Phân tích độ tin cậy lưới điện trung áp sử dụng phương pháp cây sự cố

Bài báo trình bày cách xây dựng cây sự cố, viết hàm cấu trúc, phân tích định tính, định lượng, thành lập ma trận và phân tích độ tin cậy cho lưới điện phân phối trung áp, sử dụng sơ đồ IEEE RBTS 2 thanh cái để tính toán và đối chiếu với kết quả phương pháp khác.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP CÂY SỰ CỐ DISTRIBUTION GRID RELIABILITY ANALYSIS USING FAULT TREE METHOD Lê Xuân Sanh Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 14/11/2017, Ngày chấp nhận đăng: 18/12/2017, Phản biện: TS Nguyễn Đức Huy Tóm tắt: Phương pháp sơ đồ cố (fault tree analysis - FTA) kỹ thuật suy diễn đư c s d ng rộng r i phổ bi n ph n t ch độ tin cậy c hệ thống FT ph h p để phân tích hệ thống phức tạp hệ thống phân phối điện Phương pháp đạt hiệu thành lập cố (hỏng hóc) cần phải có q trình phân tích nhận dạng sâu sắc hệ thống Bài báo trình bày cách xây dựng cố, vi t hàm cấu trúc ph n t ch định t nh định lư ng, thành lập ma trận phân t ch độ tin cậy cho lưới điện phân phối trung áp, s d ng sơ đồ IEEE RBTS th nh để tính tốn đối chi u với k t phương pháp khác Từ khóa: Cây cố độ tin cậy lưới điện phân phối, nguyên nhân hỏng hóc Abstract: The fault tree analysis (FTA) method is a constructive technology, widely and popularly used for analyzing the reliability of power system FTA is suitable for analyzing complex systems such as power distribution system The effectiveness method with fault tree (failure) establishment need a deep analysis and identification process in the power systems This paper presents step by step in fault tree contruction, structural function constitute, quantitative and qualitative analyzis, in order to establish the matrix and to calculate reliability for the medium voltage distribution grid using the IEEE RBTS two bars scheme in comparison with other method results Keywords: Distribution system, fault tree, failure cause, reliability GIỚI THIỆU Độ tin cậy lưới điện phân phối ảnh hưởng trực tiếp đến việc cung cấp điện cho khách hàng Hiện có số phương pháp để đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối phương pháp đồ thị giải tích, phương pháp khơng gian trạng Số 15 tháng 2-2018 thái, phương pháp Monte-Carlo, nhiên phương pháp có ưu nhược điểm phù hợp với đối tượng riêng [1] Lưới điện phân phối lưới có cấu trúc phức tạp, nhiều phần tử, phần tử cố ảnh hưởng đến phần tử khác, nên FTA phương pháp phù hợp để TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) phân tích độ tin cậy cho lưới điện phân phối Nội dung báo thể sử dụng phương pháp FTA để xây dựng tính tốn cho lưới phân phối điểm so với viết khác Phương pháp cố phát triển từ năm 60 kỉ XX, FTA lấy phương pháp phân tích ảnh hưởng cố làm bản, tiến hành phân tích nhân tố phát sinh cố hệ thống (hoặc sản phẩm), từ xác định nguyên nhân cố từ tất phương pháp tổ hợp xác suất phát sinh [2] FTA đặt trạng thái đối tượng để tiến hành phân tích, dùng kí hiệu (hình ảnh) để diễn dịch rõ nét chi tiết cố quan hệ khoảng cố hệ thống, từ tìm điểm yếu hệ thống Thơng qua phân tích định lượng cố tính tốn độ tin cậy NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Cây cố Cây cố kỹ thuật suy luận nguyên nhân gây ngưng hoạt động hệ thống, bắt đầu hỏng hóc cố đặc biệt, gọi đỉnh kiện Các kiện nguyên nhân trung gian, đơn lẻ kết hợp kết nối đến kiện đỉnh thông qua cổng logic [2] Việc xây dựng cố giúp người vận hành hệ thống tìm phần tử đóng vai trò trọng yếu hệ thống tìm lỗi nhanh trường hợp hệ thống gặp cố thông qua hàm cấu trúc [3], bước phân tích độ tin cậy phương pháp cố hình Xác định đỉnh kiện Xây dựng cố Phân tích định lượng Giản lược cố Phân tích định tính Hình Các bƣớc phƣơng pháp cố 2.2 Hàm cấu trúc Hàm số cố sử dụng để miêu tả trạng thái kết cấu hệ thống Đại lượng biến đổi hàm số trạng thái thiết bị hệ thống, đỉnh kiện cố cố hệ thống, khuôn khổ báo nghiên cứu hai loại trạng thái cố trạng thái bình thường cố Dùng hàm số Φ(X) = Φ (x1, x2, …, xn) để miêu tả trạng thái đỉnh kiện, tức giá trị Φ(X) “1” biểu thị phát sinh cố, lấy giá trị “0” biểu thị không phát sinh cố Trong cố trạng thái tĩnh thông thường hàm “và” hàm “hoặc”, viết sau: (1) Phương trình hàm “và”: n ( x)   xi (1) i 1 Nhận thấy, cần xi = 0, Φ(X) = 0, biểu thị hệ thống vận hành bình thường (2) Phương trình hàm “hoặc”: n ( x)    (1 xi ) i1 (2) Nhận thấy, cần xi = 1, Φ(X) = 1, biểu thị phần tử cố hệ thống cố [3] Số 15 tháng 2-2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 2.3 Phƣơng pháp xây dựng cố cho lƣới điện phân phối Sự cố phụ tải A Giả sử, xây dựng cố cho lưới điện phân phối trung áp (hình 2) L1 L2 L3 L4 Hình Cây cố phụ tải A 2.4 Phân tích cố 2.4.1 Phân tích định tính cố Hình Sơ đồ lƣới phân phối trung áp Các bước thực hiện: Trước tiên phải chọn lựa đỉnh kiện, tức lựa chọn cố không mong muốn xảy hệ thống, sau tìm tất ngun nhân trực tiếp có khả dẫn đến phát sinh cố này, vào mối quan hệ chúng, dùng hàm logic để biểu thị; sau phân tích tất cố đầu vào có liên quan trực tiếp đến cố Nếu cố phân tích tiếp coi cố đầu cấp dưới, tất cố đầu vào khơng thể phân tích tiếp Ví dụ trên, hệ thống gồm đoạn trục L1, L2 L3; phân nhánh, L4, L5, L6, dao cách ly Lấy cố điểm phụ tải A làm đỉnh kiện, tất ngun nhân có khả gây nên cố A là: đường trục L1; nhánh L4; cắt dao cách ly Mà dao cách ly bị cắt đoạn L2 L3 điện gây nên Nếu không xét đến cố máy cắt đóng máy cắt (dao) liên lạc thất bại, cố điểm phụ tải A thể hình Số 15 tháng 2-2018 Phân tích định tính cố tìm tất cố có khả phát sinh, tìm tất lát cắt tối thiểu Lát cắt tập hợp đường cung tạo thành từ sơ đồ cung tròn [4] Hình Mạng tìm kiếm dạng cầu Sử dụng phương pháp ma trận đường dẫn tối thiểu để tìm ma trận lát cắt tối thiểu, (hình 4), điểm đầu vào tìm kiếm đến nút đầu ra, tìm tìm kiếm hình Ta có đường dẫn tối thiểu mạng cầu là: {ADG}, {BEH}, {ACEH}, {BEFG}, {BCDG}, {ACEFG}, {BCDFH} Hình Cây tìm kiếm dạng hình cầu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Ma trận đường dẫn tối thiểu mạng là: A B C D E F G H S= (3) [ ] Tiếp theo tìm lát cắt tối thiểu bậc một, hai, ba Do xác suất phát sinh cố bậc cao hệ thống phân phối điện xảy tương đối ít, lại nhạy cảm với cố bậc một, giản lược cố dừng hoạt động bậc ba trở lên Bộ cắt biểu thị thành hình thức ma trận Trong trường hợp ma trận cắt C viết thành: A B C D E F G H 2.4.2 Phân tích định lượng cố Trong lát cắt tối thiểu C = {x1, x2,…xn}, xi biểu thị lát cắt tối thiểu thứ i, bao hàm lẫn nhau, tức xác suất điện hệ thống là: P(S )  P(x1 x2 xn) n (5) n   P {xi}  P{xi x j} (1)n1P{xi x j xn} i1 i, j2 Đối với sơ đồ khối độ tin cậy hình 6, giả sử xác suất cố phần tử 0.02, 0.03, 0.05, 0.1, phần tử điện cố độc lập, công thức tính xác suất phát sinh cố (6) P(T )  P(L L L L )  P(L )  P(L ) 1  P(L )  P(L )  P(L L )  P(L L )  P(L L )  P( L L ) 4 P(L3L )  P(L L )  P( L L L )  P( L L L ) 4  P(L L L )  P(L2L L )  P( L L L L )  0.18723 4 (6) Thiết lập hàm số mức độ không độ tin cậy g(Q(x)) hệ thống, mức độ quan trọng xác suất tính theo công thức (7) g (Q ( x )) P I r  i Qi ( x ) C= (4) (7) Ta có kết quả: g 1 Q2  Q3  Q4  Q2Q3  Q3Q4 Q1 Q2Q4  Q2Q3Q4  0.83 I1Pr  [ ] Theo hình 3, từ lý luận lát cắt tối thiểu {L1}, {L2}, {L3}, {L4} [5], ta có sơ đồ khối (đẳng trị) tương đương độ tin cậy gồm bốn khối nối tiếp (hình 6) L1 L2 L3 L4 Hình Sơ đồ đẳng trị độ tin cậy lƣới phân phối I 2Pr  I 4Pr  g g  0.84; I3Pr   0.86 Q2 Q3 g  0.90 Q4 (8) Từ kết trên, thấy phần tử có mức độ quan trọng xác suất cao Biểu thị khả gây cố hệ thống phần tử lớn nhất, phần tử Số 15 tháng 2-2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) liên kết yếu hệ thống, tiến hành cải tiến phần tử vấn đề then chốt nhằm nâng cao độ tin cậy hệ thống phương trình (10) PN  (R / R  M / M  1) 2.4.3 Mơ hình đánh giá độ tin cậy tiêu độ tin cậy lưới phân phối Trong hệ thống phân phối điện, áp dụng mơ hình ba trạng thái để mơ (hình 7), trạng thái bình thường dùng N để biểu thị; R đối ứng cố trạng thái khôi phục, kế hoạch sửa chữa dùng M để biểu thị λR, λM tần suất cố tần suất kế hoạch sửa chữa; μR μM biểu thị tần suất chuyển đổi từ trạng thái cố sang trạng thái hoạt động bình thường tần suất chuyển đổi từ trạng thái sửa chữa sang trạng thái làm việc bình thường N μR μM λM PM  M * PN M PR  R * PM R { (10) Chỉ tiêu độ tin cậy điểm phụ tải dựa vào số: tần suất cố năm, λ(lần/a); thời gian bình quân lần cố, γ(h/lần); thời gian cố bình quân năm U (h/a) [6]: n n  i 1     i ;   i i i 1 n i 1 n U   i i ; i 1 (11) i Đối với hai thành phần sửa chữa song song, tiêu độ tin cậy phụ tải là:   12 (   ) ;    1 ; U   M (12) 1   λR R Hình Mơ hình ba trạng thái Thiết lập xác suất làm việc bình thường, kế hoạch sửa chữa trạng thái phục hồi dừng vận hành cố PN, PM, PR, tổng chúng 1, công thức (9) PN  PM  PN  (R * M )* PN  R * PR  M * PM  R PN  R * PR  M * PN  M * PM  Từ tìm số tin cậy hệ thống áp dụng số [7], là: tần suất ngừng cấp điện trung bình (SAIFI); thời gian ngừng cấp điện trung bình (SAIDI); tần suất ngừng cấp điện bình quân khách hàng (CAIFI); thời gian ngừng cấp điện trung bình khách hàng (CAIDI); sẵn sàng cấp điện trung bình (ASAI); khơng sẵn sàng cấp điện trung bình (ASUI), tính cơng thức (13) SAIFI  { N N i ; CAIFI  i (9) Xác suất nhận trạng thái Số 15 tháng 2-2018 SAIDI  N  N i i i U N ; CAIDI  U N N  N i i i i i i i TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)  N 8760  U N  N  8760 U N ASUI   N  8760 ASAI  i i i (ACI) thời gian điện (CID): ; ACI   i Ni  (250 1.35)  (100 1.1)  (50  0.85)  490 i i (13) i i Trong đó: λi, λ - tần suất cố năm phụ tải i tổng nó; Ui - thời gian cố bình quân năm; Ni : số khách hàng sử dụng điện nút i CID  Ui Ni  (250 1.55)  (100  2.05)  (50  2.05)  695 Tương tự, tính cho phụ tải B C, kết bảng Bảng Chỉ số độ tin cậy điểm phụ tải Phụ tải B 2.4.4 Tính tốn độ tin cậy cho hệ thống phân phối điện Tiến hành tính tốn cho hệ thống điện hình 2, số tin cậy phần tử hệ thống cho bảng Bảng Chỉ tiêu độ tin cậy phần tử Tên gọi Xác suất Sửa Thao tác Số lượng khách cố  chữa DCL hàng t /h (lần/km a) U/h Trục 0.1 3.0 Nhánh 0.25 1.0 DS1, DS2 0.5 250 B 100 C 50   1  ( L1  L2  L3 )  2  L4  1.35 (14) Thời gian phục hồi trung bình cố điểm phụ tải A là: i 1 i i   (0.2  3.0  0.3  0.5  0.1 1.35 0.5  0.75 1.0)  1.55  1.15 1.35 (15) Số lần điện hàng năm khách hàng / U/ (h/a) (lần/a)  / U/ h (h/a) 0.2 3.0 0.6 0.9 0.3 3.0 0.9 0.5 0.05 0.1 3.0 0.3 1.0 0.5 0.25 1.0 0.25 0.85 2.41 2.05 h Đường L1 dây L2 0.2 3.0 0.6 0.3 3.0 L3 0.1 Đường L4 dây nhánh L5 0.5 L6 1.1 / 1.86 2.05 Tính số độ tin cậy khác hệ thống: Đối với điểm phụ tải A, tần suất cố là:   (lần/a) Tổng A   / Phần tử Phụ tải C SAIFI  SAIDI  ACI 490   1.23 N  i 400 CID 695   1.74 ; N 400  i CID 695   1.42 ACI 490 400  8760  695 ASAI   0.999802 400  8760 CAIDI  (16) Với hệ thống điện (hình 2) giả thiết cho q trình tính tốn, ta có: Tần suất điện trung bình năm hệ thống 1.23 lần; Mỗi lần điện 1.74h; thời gian trung bình khơi phục cấp điện 1.42h; tỉ lệ cấp điện trung bình 0.999802 Số 15 tháng 2-2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 2.5 Ví dụ tính tốn áp dụng Sử dụng sơ đồ IEEE RBTS Bus2 (hình 8) làm ví dụ để tiến hành phân tích tính độ tin cậy Bài chủ yếu tính tốn độ tin cậy đường dây F1, số liệu điểm phụ tải đường dây giả thiết bảng 4, số liệu lấy [8,9] để so sánh kết sau tính tốn Giả sử kiện cố điểm phụ tải LP3, tiến hành phân tích từ xuống dưới, cố đường dây L4, máy biến áp T3 đường dây nhánh L5 chắn gây nên cố điểm phụ tải LP3 Sự cố đường dây L7 L10 gây cắt dao cách ly gây nên cố điểm phụ tải; đường dây L1 gặp cố dao cách ly D1 bị ngắt, trường hợp không xem xét đến nguồn điện dự phòng, cố lập hình Hình Sơ đồ hệ thống phân phối điện IEEE RBTS Bảng Số liệu điểm phụ tải Điểm phụ tải Phụ tải bình quân (MW) Số hộ phụ tải 1,2,3 0.535 210 1.00 1.50 4,5 0.566 6,7 0.454 10 Hình Sơ đồ cố điểm phụ tải LP3 Giả thiết nguồn điện, dao cách ly cầu chì hồn tồn đáng tin cậy Chỉ xem xét đến cố máy biến áp, đường dây, trường hợp có cầu chì, cố nhánh khơng ảnh hưởng đến điểm phụ tải khác, tỉ lệ cố điểm phụ tải LP3 là: LP3  (0.75   0.065) 0.6  0.065  0.8  0.065  0.015  0.25225 Bảng Các tham số độ tin cậy phần tử Tên phần tử λp/lần/a.km γ/h γp/h Máy biến áp 0.015 200 10 Đường dây 0.065 s/h Trong bảng 4, γp thời gian sử dụng phần tử dự phòng thay phần tử bị cố; S thời gian trung bình thay phục hồi Số 15 tháng 2-2018 Tính tốn, ta có thời gian điện trung bình thời gian điện trung bình năm là: γ = 13.9534; U = 3.5273 Thông qua phương pháp tìm số độ tin cậy điểm phụ tải lại, từ số số lượng khách TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) hàng sử dụng tính số độ tin cậy hệ thống: SAIFI = 0.2482; SAIDI = 3.4899; CAIDI = 14.0603; ASAI = 0.999602 So sánh kết với kết tài liệu [9] gần nhau, tài liệu [9] dùng phương pháp so sánh có xét đến nhân tố không xác định ảnh hưởng đến hệ thống để phân tích, áp dụng phương pháp giải tích kết hợp phương pháp Monte-Carlo tính tốn độ tin cậy hệ thống Kết chứng tỏ tính xác phương pháp sơ đồ cố việc phân tích độ tin cậy hệ thống phân phối điện 2.6 Thảo luận Bài báo mô tả phương pháp ứng dụng cho hệ thống phân phối điện, tính toán đặt vài giả thiết, để thu hẹp phạm vi xem xét, làm đơn giản hóa trình tính tốn: (1) Coi nguồn điện hệ thống truyền tải đáng tin cậy; (2) Không xem xét đến giới hạn công suất; (3) Các phần tử (thiết bị) độc lập; (4) Chỉ xem xét đến ảnh hưởng trạng thái tĩnh cố; (5) Không xem xét đến ảnh hưởng nhân tố khác thời tiết… xem xét đến điện cố thiết bị gây nên Phương pháp cố cho hình ảnh rõ ràng nguyên nhân, cách thức xảy cố hành vi hệ thống ảnh hưởng đến độ tin cậy hệ thống, từ tìm điểm yếu hệ thống cách dễ dàng xác Hạn chế báo dựa việc phân tích độ tin cậy hệ thống phần tử trạng thái tĩnh, mà không xem xét đến ảnh hưởng hàng loạt phần tử trạng thái động nguồn điện dự phòng, độ tin cậy hệ thống (nguồn cấp, đường dây truyền tải) Hiện nay, lưới điện phân phối với tham gia nhiều nguồn điện, tham gia đường dây dự phòng, hay có nhiều phần tử trạng thái động sử dụng hệ thống điện Đối với hệ thống này, việc xác định mơ hình tốn để tính độ tin cậy hệ thống từ hàm cấu trúc giới thiệu viết tới KẾT LUẬN Phương pháp FTA dễ dàng sử dụng đạt kết xác cao người xây dựng cần phải hiểu rõ hệ thống Bài báo thông qua hệ thống phân phối điện điển hình nhằm giới thiệu việc ứng dụng phương pháp cố trạng thái tĩnh để tính tốn độ tin cậy hệ thống Sau lấy sơ đồ IEEE RBTS với số liệu đầu vào tương tự tài liệu tham khảo để tính tốn số độ tin cậy so sánh với kết phương pháp tính khác, nghiệm chứng tính xác phương pháp phân tích cố - FTA TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Thị Phương Thảo T nh toán độ tin cậy lưới điện ph n phối thành phố Đà Nẵng theo tiêu chuẩn IEEE 1366 Luận văn c o học Đại học Đà Nẵng 2010 Số 15 tháng 2-2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [2] Trần Th nh Phong Ph n t ch độ tin cậy c Tien Giang University, Vol 1, Nov 2014 hệ thống s d ng sơ đồ c y lỗi Journ l of Science [3] Zefang Zhou, Zheng Liu, Bo Zeng, Yu Pang, Liping He Application of the Interval Arithmetic in Reliability Analysis of Distribution System Proceedings of the 2012 International Conference on Quality, Reliability, Risk, Maintenance and Safety Engineering (ICQR2MSE), Chengdu, 2012, 221-223 [4] Renyan Jiang Introduction to quality and Reliability engineering Beijing Science Press, 2015, [5] Jiangmingyue Network reconfiguration for optimal reliability worth Xian University of Technology, 2005, 6-30 [6] MichaelG.Pecht, C K Kailash Reliability Engineering Electronic Industry Press, 2011 [7] Xie Ying-hua, Zhang Xue-feng, Jiang Hao Reliability Assessment of Power Distribution System in the Condition of Parameter Change Guangdong Electric Power, 2011, 24(9) [8] R N Allan, R Billinton, I Sjarief, et al A reliability test system for education purposes: basic distribution system data and results IEEE Transations on Power System, 1991, 6(2): 813-820 [9] Li jia Reliability evaluation of distribution system considering composite uncertainty factors North China Electric Power University, 2008 Giới thiệu tác giả: Tác giả Lê Xu n S nh tốt nghiệp Trường Đại học Bách kho Hà Nội năm 2003; nhận Thạc sĩ năm 2007 ngành hệ thống điện Ti n sĩ năm 2012 ngành hệ thống điện tự động hó Đại học Kho học Công nghệ Ho Trung Trung Quốc Lĩnh vực nghiên cứu: Lưới điện thông minh lưới điện ph n phối tự động hó hệ thống điện kh c điện Số 15 tháng 2-2018 ... HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) phân tích độ tin cậy cho lưới điện phân phối Nội dung báo thể sử dụng phương pháp FTA để xây dựng tính tốn cho lưới phân phối điểm so với viết khác Phương pháp cố. .. tính tốn số độ tin cậy so sánh với kết phương pháp tính khác, nghiệm chứng tính xác phương pháp phân tích cố - FTA TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Thị Phương Thảo T nh toán độ tin cậy lưới điện ph n... liệu [9] dùng phương pháp so sánh có xét đến nhân tố khơng xác định ảnh hưởng đến hệ thống để phân tích, áp dụng phương pháp giải tích kết hợp phương pháp Monte-Carlo tính toán độ tin cậy hệ thống