình ta tính được các chỉ tiêu về độ tin cậy cho các nút tải A, B, C, D và sẽ được kết quả các trị số , t, T ở các nút tải là như nhau