Bài báo trình bày phương pháp tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối mạch vòng, khi sự cố các phần tử bằng phương pháp trạng thái kết hợp với việc phân tích ảnh hưởng hỏng hóc các phần tử đến phụ tải thông qua trạng thái của các đường nối từ nguồn đến phụ tải.
26 Nguyễn Hữu Hiếu, Trịnh Trung Hiếu, Trần Tấn Vinh TÍNH TỐN CÁC CHỈ TIÊU ĐỘ TIN CẬY CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI MẠCH VỊNG KÍN – VẬN HÀNH HỞ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẠNG THÁI CALCULATING RELIABILITY INDICES OF OPEN - LOOP DISTRIBUTION NETWORKS BASED ON THE STATE METHOD Nguyễn Hữu Hiếu, Trịnh Trung Hiếu, Trần Tấn Vinh Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; nhhieu@dut.udn.vn Tóm tắt - Lưới điện phân phối cấu trúc mạch vòng kín – vận hành hở ngày phát triển nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải Để tính tốn độ tin cậy lưới phân phối mạch vòng, báo đề xuất sử dụng phương pháp trạng thái kết hợp với phân tích ảnh hưởng hỏng hóc phần tử đến phụ tải Mỗi trạng thái phần tử tương ứng với trạng thái cấp điện phụ tải (có điện mất điện), việc phân loại trạng thái thực thơng qua phân tích đường nối từ nguồn đến phụ tải Bằng cách hợp nhất trạng thái tính thơng số trạng thái cung cấp điện phụ tải Từ tính tiêu độ tin cậy lưới phân phối theo tiêu chuẩn IEEE-1366 Trên sở thuật tốn đề x́t, báo trình bày kết tính toán minh họa cho sơ đồ lưới phân phối mạch vòng 15 phụ tải, nguồn cung cấp chương trình tính tốn Matlab Abstract - The open-loop power distribution networks have been increasingly developing to improve the reliability of power supply to the load This research proposes a new scheme to calculate the reliability of the loop distribution networks The proposed scheme is developed by combining the use of the state method and the analysis of the components’ failure effect on the loads Each state of a component corresponds to a supply state of the loads (live or outage) and the classification of these states will be carried out by analyzing the path from the source to the load By combining the states, the supply state parameters of the loads are calculated From this, the distribution network’s reliability indices are calculated according to the IEEE-1366 standard With the proposed algorithm, the author has developed a Matlab-based program to calculate the reliability indices of a sample open-loop distribution network consisting of 15 loads, sources Calculation results are also presented in this article Từ khóa - độ tin cậy; lưới điện phân phối mạch vòng; thao tác đổi nối; phương pháp trạng thái; phân tích ảnh hưởng hỏng hóc Key words - reliability; open-loop distribution networks; switching operation; state method; analyse effects of component failures Đặt vấn đề Để nâng cao độ tin cậy, lưới điện phân phối có cấu trúc mạch vòng kín – vận hành hở ngày phát triển Ở chế độ làm việc bình thường, mạch vòng vận hành chế độ hở nên lưới phân phối mạch vòng vận hành xuất tuyến hình tia, xuất tuyến cung cấp từ nguồn riêng biệt Độ tin cậy LPP hình tia tính tốn phương pháp cấu trúc nối tiếp – song song phương pháp trạng thái xét đến trạng thái đổi nối, bảo quản định kỳ [1, 2, 3] Đối với lưới điện dạng mạch vòng, phần tử bị cố, để hạn chế phạm vi điện phải thực thao tác đổi nối sau cố bị cắt tác động bảo vệ rơ le Sau đổi nối số phụ tải bị điện xuất tuyến cung cấp điện trở lại nhờ chuyển sang nhận điện từ xuất tuyến khác Vì vậy, việc tính tốn độ tin cậy lưới phân phối mạch vòng phức tạp lưới hình tia Bài báo trình bày phương pháp tính tốn tiêu độ tin cậy cung cấp điện lưới điện phân phối mạch vòng, cố phần tử phương pháp trạng thái kết hợp với việc phân tích ảnh hưởng hỏng hóc phần tử đến phụ tải thơng qua trạng thái đường nối từ nguồn đến phụ tải Lưới điện phân phối mạch vòng thao tác đổi nối Xét sơ đồ lưới điện phân phối gồm: 15 phụ tải, nguồn cung cấp, xuất tuyến XT1 XT2 liên kết với theo dạng mạch vòng Hình Bình thường mạch vòng vận hành hở: Tất máy cắt dao cách ly phân đoạn xuất tuyến đóng; riêng hai dao cách ly liên lạc (31) (32) mở Nếu xuất tuyến khơng có liên kết vòng, cố phần tử đường dây (12), máy cắt (1) đầu nguồn N1 cắt ra; tất phụ tải xuất tuyến XT1 (nhận điện từ N1) bị điện Để hạn chế phạm vi điện, thực thao tác cắt dao cách ly (11) đóng lại MC (1), thời gian sửa chữa đường dây cố (12) phụ tải PT4, PT7, PT8 PT9 bị điện Hình Sơ đồ lưới điện phân phối dạng mạch vòng – vận hành hở, có 15 phụ tải, nguồn cung cấp [4] Tuy nhiên, lưới có khép mạch vòng nên tiếp tục thao tác đổi nối sau: Cắt dao cách ly (13), cắt MC (19), đóng dao liên lạc (32) đóng lại MC (19) Lúc phụ tải PT7, PT8 PT9 cung cấp điện trở lại, PT4 điện Như vậy, thời gian đổi nối, phụ tải xuất tuyến XT1 điện, sửa chữa đường dây (12) có phụ tải PT điện ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN Tính tốn độ tin cậy phụ tải lưới phân phối 3.1 Mơ hình trạng thái phần tử CAIDI = C pt f pt mđ pt Tmđ pt Cpt f mđ pt = 27 SAIDI (h ) SAIFI (7) pt a) b) Hình Mơ hình hai (a) ba trạng thái (b) phần tử Mỗi phần tử lưới phân phối biểu diễn mơ hình trạng thái (trạng thái bình thường N trạng thái hỏng R), mô hình trạng thái (trạng thái bình thường N, trạng thái đổi nối S trạng thái sửa chữa R) cố phần tử có thực thao tác đổi nối để giảm phạm vi điện trình sửa chữa [3] Đối với phần tử có mơ hình trạng thái Hình 2.a, xác suất trạng thái [2, 3]: + PR = TR PN = ; PN = + Tần suất trạng thái: T P P f R = R = R N = PN TR TR Trong đó: Cpt, fmđ pt, Tmđ pt số lượng khách hàng, tần suất điện, thời gian trung bình lần điện nút phụ tải (pt) 3.3 Thuật tốn tính tốn độ tin cậy lưới phân phối mạch vòng Độ tin cậy lưới điện phân phối mạch vòng tính tốn từ tiêu độ tin cậy nút phụ tải Thuật tốn tính Hình (1) (2) Trong đó: λ μ cường độ cố cường độ phục hồi phần tử; TN TR thời gian làm việc an toàn thời gian sửa chữa (phục hồi) trung bình phần tử Đối với phần tử có mơ hình trạng thái Hình 2.b Xác suất trạng thái [2, 3]: PS = 1 PN = TSPN ; PR = PN = TR PN S PN = 1 + (TR + TS ) (3) −1 Tần suất trạng thái: fS = PS P = PN ; f R = R = PN TR TS (4) Với TS thời gian đổi nối trung bình phần tử Mỗi trạng thái phần tử tương ứng với trạng thái nút phụ tải: cung cấp điện (gọi trạng thái tốt TTT) bị điện (gọi trạng thái hỏng TTH) Ảnh hưởng trạng thái phần tử đến trạng thái nút phụ tải LPP mạch vòng trình bày Mục 3.2 Các tiêu độ tin cậy lưới điện phân phối Các tiêu độ tin cậy lưới điện phân phối theo tiêu chuẩn IEEE-1366 tính dựa vào thơng số trạng thái nút phụ tải theo biểu thức sau [5]: C f SAIFI = C pt mđ pt pt (1/năm) (5) (h) (6) pt pt C f T SAIDI = C pt mđ pt pt pt pt mđ pt Hình Thuật tốn tính tốn độ tin cậy LPP mạch vòng Khi lưới phân phối có N phần tử, gồm N1 phần tử trạng thái N phần tử trạng thái Hình sơ đồ trạng thái lưới phân phối có [1+N1+2N2] trạng thái Nếu xét thêm điện bảo quản định kỳ phần tử sơ đồ có thêm N trạng thái kM (với k = 1: N) Xác suất trạng thái N hệ thống bằng: PN = 1+ i TRi + iN1 jN ( jTSj + jTRj ) + Mk TMk (8) kN Thông số trạng thái iR, jR, jS, kM tính theo biểu thức (1)→ (4) Hợp trạng thái điện (TTH) cho phép tính xác suất Pmđpt, tần suất fmđpt thời gian trạng thái điện Tmđpt nút phụ tải Sử dụng biểu thức (5) - (7) tính tiêu SAIFI, SAIDI, CAIDI lưới phân phối mạch vòng 28 Nguyễn Hữu Hiếu, Trịnh Trung Hiếu, Trần Tấn Vinh Thuật tốn phân tích ảnh hưởng trạng thái phần tử đến phụ tải Mỗi phần tử thay đổi trạng thái tương ứng với trạng thái phụ tải: có điện điện Để phục vụ công tác vận hành, phục vụ cho tốn tính tốn độ tin cậy cung cấp điện lưới điện phân phối cần phải đánh giá ảnh hưởng Đối với lưới điện đơn giản, phân tích trực quan sơ đồ Tuy nhiên, đồ phức tạp, kích thước lớn phương pháp để phân tích ảnh hưởng trạng thái phần tử đến trạng thái cấp điện phụ tải dựa vào trạng thái đường nối từ nguồn đến phụ tải Trong lưới phân phối mạch vòng phụ tải có nhiều đường nối từ nguồn khác Phụ tải cung cấp điện đường nối kín mạch, ngược lại phụ tải bị điện đường nối bị đứt LPP tính tốn sở đảm bảo yêu cầu giảm phạm vi điện đến mức nhỏ nhất, đảm bảo ràng buộc an toàn lưới điện Mỗi phương thức thao tác sơ đồ vận hành thiết bị liên lạc phân đoạn tương ứng với sơ đồ vận hành hình tia Vì đường nối sơ đồ tính lưới hình tia theo thuật tốn Hình Hình Thuật tốn tìm đường nối từ nguồn đến nút phụ tải lưới điện phân phối Hình Thuật tốn phân tích ảnh hưởng trạng thái S phần tử đến trạng thái cấp điện phụ tải Thuật tốn phân tích ảnh hưởng trạng thái S phần tử đến tình trạng cung cấp điện cho phụ tải lưới điện phân phối có cấu trúc mạch vòng kín – vận hành hở Hình Thuật tốn dùng để phân tích trạng thái R, M phần tử, khác dùng vùng sửa chữa vùng bảo quản thay cho vùng bảo vệ 4.1 Đường nối từ nguồn đến phụ tải Trong thực tế lưới phân phối mạch vòng vận hành chế độ hở, xuất tuyến có dạng hình tia Phương thức thao tác thiết bị liên lạc phân đoạn (như dao cách ly, recloser, LBS,…) có cố nguồn phần tử Ví dụ sơ đồ Hình 1, phụ tải PT4 có đường nối là: D1 = {1, 2, 3, 11,12}; D2 = {1, 2, 3, 4, 5, 10, 31, 20, 25, 24, 23, 22, 27, 28, 29, 30 ,32, 18, 17, 14, 13}; D3 = {19, 20, 21, 27, 28, 29, 30 ,32, 18, 17, 14, 13}; D4 = {19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 31, 10, 5, 4, 11, 12} 4.2 Vùng bảo vệ Vùng bảo vệ (VBV) phần tử tập hợp nhánh (phần tử) LPP bị cắt khỏi lưới điện tác động BVRL phần tử bị cố Ở chế độ bình thường LPP mạch vòng vận hành hở nên VBV xác định giống lưới điện hình tia [3] Trong sơ đồ Hình 1, bình thường dao liên lạc (31) (32) thường mở nên vùng bảo vệ phần tử xuất tuyến XT1 (nhận điện từ nguồn N1) toàn XT1 vùng bảo vệ phần tử xuất tuyến XT2 (nhận điện từ nguồn N2) tồn XT2 Ví dụ, vùng bảo vệ phần tử (12) (22) : VBV(12) = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18}; VBV(22) = {19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30} 4.3 Vùng sửa chữa Vùng cắt điện sửa chữa (VCĐ) phần tử tập ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN hợp phần tử bị cắt khỏi LPP trình sửa chữa phần tử cố Đối với lưới điện hình tia nguồn cung cấp, vùng sửa chữa xác định tập hợp nhánh nằm sau thiết bị phân đoạn cắt sau máy cắt đầu tuyến bị cắt BVRL Trong lưới mạch vòng, theo phương thức thao tác đổi nối có phần xuất tuyến chuyển tải sang nguồn khác Vì vùng sửa chữa thu hẹp so với hình tia xác định phức tạp 29 5.1 Dữ liệu 5.1.1 Các nhánh đường dây lưới phân phối Bảng Số liệu nhánh đường dây Nhánh số Nút đầu Nút cuối Chiều dài (km) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 12 15 16 18 21 23 25 27 30 31 10 11 13 16 17 19 22 24 26 28 31 32 2.00 1.00 3.00 3.00 2.00 3.00 3.00 2.00 1.00 5.00 2.00 4.00 3.00 2.00 3.00 5.1.2 Phương thức thao tác đổi nối Phương thức thao tác thiết bị đóng cắt liên lạc lưới phân phối mạch vòng kín vận hành hở tính tốn ngun tắc giảm thiểu phạm vi điện đảm bảo an toàn vận hành nguồn lưới điện [4] Giả thiết khả tải lưới điện công suất nguồn đảm bảo cung cấp cho toàn phụ tải, phương thức thao tác đổi nối có cố phần tử Bảng Bảng Phương thức thao tác đổi nối cố phần tử Hình Thuật tốn tìm vùng sửa chữa lưới phân phối mạch vòng – vận hành hở Ví dụ, xét cố phần tử (12) XT1, vùng điện sau mở dao cách ly (11) VCĐ1 = {11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18}, xác định giống lưới hình tia Sau thao tác đổi nối dao cách ly phân đoạn thứ hai DCL (13) cắt, MC2 DCL liên lạc (32) đóng vùng khơi phục cấp điện trở lại VKP = {14, 15, 16, 17, 18} Do đó, vùng cắt điện để sửa chữa phần tử (12) VCĐ2 = VCĐ1 – VKP = {11, 12, 13} Tổng qt, thuật tốn tìm vùng sửa chữa sau thao tác đổi nối LPP phần tử cố trình bày Hình Tính tốn áp dụng Dựa vào thuật tốn trình bày, tác giả xây dựng chương trình Matlab để tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối mạch vòng kín – vận hành hở sử dụng sơ đồ Hình để tính tốn minh họa với kết sau Nhánh cố DCL cắt thứ nhất DCL cắt Thêm DCL liên lạc đóng 1, - 11 31 32 - 11 31 32 11 31 32 11 32 - - 7, - - - - 10 - - 11 13 31 32 12 11 13 32 13 11 17 32 14 13 17 32 15 13 17 32 16 15 - - 17 13 - - 18 17 - - 19 - 21 27 31 32 20 - 21 27 31 32 21 - 23 27 31 32 22 21 23 27 31 32 30 Nguyễn Hữu Hiếu, Trịnh Trung Hiếu, Trần Tấn Vinh 23 21 25 27 31 32 24 23 25 31 25 23 - - 26 25 - - 27 21 23 29 31 32 28 29 30 31 32 27 27 29 17 29 25 29 32 - 5.1.3 Số liệu độ tin cậy phần tử Cường độ cố: đường dây λ0 = 0,2 (1/năm.km), thiết bị đóng cắt λ0 = 0,04 (1/năm) Thời gian sửa chữa: đường dây TR = h, thiết bị đóng cắt TR = h Cường độ bảo quản định kỳ (BQĐK): đường dây λ0M = 0,3 (1/năm.km), thiết bị đóng cắt: λ0M = 0,5 (1/năm) Thời gian BQĐK trung bình đường dây: TM = h; thiết bị đóng cắt TM = h Thời gian đổi nối: TS = 0,5 h Số lượng khách hàng phụ tải: 50 5.2 Kết Bảng Các tiêu độ tin cậy nút phụ tải Phụ tải số Xác suất mất điện (10-3) Tần suất mất điện (1/năm) Thời gian mất điện (phut/năm) 0,000362 4,43 190,34 0,000326 4,43 171,19 0,000371 4,43 195,13 0,000408 4,43 214,28 0,000517 4,43 271,74 0,000654 4,43 343,57 0,000417 4,43 219,07 0,000508 4,43 266,95 0,000326 4,43 171,19 10 0,000476 4,03 250,20 11 0,000348 4,03 183,16 12 0,00043 4,03 226,25 13 0,000376 4,03 197,52 14 0,000339 4,03 178,37 15 0,000376 4,03 197,52 Kết tiêu độ tin cậy LPP mạch vòng: SAIFI(1/năm) SAIDI(phút) CAIDI(phút) Sự cố 4,27 218,4 51,2 Sự cố BQĐK 14,47 1.056,0 73,0 Nếu LPP hình tia khơng có liên kết vòng: SAIFI(1/năm) SAIDI(phút) CAIDI(phút) Sự cố 4,27 328,1 76,8 Sự cố BQĐK 14,47 1.781,7 123,0 Nhận thấy lưới phân phối có liên kết mạch vòng độ tin cậy lưới điện cao so với lưới hình tia Kết luận Bằng phương pháp không gian trạng thái kết hợp với phân tích ảnh hưởng trạng thái phần tử đến trạng thái đường nối từ nguồn đến phụ tải, tính tốn tiêu độ tin cậy lưới điện phân phối mạch vòng kín – vận hành hở xét đến trường hợp điện cố hay cắt điện kế hoạch để bảo quản định kỳ phần tử lưới Thuật tốn chương trình tính tốn Matlab xây dựng sử dụng để tính tốn độ tin cậy cho lưới điện phân phối mạch vòng thực tế, phục vụ cho cơng tác vận hành tốn tối ưu hóa nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng đề tài mã số B2016-DNA-47-TT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Bách, Lưới điện Hệ thống điện, tập II, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2000 [2] J Endrenyi, Reliability Modelling in Electric Power Systems, John Wiley & Sons, 1978 [3] Trần Tấn Vinh, “Tính tốn tiêu độ tin cậy hệ thống điện phân phối dựa trạng thái phần tử”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ ĐHĐN, Số 05(90), 2015 [4] Ali A Chowdhury, Don O.Koval, “Power Distribution System Reliability, Practical Methods and Applications”, Wiley & Sons, 2009 [5] IEEE Std 1366-1998, IEEE Trial-Use Guide for Electric Power Distribution Reliability Indices, Institute of Electrical and Electronics Engeneers, Inc, 1999 (BBT nhận bài: 12/11/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/11/2018) ... tần suất điện, thời gian trung bình lần điện nút phụ tải (pt) 3.3 Thuật tốn tính tốn độ tin cậy lưới phân phối mạch vòng Độ tin cậy lưới điện phân phối mạch vòng tính tốn từ tiêu độ tin cậy nút... phụ tải LPP mạch vòng trình bày Mục 3.2 Các tiêu độ tin cậy lưới điện phân phối Các tiêu độ tin cậy lưới điện phân phối theo tiêu chuẩn IEEE-1366 tính dựa vào thơng số trạng thái nút phụ tải... tốn tính tốn độ tin cậy LPP mạch vòng Khi lưới phân phối có N phần tử, gồm N1 phần tử trạng thái N phần tử trạng thái Hình sơ đồ trạng thái lưới phân phối có [1+N1+2N2] trạng thái Nếu xét thêm điện