Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp, gồm nhiều phần tử, các phần từ liên kết với nhau theo những sơ đồ phức tạp; hệ thống điện thường nằm trên địa bàn rộng của một quốc gia hay vùng lãnh thổ. Khi các phần tử của hệ thống hư hỏng có thể dẫn đến ngừng cung cấp điện cho khách hàng cho từng vùng hoặc toàn hệ thống. Nguyên nhân gấy mất điện có rất nhiều, người ta phân ra thành bốn nhóm nguyên nhân chính như sau:
- Do thời tiết: lũ lụt, mưa bão, lốc xoáy, giông sét, sóng thần... - Do hư hỏng các thành phần của hệ thống điện như:
Phần điện và phần máy: Hỏng hệ thống cung cấp nhiên liệu; Hỏng phần động lực (phát động); Hỏng máy biến áp; Hỏng thiết bị đóng cắt; Hỏng phần dẫn điện; Hỏng chất cách điện của: đường dây tải điện, trạm biến áp, chống sét van, hỏng cáp điện lực; Hỏng thiết bị điều khiển điện áp: thiết bị điều chỉnh điện áp của các máy phát điện, thiết bị điều khiển tụ bù...
Bảo vệ và điều khiển như: hỏng rơle, hỏng đường truyền tín hiệu, hỏng mạch điều khiển.
- Do hoạt động của hệ thống như: Do trạng thái của hệ thống: Độ ổn định của hệ thống; Điện áp cao/thấp; Tần số cao/thấp; Quá tải đường dây, máy biến áp; Tải không cân bằng; Do nhân viên vận hành; Do nhân viên điều độ hệ thống điện; Do nhân viên vận hành nhà máy điện; Do nhân viên vận hành lưới điện; Lỗi do bảo trì
ôtô cầu trục; Đào đất; Hỏa hoạn, chất nổ; Phá hoại, khủng bố; Cây cối... Theo thống kê khoảng 50% sự cố được khôi phục trong khoảng thời gian 60 phút. Khoảng 90% sự cố lớn được khôi phục trong khoảng 7 giờ.
Kinh nghiệm cho thấy rằng, hầu hết các sự cố của lưới phân phối bắt nguồn từ yếu tố thiên nhiên như: sét, bão, mưa, lũ lụt, động vật... Những sự mất điện khác có thể quy cho khiếm khuyết của thiết bị, vật liệu và hành động của con người như: xe ôtô đâm phải cột, phương tiện chạm vào dây dẫn, cây đổ, phá hoại, máy đào phải cáp ngầm. Một số sự cố nguy hiểm và lan rộng trong hệ thống phân phối do bão, lũ lụt. Trong trường họp đó sự phục hồi cấp điện bị ngăn cản bởi những nguy hiểm, và hầu hết các đơn vị điện lực không có đủ người, phương tiện, máy móc thiết bị để phục hồi nhanh lưới điện trên một vùng địa lý rộng lớn và phức tạp.
Nhìn chung, có thể phân chia, sắp xếp lại để giảm thiểu số lượng khách hàng bị ảnh hưởng của hỏng hóc thiết bị hoặc thời gian mất điện là nhỏ nhất, sẵn sàng hoạt động là sự lựa chọn duy nhất của ngành điện để nâng cao độ tin cậy. Giảm thiểu thời gian mất điện, bằng cách kịp thời sửa chữa thiết bị hư hỏng.
Việc phối hợp giữa lập kế hoạch bảo trì phòng ngừa với phân tích độ tin cậy có thể rất hiệu quả. Việc phân tích sự cố giúp xác định rõ những điểm yếu nhất của hệ thống phân phối và giải quyết nhanh và chính xác các điểm đó. ự phân tích được thực hiện chỉ ở những khúc quan trọng của hệ thống. Những thông tin kết quả được sử dụng trong quyết định xây dựng hệ thống tới mức an toàn nào đó hoặc chấp nhận rủi ro mất điện.
1.2.2 Ản ưởng của độ tin cậy đến tổn thất kinh tế và cấu trúc ưới điện
Điện năng là động lực chính của toàn bộ nền kinh tế quốc dân. Việc mất điện sẽ gây ra các hậu quả xã hội, kinh tế rất lớn.
Theo hậu quả của mất điện, các phụ tải được chia làm 2 loại:
- Loại phụ tải mà sự mất điện gây ra các hậu quả mang tính chính trị - xã hội.
Đối với loại trên, phụ tải cần được cấp điện với độ tin cậy cao nhất có thể. Còn đối với loại dưới là bài toán kinh tế - kỹ thuật trên cơ sở cân nhắc giữa vốn đầu tư vào hệ thống điện và tổn thất kinh tế do mất điện:
Tổn thất kinh tế cho các cơ sở sản xuất, kinh doanh cụ thể. Đó là tổn thất kinh tế mà các cơ sở này phải chịu khi mất điện đột ngột hay theo kế hoạch.
Khi mất điện đột ngột, sản phẩm sẽ bị hỏng, sản xuất bị ngừng trệ gây ra tổn thất kinh tế. Tổn thất này có thể phụ thuộc số lần mất điện hoặc điện năng bị mất hoặc đồng thời cả hai. Khi mất điện theo kế hoạch, tổn thất sẽ nhỏ hơn do cơ sở sản xuất đã được chuẩn bị.
Tổn thất này được tính toán cho từng loại xí nghiệp hoặc cơ sở kinh doanh cụ thể để phục vụ việc thiết kế cung cấp điện cho các cơ sở này.
Tổn thất kinh tế nhìn từ quan điểm hệ thống điện. Tổn thất này được tính toán từ các tổn thất thật ở phụ tải và theo các quan điểm của hệ thống điện. Nó nhằm phục vụ công việc thiết kế, quy hoạch hệ thống điện sao cho thỏa mãn được nhu cầu về độ tin cậy của phụ tải, đồng thời đảm bảo hiệu quả kinh tế của hệ thống điện.
Tổn thất này được tính cho lưới phân phối, lưới truyền tải và nguồn điện một cách riêng biệt. Nó cũng được tính cho từng loại phụ tải cho một lần mất điện, cho 1 kW hoặc 1 kWh tổn thất và cũng được tính cho độ dài thời gian mất điện.
Ví dụ về giá tiền 1 kWh điện năng mất:
- Ở Australia sử dụng bảng giá mất điện ($/kWh) như sau (theo tiền Australia):
Phụ tải dân dụng: 0,5 cho ngừng điện kế hoạch; 1,5 cho ngừng điện sự cố. Phụ tải doanh nghiệp bình thường: 2,5 cho ngừng điện kế hoạch; 7,5 cho ngừng điện sự cố.
Phụ tải doanh nghiệp nhạy cảm: 5 cho ngừng điện kế hoạch; 15 cho ngừng điện sự cố.
- Ở EDF sử dụng giá như sau: năm 1988 giá mất điện ở lưới phân phối là 14,5 F/kWh chung, không phân theo loại phụ tải; ở lưới chuyên tải có hai
cấp giá, nếu công suất mất nhỏ hơn 8% thì giá là 7,25 F/kWh, còn cao hơn 8% thì giá là 14,5 F/kWh.
Tổn thất kinh tế do mất điện rất lớn, đồng thời về mặt chính trị - xã hội cũng đòi hỏi độ tin cậy cấp điện ngày càng cao, khiến cho hệ thống điện ngày càng phải hoàn thiện về cấu trúc, cải tiến về vận hành để không ngừng nâng cao độ tin cậy.
Yếu tố độ tin cậy có ảnh hưởng đến quyết định cấu trúc hệ thống điện: - Cấu trúc nguồn điện: Độ dự trữ công suất, các tổ máy dự trữ lạnh...
- Cấu trúc lưới: Mạch vòng kín, nhiều lộ song song, trạm nhiều máy biến áp, sơ đồ trạm và nhà máy điện phức tạp.
- Cấu trúc hệ thống điều khiển: thiết bị bảo vệ, thiết bị chống sự cố, hệ thống thông tin, hệ thống điều khiển tự động, phương thức vận hành... - Cấu trúc hệ thống quản lý: hệ thống sẵn sàng can thiệp khi sự cố, dự trữ
thiết bị, phương tiện đi lại, tổ chức sửa chữa sự cố và bảo dưỡng định kỳ. Để nâng cao độ tin cậy đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, do đó độ tin cậy không phải được nâng cao bằng mọi giá. Đầu tư vào nâng cao độ tin cậy chỉ có hiệu quả khi mức giảm tổn thất kinh tế do nâng cao độ tin cậy lớn hơn chi phí để nâng cao độ tin cậy.
Trong hàm mục tiêu của các bài toán xác định cấu trúc nguồn điện cũng như lưới điện đều có thành phần tổn thất do độ tin cậy được tính theo tổn thất kinh tế đã nói trên. Tuy nhiên việc tính như vậy cũng gặp phải rât nhiều khó khăn. Do đó người ta còn có thể tính toán với yếu tố độ tin cậy như là điều kiện biên của bài toán, tức là dùng chỉ tiêu gián tiếp về độ tin cậy như:
- Xác suất không xảy ra mất điện (độ tin cậy) phải bằng hoặc lớn hơn giá trị nào đó.
- Xác suất xảy ra mất điện (độ rủi ro) phải nhỏ hơn giá trị nào đó.
Các chỉ tiêu này được xác định trên cơ sở phân tích kinh tế - kỹ thuật hệ thống điện.
1.2.3 Đảm bảo độ tin cậy trong bài toán kinh tế
Ngành điện được mong đợi cung cấp điện liên tục, có chất lượng cho khách hàng với giá cả hợp lý bằng việc sử dụng hệ thống và trang bị sẵn có một cách kinh tế. Cung cấp điện liên tục được hiểu là cung cấp điện một cách chắc chắn, an toàn cho con người và thiết bị với chất lượng điện năng là điện áp và tần số danh định trong giới hạn cho phép.
Để dịch vụ bảo trì chắc chắn tới khách hàng, ngành điện phải có dư công nhân để ngăn chặn các sự cố ở các bộ phận dẫn đến mất điện của khách hàng gây ra hỏng hàng hóa, dịch vụ và tổn thất kinh tế. Để tính toán giá của độ tin cậy, thiệt hại do sự cố phải được xác định rõ.
Giá của độ tin cậy được sử dụng cho để xem xét và đánh giá tỷ lệ tăng trưởng của nó. Phân tích kinh tế độ tin cậy của hệ thống có thể là công cụ kế hoạch rất hữu ích trong quyết định chi tiêu tài chính để cải thiện độ tin cậy bằng cách cung cấp vốn đầu tư thêm cho hệ thống.
Các nghiên cứu về độ tin cậy đã chỉ ra rằng: độ tin cậy là mong muốn tránh các sự cố thiết bị hoặc tổ hợp thiết bị mà dẫn đến mất ngừng cung cấp điện. Mức độ của độ tin cậy được coi là hợp lý khi thiệt hại do mất điện tăng thêm tránh được vượt quá hậu quả của sự mất điện khách hàng. Theo đó mức độ tin cậy hợp lý từ góc độ người tiêu dùng có thể được định nghĩa là mức độ tin cậy khi tổng chi phí đầu tư và thiệt hại do mất điện là nhỏ nhất. Lưu ý rằng sự cải thiện độ tin cậy của hệ thống và vốn đầu tư không phải là quan hệ tuyến tính và độ tin cậy hợp lý của hệ thống phù hợp với giá tối ưu... tổng chi phí nhỏ nhất, vấn đề đặt ra là vốn đầu tư ban đầu làm tăng độ tin cậy như thế nào? Vốn đầu tư tiếp theo đặt vào đâu để đạt được độ tin cậy cao nhất.
C h i p h í
iá tối ưu Tổng chi phí
Vốn đầu tư
Độ tin cậy hợp lý
100%
ình 1.6 Độ tin cậy trong bài toán kinh tế
1.2.4Các biện p áp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện
Để nâng cao độ tin cậy của toàn lưới phân phối thì ta cần phải nâng cao độ tin cậy của các phần tử hợp thành lưới. Biện pháp đầu tiên cần phải quan tâm là sử dụng các thiết bị điện có độ tin cậy cao. Các phần tử cần có độ tin cậy cao trong hệ thống điện như là đường dây, máy biến áp, máy xắt, dao cách ly, các thiết bị bảo vệ, điều khiển và tự động hóa... Ngày nay, với sự phát triển mạnh của ngành công nghệ vật liệu mới, đã có nhiều vật liệu và thiết bị điện có độ tin cậy rất cao. về vật liệu có thể kể đến như: vật liệu cách điện có cường độ cách điện cao như các loại giấy cách điện, sứ cách điện bằng silicon... về thiết bị điện có thể kể một số loại như: máy cắt điện chân không, máy cắt điện SF6. Các thiết bị bảo vệ và tự động hóa hiện nay sử dụng công nghệ kỹ thuật số có độ tin cậy cao hơn rất nhiều so với thiết bị sử dụng rơle điện từ trước đây. Ngoài ra máy biến áp hiện nay sử dụng vật liệu dẫn từ có tổn hao nhỏ và cách điện tốt nên có độ tin cậy cao. Tuy nhiên việc sử dụng thiết bị có độ tin cậy cao đồng nghĩa với việc tăng chi phí đẩu tư cho lưới điện. Vì vậy ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế của hệ thống, nên việc sử dụng nó tùy vào điều kiện cụ thể. Đối với những hộ phụ tải không được phép mất điện thì đầu tư với khả năng tốt nhất cho phép. Đối với các phụ tải khác phải dựa trên sự so sánh giữa tổn thất do mất điện và chi phí đầu tư. Trên thực tế lưới phân phối hiện nay còn sử dụng nhiều thiết bị cũ, công nghệ lạc hậu, có độ tin cậy thấp đang dần được thay thế bằng
những thiết bị hiện đại có độ tin cậy cao, do đó độ tin cậy của lưới điện đang ngày được nâng cao rõ rệt.
Biện pháp thứ hai là sử dụng các thiết bị tự động trên lưới, các thiết bị điều khiển từ xa. Các thiết bị tự động thường dùng là: tự động đóng lại (TĐL), tự động đóng nguồn dự phòng, hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu từ xa (SCADA). Theo thống kê, đối với đường dây tải điện trên không sự cố thoáng qua có thể chiếm tới (70-80)% tổng số lần sự cố đường dây. Nguyên nhân là do sét đánh vào đường dây, cây đổ vào đường dây, vật lạ rơi vào đường dây... Các sự cố này thường tự giải trừ sau một hoặc 2 lần phóng điện. Do đó, nếu sử dung TĐL thì tỷ lệ đóng lại thành công rất cao, do thời gian TĐL rất ngắn (2-5s) nên phụ tải không bị ảnh hưởng mất điện. Trường hợp khi có 2 nguồn cấp trong đó có 1 nguồn dự phòng thì thiết bị tự động đóng nguồn dự phòng rất hiệu quả, khi có một nguồn bị sự cố thì nguồn kia lập tức được đưa vào làm việc không gây mất điện cho phụ tải. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thống tin, hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu từ xa ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Hệ thống này cho phép thu thập dữ liệu, phân tích và điều khiển các đối tượng từ xa. Sử dụng hệ thống CADA trong điều hành lưới phân phối sẽ nhanh chóng tách đoạn lưới sự cố và khôi phục cấp điện cho các phân đoạn không sự cố. Đối với hệ thống lưới phân phối nhiều nguồn và kết dây phức tạp như lưới điện trong các thành phố thì việc sử dụng hệ thống SCADA là rất hiệu quả và họp lý, tuy nhiên đối với hệ thống lưới phân phối ở các vùng nông thôn ngoại thành... thì chi phí cho hệ thống này là khá lớn ảnh hưởng đến chỉ tiêu kinh tế của công trình.
Biện pháp thứ ba là tăng cường khả năng dự phòng bằng sơ đồ kết nối dây lưới điện hợp lý (sử dụng đường dây mạch kép, lưới kín vận hành hở, lưới phân đoạn). Lưới phân phối hiện nay thường là lưới hình tia có phân nhánh, thường có độ tin cậy thấp. Tuy vậy, bởi lý do về kinh tế nó vẫn được dùng phổ biến ở nước ta. Để tăng độ tin cậy của lưới phân phối cần sử dụng những sơ đồ có khả năng chuyến đổi kết dây linh hoạt nhằm hạn chế thấp nhất khả năng ngừng cấp điện cho phụ tải. Hiện nay có thể dùng các sơ đồ kết nối dây sau: ơ đồ sử dụng đường dây mạch
lộ có thể vận hành song song hoặc vận hành độc lập. Khi sự cố một lộ, lộ còn lại cấp điện cho toàn bộ phụ tải. Vì vậy, khả năng tải của mỗi lộ phải đảm đương được toàn bộ tải. Đặc điểm của sơ đồ này là có độ tin cậy cao nhưng chi phí đầu tư khá lớn, chỉ thích hợp cho những phụ tải quan trọng không cho phép mất điện.
ơ đồ lưới kín vận hành hở. Loại sơ đồ này gồm nhiều nguồn và nhiều phân đoạn đường dây tạo thành lưới kín nhưng khi vận hành thì các máy cắt phân đoạn cắt ra tạo thành lưới hở. Khi một đoạn ngừng điện thì chỉ phụ tải phân đoạn đó mất điện, còn các phân đoạn khác chỉ mất điện tạm thời trong thời gian thao tác, sau đó lại được cấp điện bình thường. ơ đồ này có ưu điểm là chi phí đầu tư không cao,