Tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy lưới điện phân phối sử dụng phần mềm PSS

Bài viết đề xuất sử dụng phần mềm PSS (The Power System Simulator) để tính toán độ tin cậy lưới phân phối theo tiêu chuẩn IEEE-1366 trong các trường hợp khác nhau. Từ đó tính toán đưa ra phương án đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Trên cơ sở đó, bài viết trình bày kết quả tính toán minh họa cho một sơ đồ lưới phân phối ở tỉnh Thái Nguyên.

TNU Journal of Science and Technology 226(11): 158 - 164 CALCULATING RELIABILITY INDICES OF DISTRIBUTION NETWORKS BASED ON PSS SOFTWARE Duong Hoa An* TNU - University of Technology ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 10/6/2021 The demand for power supply reliability of the distribution grid is increasing Therefore, the paper presents the methods to improve the reliability of distribution grid using equipment such as: using automate devices, SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), disconnectors Switches, Recloser, overhead fault indicator, the open-loop power distribution networks To calculate the efficiency of using equipment to improve the reliability of the distribution grid, this paper proposes to use PSS (The Power System Simulator) software to calculate the distribution network’s reliability indices according to the IEEE-1366 standard when using different methods to improving reliability Based on these calculations, a suitable solution can be selected With the proposed algorithm, the author calculated the reliability indices of a sample distribution network in Thai Nguyen Revised: 11/11/2021 Published: 15/11/2021 KEYWORDS Reliability PSS Automatic device Open-loop distribution networks Switching operation TÍNH TOÁN CÁC CHỈ TIÊU ĐỘ TIN CẬY LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSS Dương Hoà An Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên THƠNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 10/6/2021 Ngày hồn thiện: 11/11/2021 Ngày đăng: 15/11/2021 TỪ KHÓA Độ tin cậy PSS Thiết bị tự động Lưới điện phân phối mạch vịng Thao tác đổi nối TĨM TẮT u cầu khách hàng khả cung cấp điện đầy đủ liên tục (độ tin cậy cung cấp điện) lưới điện phân phối ngày cao Do báo trình bày biện pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện sử dụng thiết bị tự động, thiết bị điều khiển xa dao cách ly phân đoạn, recloser, thiết bị cảnh báo cố, sử dụng lưới điện cấu trúc mạch vòng kín vận hành hở Để đánh giá tính tốn độ hiệu việc sử dụng thiết bị nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Bài báo đề xuất sử dụng phần mềm PSS (The Power System Simulator) để tính tốn độ tin cậy lưới phân phối theo tiêu chuẩn IEEE-1366 trường hợp khác Từ tính tốn đưa phương án đáp ứng yêu cầu đặt Trên sở đó, báo trình bày kết tính tốn minh họa cho sơ đồ lưới phân phối tỉnh Thái Nguyên DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.4622 Email: duonghoaan@tnut.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 158 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 158 - 164 Giới thiệu Hiện nay, yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện ngày cao [1]-[4] Để đáp ứng yêu cầu này, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) có quy định tiêu suất cố đường dây trạm biến áp quản lý, vận hành hệ thống điện.Từ đó, làm sở để đánh giá chất lượng quản lý, vận hành lưới điện đáp ứng yêu cầu cung ứng điện liên tục cho khách hàng Các quy định tiêu suất cố gồm suất cố thoáng qua đường dây trung 12 vụ/100 km/năm; suất cố vĩnh cửu đường dây trung 3,6 vụ/100 km/năm; suất cố vĩnh cửu trạm biến áp 1,8 vụ/100 máy biến áp/năm Từ yêu cầu trên, cần phải có giải pháp để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện như: biện pháp làm giảm ngăn chặn cố xảy ra; biện pháp làm giảm thời gian điện khoanh vùng khắc phục cố nhanh [5]-[7] Độ tin cậy lưới điện hình tia tính tốn phương pháp nối tiếp – song song phương pháp không gian trạng thái xét tới trạng thái đổi nối, bảo quản định kỳ [1], [2] Đối với lưới điện mạch vịng kín vận hành hở: phần tử bị cố, để hạn chế phạm vi điện, thực thao tác đổi nối cấp điện cho số phụ tải sau cô lập cố Độ tin cậy tính tốn theo [8] Hiện nay, thiết bị điều khiển vận hành xa, thiết bị cảnh báo cố ngày áp dụng rộng rãi hệ thống phân phối điện nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.Vì vậy, báo trình bày phương pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cách áp dụng kết hợp nhiều phương pháp như: sử dụng sơ đồ lưới có phân đoạn; sử dụng thiết bị cảnh báo cố; sử dụng lưới điện mạch vịng kín vận hành hở; sử dụng thiết bị tự động vận hành xa Để tính tốn nhanh chóng, hiệu biện pháp nâng cao độ tin cậy lựa chọn thiết bị, phương pháp hợp lý, báo trình bày phương pháp sử dụng phần mềm PSS tính tốn tiêu độ tin cậy cung cấp điện lưới điện phân phối giải pháp nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối Tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối phụ tải 2.1 Các tiêu đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối Tần suất điện trung bình hệ thống - SAIFI [1], [10]: N  N i SAIFI = i =1 N  (1) Ni i =1 Thời gian điện trung bình hệ thống - SAIDI: N T N i SAIDI = i i =1 N N (2) i i =1 Thời gian điện trung bình khách hàng - CAIDI: N T N i CAIDI = i =1 N  i (3) i N i i =1 Chỉ tiêu xác định thời gian điện trung bình khách hàng năm cho lần điện Tần suất điện trung bình khách hàng: CAIFI = tổng số lần điện khách hàng/ Tổng số khách hàng bị ảnh hưởng Trong đó: http://jst.tnu.edu.vn 159 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 158 - 164 - i cường độ điện - Ni số khách hàng nút phụ tải thứ i - Ti thời gian điện trung bình hàng năm phụ tải 2.2 Các phương pháp tính tốn độ tin cậy 2.2.1 Phương pháp đồ thị giải tích Phương pháp bao gồm việc lập sơ đồ độ tin cậy áp dụng phương pháp giải tích đại số Boole [1, 2], lý thuyết xác suất thống kê tập hợp để tính tốn độ tin cậy 2.2.2 Phương pháp không gian trạng thái Phương pháp không gian trạng thái [1], sử dụng q trình ngẫu nhiên Markov Trong phương pháp hệ thống điện diễn tả trạng thái hoạt động khả chuyển trạng thái Trạng thái hệ thống xác định tổ hợp trạng thái phần tử, tổ hợp trạng thái phần tử cho trạng thái hệ thống Phần tử có nhiều trạng thái khác như: trạng thái tốt, trạng thái hỏng, trạng thái bảo dưỡng định kỳ Do đó, thay đổi trạng thái phần tử làm cho hệ thống chuyển sang trạng thái 2.2.3 Phương pháp mô Monte – Carlo Các phương pháp Monte Carlo [1] lớp thuật toán để giải nhiều tốn máy tính theo kiểu khơng tất định, thường cách sử dụng số ngẫu nhiên (thường số giả ngẫu nhiên), ngược lại với thuật toán tất định Một ứng dụng cổ điển phương pháp việc tính tích phân xác định, đặc biệt tích phân nhiều chiều với điều kiện biên phức tạp 2.2.4 Phương pháp hỏng hóc Phương pháp hỏng hóc mơ tả đồ thị quan hệ nhân dạng hỏng hóc hệ thống, hỏng hóc hệ thống hỏng hóc thành phần sở hàm đại số Boole Cơ sở cuối để tính tốn hỏng hóc phần tử Cây hỏng hóc mơ tả quan hệ logic phần tử hay phần tử mảng hệ thống, hỏng hóc hỏng hóc hệ thống Phương pháp hỏng hóc phương pháp hiệu để nghiên cứu độ tin cậy hệ thống phức tạp, áp dụng cho hệ thống điện Các biện pháp nâng cao độ tin cậy cho lưới điện phân phối Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện lưới phân phối, có hai giải pháp chính: Giải pháp làm giảm cố giải pháp làm giảm thời gian điện 3.1 Giải pháp làm giảm cố Để giảm cố cần nâng cao chất lượng thiết bị vận hành, sử dụng thiết bị có chất lượng vận hành tốt có tính tự động hóa cao Từng bước thay thiết bị có suất hư hỏng cao thiết bị có suất hư hỏng thấp Trong thiết kế lắp đặt cần sử dụng thiết bị áp dụng giải pháp phù hợp với điều kiện vận hành lưới điện nhằm giảm bớt cố có tác nhân từ bên ngồi như: • Sử dụng dây bọc cách điện để ngăn ngừa cố tiếp xúc với vật thể khác • Lắp đặt chống sét đường dây, mỏ phóng cho đường dây qua vùng có mật độ sét lớn, suất cố sét cao • Tăng cường công tác kiểm tra, bảo dưỡng đường dây, thiết bị vận hành lưới để ngăn ngừa cố chủ quan Từng bước nâng cao tỉ lệ sửa chữa lưới điện hình thức hot-line (sửa chữa lưới điện vận hành) 3.2 Giải pháp làm giảm thời gian điện http://jst.tnu.edu.vn 160 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 158 - 164 3.2.1 Sử dụng thiết bị tự động, thiết bị điều khiển từ xa Các thiết bị tự động thường dùng để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho lưới phân phối như: Thiết bị tự động đóng lặp lại đường dây (TĐL), tự động đóng nguồn dự phịng (TĐN), hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu từ xa (SCADA) Theo thống kê, hầu hết cố đường dây tải điện không cố thoáng qua, chiếm khoảng (70 - 80%) tổng số lần cố đường dây Chủ yếu cố sét đánh vào đường dây, đổ gần đường dây chạm vào đường dây, vật lạ rơi vào đường dây… Các cố thường tự giải trừ sau lần phóng điện Nếu ta bố trí thiết bị TĐL tỷ lệ đóng lại thành cơng cao thời gian TĐL ngắn nên phụ tải không bị ảnh hưởng điện Đối với lưới điện có từ hai nguồn trở nên việc sử dụng TĐL hiệu Sử dụng linh hoạt sơ đồ dây, kết dây sơ đồ lưới kín vận hành hở: Lưới phân phối kín vận hành hở gồm nhiều nguồn nhiều phân đoạn đường dây tạo thành lưới kín vận hành máy cắt phân đoạn cắt tạo thành lưới hở Khi đoạn ngừng điện phụ tải đoạn điện, phân đoạn khác điện tạm thời thời gian thao tác sau lại cấp điện bình thường Với sơ đồ chi phí đầu tư không cao lại nâng cao độ tin cậy cho lưới điện Sử dụng sơ đồ lưới có phân đoạn: Sơ đồ lưới hình tia có phân đoạn dùng phổ biến có chi phí thấp, sơ đồ đơn giản, áp dụng rộng rãi độ tin cậy chưa cao Khi xảy cố phân đoạn phân đoạn phía sau bị điện, phân đoạn trước phía nguồn điện tạm thời thời gian thao tác Số lượng vị trí phân đoạn ảnh hưởng đến thời gian điện phụ tải Sử dụng thiết bị báo cố, cố xảy nhanh chóng tìm điểm cố Do đó, thời gian xử lý xử cố giảm nhiều Hình Minh hoạ sử dụng thiết bị cảnh báo cố lưới điện hình tia Hình Thiết bị cảnh báo cố đường dây Với sơ đồ lưới điện Hình Giả sử có thiết bị cảnh báo cố đặt vị trí 1, 2, Khi có cố nhánh rẽ 3, xuất dòng ngắn mạch chạy qua thiết bị báo cố làm thiết bị tác động báo cố qua tín hiệu đèn cờ • Đầu tiên kiểm tra thiết bị báo cố nhánh rẽ NR1, khơng thấy tín hiệu chứng tỏ cố nằm trục phía sau nhánh rẽ • Kiểm tra thiết bị báo cố 2, thấy báo tín hiệu, chứng tỏ có cố phía sau Reset lại thiết bị thị cố kiểm tra tiếp • Kiểm tra thiết bị thị báo cố nhánh rẽ NR3, thấy báo tín hiệu, chứng tỏ có cố nhánh rẽ Cô lập nhánh rẽ đề nghị đóng lại máy cắt đầu nguồn để cấp điện cho phân đoạn không bị cố Tiến hành kiểm tra sửa chữa cố nhánh rẽ Thiết bị cảnh báo cố cịn phát huy hiệu cao có xuất tuyến từ nhánh Trong trường hợp đó, giảm tới 50% thời gian dị tìm cố; đó, thiết bị cảnh báo xuất tuyến có cố báo tín hiệu, lập xuất tuyến đóng lại máy cắt đầu nguồn để tái lập cung cấp điện cho xuất tuyến không bị cố Đặc biệt, loại thiết bị cảnh báo có gửi tín hiệu từ xa Hình tiện cho việc xác định nhánh cố để cô lập cố giảm thời gian điện cho nhánh không cố http://jst.tnu.edu.vn 161 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 158 - 164 Sử dụng phần mềm PSS để tính tốn độ tin cậy 4.1 Giới thiệu phần mềm PSS Phần mềm PSS/ADEPT (The Power System Simulator/ Advanced Distribution Engineering Productivity Tool) cơng cụ phân tích lưới điện phân phối với chức sau: - Bài toán tính tốn phân bố cơng suất - Bài tốn đặt tụ bù tối ưu - Bài tốn tính ngắn mạch - Bài tốn phân tích điểm dừng tối ưu - Bài toán phối hợp bảo vệ - Bài toán phân tích sóng hài - Bài tốn phân tích độ tin cậy lưới điện 4.2 Phần mềm PSS để tính tốn độ tin cậy Chu trình áp dụng, mơ triển khai tính tốn độ tin cậy PSS/ADEPT sau: Bước 1: Thiết lập thông số mạng lưới điện Trong bước này, thực khai báo thông số lưới điện gồm có thơng số đường dây, máy biến áp, thông số phụ tải, thông số thiết bị đóng cắt máy cắt, cầu chì, recloser, dao cách ly phân đoạn a) b) Hình Thiết lập thơng số cho đường dây thơng số tính tốn độ tin cậy lưới điện Theo Hình thiết lập thơng số • Sustained failure rate (λ cường độ cố) • Momentary failure rate (cường độ cố thống qua) • Mean time to repair (thời gian sửa chữa) • Thiết lập thơng số tính tốn độ tin cậy DRA SAIDI, SAIFI, CAIDI, CAIFI Bước 2: Thiết lập sơ đồ Vẽ sơ đồ lưới điện cần tính tốn vào chương trình PSS/ADEPT Cập nhật số liệu đầu vào cho sơ đồ lưới điện như: Nguồn, Tải, Dây dẫn, Nút, Tụ bù thiết bị đóng cắt Bước 3: Chạy chức tính tốn độ tin cậy Trước thực giải toán, ta cần thiết lập tuỳ chọn cách mở hộp thoại option hình 3a Bước 4: Sau chạy xong chức tính tốn độ tin cậy, xem kết tính tốn phân tích phần mềm thơng qua báo cáo Tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối Thái Nguyên 5.1 Số liệu độ tin cậy phần tử Để tính tốn độ tin cậy, báo sử dụng thơng số Lộ 472 Phú Bình tỉnh Thái Nguyên lấy điện từ C42-E6.3 C41- E6.17 dự phòng sử dụng dây mã hiệu AC185 dây AC150 Thông số cường độ cố đường dây: λ0 = 0,1 (1/năm.km) Thời gian sửa chữa: đường dây 4h, thiết bị đóng cắt 4h Thời gian đổi nối: 0,5h Suất cố vĩnh cửu TBA: 1,8 vụ/100 MBA/năm Sơ đồ mơ tính tốn độ tin cậy Hình Để phân tích hiệu phương pháp nâng cao độ tin cậy báo mơ tín tốn độ tin cậy trường hợp sau: http://jst.tnu.edu.vn 162 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 158 - 164 Hình Sơ đồ mơ tính tốn độ tin cậy lưới điện 472 Phú Bình Thái Nguyên sử dụng phần mềm PSS Trường hợp 1: Lưới điện hình tia chưa sử dụng thiết bị phân đoạn recloser, chưa sử dụng liên kết mạch vòng Trường hợp 2: Lưới điện hình tia sử dụng thiết bị phân đoạn recloser để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Trường hợp 3: Sử dụng lưới điện có cấu trúc vịng kín vận hành hở kết hợp với sử dụng thiết bị phân đoạn recloser để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Ở chế độ làm việc bình thường, mạch vòng vận hành hở nên lưới phân phối mạch vịng vận hành xuất tuyến hình tia Mỗi xuất tuyến cấp điện từ nguồn riêng biệt Khi phần tử cố, thực cô lập cố Để hạn chế phạm vi điện, số phụ tải điện xuất tuyến cấp điện trở lại nhờ chuyển sang nhận điện từ xuất tuyến khác Phương thức thao tác thiết bị đóng cắt liên lạc lưới phân phối mạch vịng kín vận hành hở tính toán nguyên tắc giảm thiểu phạm vi điện đảm bảo an toàn vận hành nguồn lưới điện Giả thiết khả tải lưới điện công suất nguồn đảm bảo cung cấp cho toàn phụ tải Trường hợp 4: Sử dụng thiết bị báo cố, cố xảy nhanh chóng tìm điểm cố nên thời gian phát cố giảm đi; thông số thời gian sửa chữa giảm Thời gian sửa chữa: đường dây TR = 2h, thiết bị đóng cắt TR = 2h 5.2 Kết tính tốn độ tin cậy Với trường hợp tính tốn trình bày mục 5.1 Sử dụng phần mềm PSS mơ tính tốn trường hợp kết tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối trường hợp trình bày Bảng 1: Bảng Kết tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối 472 Lưới điện Trường hợp Trường hợp Trường hợp Trường hợp SAIFI (lần/năm) 4 SAIDI (Giờ) 22 17 13 CAIFI (Lần/năm) 4 CAIDI (Giờ) 4 Từ kết tính tốn cho thấy, với lưới điện phân phối lộ 472 Thái Nguyên sử dụng thiết bị phân đoạn kết hợp với cấu trúc lưới điện kín vận hành hở sử dụng thiết bị báo cố làm độ tin cậy cung cấp điện tăng lên Các kết tính tốn sử dụng thiết bị báo cố lưới điện cải thiện nhiều thời gian điện lưới điện Kết luận Bằng phương pháp sử dụng phần mềm PSS tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối trường hợp khác nhanh chóng đơn giản Điều giúp kỹ sư điện tính tốn http://jst.tnu.edu.vn 163 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(11): 158 - 164 đưa vị trí, số lượng thiết bị phân đoạn recloser phù hợp để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Tuy nhiên, báo chưa đề cập đến so sánh chi phí đầu tư thiết bị cải tạo nâng cao độ tin cậy cung cấp điện với lợi ích thu giảm thời gian số lần điện Lời cám ơn Nghiên cứu tài trợ trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] B Tran, Power grid and power system, vol II, Publishing scientific and technical (in Vietnamese), 2004 [2] J Endrenyi, Reliability Modelling in Electric Power Systems, John Wiley & Sons, 1978 [3] A A Chowdhury and D O Koval, Power Distribution System Reliability, Practical Methods and Applications, Wiley & Sons, 2009 [4] P U Okorie, U O Aliyu, B Jimoh, and S M Sani “Reliability Indices of Electric Distribution Network System Assessment,” Journal of Electronics and Communication Engineering Research, vol 3, no 1, pp 01-06, 2015 [5] Y H Moustafa, A Y A Ghazala, and N H Abbasy, "A Coordinated Recloser-Fusesaver Method for Reliability Enhancement of Distribution Networks," Energy Smart Systems (ESS)2020 IEEE 7th International Conference on, 2020, pp 176-181 [6] H Sultan, S J Ansari, A Alam, S Khan, M Sarwar, and M Zaid, "Reliability Improvement of a Radial Distribution System with Recloser Placement," Computing Power and Communication Technologies (GUCON) 2019 International Conference on, 2019, pp 736-741 [7] N Kumar and V Mahajan, "Reconfiguration of Distribution Network For Power Loss Minimization & Reliability Improvement using Binary Particle Swarm Optimization," Power India International Conference (PIICON) 2018 IEEE 8th, 2018, pp 1-6 [8] T V Tran, “Calculating reliability indices of open - loop distribution networks based on the state method,” Journal of Science and Technology - The University of Da Nang, no 11(132), pp 26-30, 2018 [9] IEEE Std 1366-1998, IEEE Trial-Use Guide for Electric Power Distribution Reliability Indices, Institute of Electrical and Electronics Engeneers, Inc, 1999 [10] T V Tran, “Calculating the reliability indices of distribution systems based on component states,” Journal of Science and Technology - The University of Da Nang, no 5(90), pp 124-129, 2015 http://jst.tnu.edu.vn 164 Email: jst@tnu.edu.vn ... cao độ tin cậy lựa chọn thiết bị, phương pháp hợp lý, báo trình bày phương pháp sử dụng phần mềm PSS tính tốn tiêu độ tin cậy cung cấp điện lưới điện phân phối giải pháp nâng cao độ tin cậy lưới. .. tăng lên Các kết tính tốn sử dụng thiết bị báo cố lưới điện cải thiện nhiều thời gian điện lưới điện Kết luận Bằng phương pháp sử dụng phần mềm PSS tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối trường... giải pháp nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối Tính tốn độ tin cậy lưới điện phân phối phụ tải 2.1 Các tiêu đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối Tần suất điện trung bình hệ thống - SAIFI