Độ tin cậy là một chỉ tiêu hết sức quan trọng của hệ thống điện nó ảnh hưởng tới cấu trúc lưới trong bài toán thiết kế và bài toán vận hành. Tuy nhiên ngược lại với sự phát triển nhanh của phụ tải đi kèm là yêu cầu về độ tin cậy ngày càng cao thì các nghiên cứu về độ tin cậy tại Việt Nam còn rất nhiều hạn chế. Đặc biệt là trong lưới phân phối.
Hầu hết các nghiên cứu tập trung về việc đưa ra các giải pháp nâng cao độ tin cậy cho lưới phân phối sử dụng các thiết bị tự động hóa, đóng lặp lại, phân đoạn lưới sử dụng máy cắt phụ tải...
Để tính toán định lượng được tương đối chính xác độ tin cậy nhằm đưa ra các giải pháp nâng cao độ tin cậy khả thi và tối ưu là rất khó khăn. Khó khăn lớn nhất gặp phải đối với lưới phân phối là việc thiếu số liệu, số liệu không chính xác.
Lưới phân phối có tổng chiều dài đường dây lớn, số lượng trạm biến áp phân phối cũng rất lớn. Đường dây và trạm biến áp thường đi sâu vào các khu dân cư, trên đồng ruộng và nhiều nơi đường dây chưa được cải tạo, dây dẫn mòn đã có nhiều mối nối dễ đứt, sứ cách điện nứt vỡ, xà đường dây gỉ mọt, cột nứt vỡ cong nghiêng... sự cố trên đường dây xảy ra nhiều, nhất là khi thời tiết xấu như mưa to gió bão... Để cập nhật hết những thông tin về sự cố gây mất điện là rất khó khăn vì điều kiện địa lý xa xôi, vì trình độ hoặc trách nhiệm của những công nhân trực tiếp quản lý đường dây và trạm biến áp, họ không báo cáo hoặc báo cáo không chính xác tình hình sự cố, loại sự cố...
Một khó khăn khác khi xác định độ tin cậy cho lưới phân phối là đối với khối dữ liệu lớn thu được thì khó có thể xử lý tính toán bằng tay, hiện tại chưa có một nghiên cứu nào tại Việt Nam đề cập tới vấn đề xây dựng chương trình tính toán độ tin cậy lưới phân phối trên máy tính.
Để giảm bớt khó khăn trong việc tính toán độ tin cậy cho lưới phân phối trong khuôn khổ luận văn này tác giả đã xây dựng một chương trình tính toán độ tin cậy cho một lưới phân phối với mục đích tìm hiểu nghiên cứu về độ tin cậy và bước đầu góp phần xây dựng nên phần mềm tính toán độ tin cậy lưới phân phối trên máy.
CHƢƠNG2: PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CHO LƢỚI PHÂN PHỐI VÀ XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN 2.1 Độ tin cậy của lƣới phân phối hình tia không phân đoạn
ơ đồ lưới phân phối hình tia được thể hiện trên hình vẽ
m a x 1 P m a x 1 T (1) 1 m a x 2 P m a x 2 T (2) 2 m a x 3 P m a x 3 T (3) 3 m a x 4 P m a x 4 T (4) 4 a) m a x 1 P m a x 1 T m a x 2 P m a x 2 T m a x 3 P m a x 3 T m a x 4 P m a x 4 T Thiết bị phân đoạn
b) m a x I P m a x I T m a x II P m a x II T Thiết bị phân đoạn
c) đoạn lưới I, LI đoạn lưới I, LII
ình 2.1 Lưới phân phối hình tia
Lưới phân phối trên hình 2.1 a) là lưới phân phối hình tia không phân đoạn. Đối với lưới phân phối này, hỏng hóc ở bất kỳ chỗ nào cũng gây mất điện toàn lưới phân phối. Khi ngừng điện công tác cũng vậy, toàn lưới phân phối được xem như một phần tử.[1]
Cường độ hỏng hóc toàn lưới phân phối là:
SC 0
L
100 (2.1)
0 - cường độ hỏng hóc cho 100km; L – độ dài lưới phân phối
NĐ SC CT (2.2) CT - Cường độ ngừng điện công tác
Thời gian ngừng điện do sự cố trong một năm là:
NĐSC SC SC
T .T (2.3)
SC
T – Thời gian sửa chữa sự cố Thời gian ngừng điện công tác là:
CT CT NĐCT
T .T (2.4)
CT
T – Thời gian trung bình một lần ngừng điện công tác Tổng thời gian ngừng điện là:
NĐ NĐCT NĐCT
T T T (2.5)
Công suất và thời gian sử dụng công suất lớn nhất của toàn lưới phân phối là:
max max i P P (2.6) max i max i max max i P T T P (2.7) Điện năng mất do sự cố là: max max SC NĐSC T .P .T A 8760 (2.8) max max CT NĐCT T .P .T A 8760 (2.9)
2.2 Độ tin cậy của lƣới phân phối hình tia có phân đoạn
Để tăng cường độ tin cậy, lưới phân phối hình tia được phân thành nhiều đoạn bằng thiết bị đóng cắt có thể là: dao cách ly hoặc máy cắt điều khiển bằng tay tại chỗ hoặc điều khiển từ xa [1].
Trong trường hợp phân đoạn bằng dao cách ly, nếu xảy ra sự cố ở một phân đoạn nào đó máy cắt đầu nguồn sẽ nhảy tạm thời cắt toàn bộ lưới phân phối. Dao cách ly phân đoạn được cắt ra cô lập phần tử bị sự cố với nguồn. au đó nguồn được đóng lại tiếp tục cấp điện cho các phân đoạn nằm trước phân đoạn bị sự cố về
phía nguồn.
Như vậy, khi xảy ra sự cố ở một phân đoạn nào đó thì phụ tải của phân đoạn sự cố và các phân đoạn được cấp điện qua phân đoạn sự cố (tức là nằm sau nó tính từ nguồn) bị mất điện trong suốt thời gian sửa chữa phân đoạn sự cố. Còn phụ tải của các phân đoạn nằm trước phân đoạn sự cố về phía nguồn thì chỉ mất điện trong thời gian thao tác cô lập phần tử sự cố.
Trong trường hợp phân đoạn bằng máy cắt, khi một phần tử bị sự cố, máy cắt phân đoạn ở đầu phần tử sự cố sẽ tự cắt và cô lập phần tử sự cố. Các phần tử trước phần tử sự cố hoàn toàn không bị ảnh hưởng.
Giải pháp phân đoạn làm tăng đáng kể độ tin cậy của lưới phân phối, giảm được tổn thất kinh tế do mất điện nhưng cần phải đầu tư vốn. Do đó phân đoạn là một bài toán tối ưu, trong đó cần tìm số lượng, vị trí đặt và loại thiết bị phân đoạn sử dụng sao cho có được hiệu quả kinh tế cao nhất.
Để tính toán độ tin cậy của lưới phân phối phân đoạn, trước tiên cần đẳng trị các đoạn lưới thành đoạn lưới chỉ có một phụ tải nhờ sử dụng các công thức tính (2.6) và (2.7). Các thông số độ tin cậy đẳng trị của các đoạn lưới tính theo công thức (2.1) đến (2.5) Trên hình vẽ 2.1 b) là lưới phân phối phân đoạn gồm hai phân đoạn và trên hình vẽ 2.1 c) là lưới phân phối đẳng trị của nó. Tính từ nguồn, đoạn lưới I đứng trước đoạn lưới II.
Ta tính độ tin cậy của từng đoạn lưới:
Đoạn lưới I: Đoạn I có thể. bị ngừng điện do bản thân nó bị hỏng hoặc do ảnh hưởng của sự cố trên đoạn lưới sau.
- Đoạn I có cường độ ngừng điện là '
1 và thời gian ngừng điện năm là T 1' (nếu là ngừng điện sự cố hay ngừng điện công tác thì dùng các công thức tương ứng để tính).
- Ảnh hưởng của sự cố trên các đoạn lưới sau nó, ở đây là đoạn II, ảnh hưởng này phụ thuộc thiết bị phân đoạn.
II I 0;TII I 0
+ Nếu dùng dao cách ly, thì sự cố đoạn II làm ngùng điện đoạn I trong thời gian thao tác cô lập sự cố T , do đó: tt
'
II I II;TII I T tt
Tổng số lần ngừng điện và thời gian ngừng điện của đoạn lưới I là:
' '
I I II I;TI TI TII I
Đoạn lưới II: Đoạn II có thể bị ngừng điện do chính nó bị sự cố hoặc do ảnh hưởng của sự cố trên các đoạn trước nó và sau nó. Cụ thể ở đây chỉ có đoạn I ở trước nó.
- Cường độ hỏng hóc của đoạn lưới II là 'II và thời gian ngừng điện năm là
' II
T .
- Ảnh hưởng của đoạn I đến đoạn II là toàn phần không phụ thuộc thiết bị phân đoạn, nghĩa là đoạn II chịu cường độ hỏng hóc và thời gian ngừng điện của đoạn I:
' '
I II I;TI II T I
Tổng số lần ngừng điện và tổng thời gian ngừng điện của đoạn lưới II là :
' ' ' '
II II I;TII TII T I
Do đó có thể rút ra kết luận chung như sau:
Các đoạn lưới phía sau chịu ảnh hưởng toàn phần của các đoạn lưới phía trước, còn các đoạn lưới phía trước chỉ chịu ảnh hưởng không toàn phần của các đoạn lưới phía sau. Ảnh hưởng này phụ thuộc thiết bị phân đoạn.
Trong tính toán trên bỏ qua hỏng hóc của thiết bị phân đoạn và sử dụng thiết bị phân đoạn không phải bảo dưỡng định kỳ.
2.3 Xây dựng chƣơng trình đánh giá độ tin cậy trên máy tính
2.3.1 Cấu trúc ưới phân phối và hoạt động của thiết bị p ân đoạn
Lưới phân phối trung áp cấp điện cho các trạm biến áp phân phối hạ áp TA/0,38kV. Lưới phân phối có thể có cấu trúc hình cây hoặc mạch kín nhưng khi vận hành sẽ cắt ra để vận hành hở. Có nghĩa là khi vận hành lưới phân phối chỉ được cấp điện từ một phía [1,2].
Cấu trúc của lưới điện được mô tả cho máy tính bằng các nhánh và nút. Nút có thể là:
- Điểm đấu phụ tải bao gồm cả máy biến áp phân phối;
- Điểm nối các nhánh rẽ;
- Điểm nối hai đoạn đường dây có tiết diện khác nhau hay loại dây khác nhau;
- Điểm đấu tụ bù ngang;
- Điểm đấu kháng điện, tụ bù dọc, thiết bị đóng cắt...
- Nút được đánh số từ 1 tới N. Nút nguồn đánh số 0, số nhỏ gần nguồn hơn số lớn.
Nhánh là đoạn lưới hay phần tử lưới nối giữa hai nút kề nhau. Nhánh có thể là:
- Đường dây điện trên không hoặc cáp;
- Máy biến áp lực;
- Khánh điện, tụ bù dọc;
- Thiết bị đóng cắt.
Nhánh được đánh số trùng với nút cuối của nó.
Cấu trúc của lưới phân phối được nhận dạng đầy đủ nếu cho biết nhánh và nút đầu, nút cuối của mỗi nhánh.
Cặp thông số nút đầu NĐ(i) và nút cuối NC(i) của nhánh i được cho như sau: Trước hết đánh số các nút của lưới điện từ nút nguồn đến nút tải cuối cùng, nút nguồn đánh số 0, số nhỏ ở gần nguồn hơn số lớn. Lưới phân phối hình tia có số
nút và số nhánh bằng nhau và bằng N.
au đó đánh số nhánh theo quy tắc số nhánh trùng với nút cuối của nó. Cách đánh số này cho phép máy tính hiểu biết dễ dàng mối quan hệ giữa các nhánh và nút. Ví dụ khi biết một nhánh là I có NĐ(i) và NC(i) thì ta biết ngay nhánh cấp điện cho nhánh này là j = NĐ(i), còn nó cấp điện cho nhánh k có nút đầu là NĐ(k) = NC(i) = i.
Cách mô tả lưới phân phối này gọi là mô tả theo cấu trúc ngược. Mô tả được lập cho một đơn vị lưới phân phối, tức là toàn bộ lưới phân phối trực thuộc một trạm trung gian hoặc khu vực. Nếu muốn xét đồng thời lưới phân phối của nhiều trạm nguồn thì phải lập nút nguồn giả 0 và các đoạn lưới giả có độ dài 0 km, nối nút nguồn giả có độ dài 0 km, nối nút nguồn giả với các nguồn thật đánh số từ 1,2,3...
TBPĐ (1) (2) 4 1 2 TBPĐ TBPĐ (3) 3 (4) 0
Hình 2.2 Ví dụ về lưới phân phối cấu trúc ngược
Ví dụ, cho lưới phân phối gồm 4 khu vực 1, 2, 3, 4 như trên hình 2.2, ta có số nút và nhánh như sau:
Số nhánh: 1 2 3 4 Nút cuối NC(i): 1 2 3 4 Nút đầu NĐ(i): 0 1 1 2
Ta thấy hai hàng đầu có giá trị như nhau, như vậy cấu trúc lưới phân phối chỉ cần mô tả bởi vecto NĐ(i).
Để giải tích độ tin cậy của mỗi nhánh và nút cần cho biết các thông số sau: Thông số nút gồm công suất phụ tải tối đa Pmax và thời gian sử dụng công suất lớn nhất Tmax.
Thông số nhánh gồm:
- Cường độ hỏng hóc 0, l/100 km.năm;
- Thời gian phục hồi sự cố t , h; 0
- Độ dài lưới điện 1, km;
- Thiết bị đóng cắt được cho bởi các thông số:
Nếu là dao cách ly thì cho thời gian thao tác là t tính theo giờ, nếu là máy C cắt thì tC 0 .
2.3.2 Các chỉ tiêu độ tin cậy cần tính
a) Số lần cắt điện trung bình năm của một trạm phân phối TA/HA:
N1 Pi i 1 tb SL SL N1 (2.10) Pi
SL - số lần cắt điện trạm phân phối i trong một năm; N1 - số trạm phân phối thuộc lưới phân phối được tính.
b) Thời gian cắt điện trung bình cho một trạm phân phối trong một năm:
N1 hPi i 1 htb t t N1 (2.11) htb
t - thời gian cắt điện một trạm phân phối một năm. c) Điện năng mất của toàn lưới phân phối:
N1
t i
i 1
W W (2.12)
2.3.3 Tính toán chỉ tiêu độ tin cậy của các đoạn ưới 2.3.3.1. n ưới mẫu
Xét hệ thống điện gồm 4 khu vực được cung cấp điện bởi 1 nguồn điện, có máy cắt ở đầu nguồn như hình vẽ 2.2:
ố lần ngừng điện: tất cả các khu vực của lưới sẽ có chung một giá trị số lần ngừng điện (với bất kỳ phân đoạn nào ngừng điện cũng khiến cho cả lưới ngừng theo)
I II III IV 'I 'II 'III 'IV
Thời gian ngừng điện: với các phân đoạn nằm ở phía trước, sự ảnh hưởng là toàn phần. Với các phân đoạn phía sau, sự ảnh hưởng là một phần, thời gian ngừng điện là thời gian thao tác mở DCL.
Tổng quát: Với phân đoạn i bất kỳ sẽ chịu ảnh hưởng toàn phần của phân đoạn i, (i-1) và một phần phân đoạn (i+1) .
NÐi i (i 1) (i 1) i
T [T ' T ' ] [T ' ]
scI ttscII ttscIII ttscIV
scI scII ttscIII ttscIV
scI scIII ttscII ttscIV
scI scI NĐSC I scIV ttscIII T ' 0 0 0 0 T T T T ' T ' 0 0 0 0 T T T T ' 0 T ' 0 0 T 0 T T ' T ' 0 T ' 0 0 T 0
ctI ttctII ttctIII ttctIV
ctI ctII ttctIII ttctIV
ctI ctIII ttctII ttctIV
ctI ctI NĐCT I ctIV ttctIII T ' 0 0 0 0 T T T T ' T ' 0 0 0 0 T T T T ' 0 T ' 0 0 T 0 T T ' T ' 0 T ' 0 0 T 0
b) Với các thiết bị là máy cắt, phân đoạn nào ngừng điện thì chỉ ảnh hưởng đến chính phân đoạn đó và các phân đoạn phía sau.
ố lần ngừng điện: I I II I II III I III IV I II III ... ... ... ' ' ' ' ' ' ' '
Thời gian ngừng điện:
Tổng quát: Thời gian ngừng điện của phân đoạn i bất kỳ bao gồm thời gian ngừng toàn phần của phân đoạn i và (i-1)
NÐi i (i 1)
scI scI scII N SC scI scIII scI scII sc V Đ I T ' 0 0 0 T ' T ' 0 0 T T ' 0 T ' 0 T ' T ' 0 T ' ctI ctI ctII N CT ctI ctIII ctI ctII ct V Đ I T ' 0 0 0 T ' T ' 0 0 T T ' 0 T ' 0 T ' T ' 0 T ' Trong đó: ' ct cti i 0 cti ct ttcti i 0 ttcti ' sc sci i 0 sci sc ttsci i 0 ttsci T L . .T T L . .T T L . .T T L . .T ... .... n (i, j) (i, j Đ Đ) (i, j)ĐCT N N SC N j 1 T (T T ) i i n (i, j) i max max nd nd j 1 P .T A . T 8760 n i N n i Đ d A A
2.3.3.2 Xây dựng ma trận cấu trúc ưới
Để diễn tả cấu trúc, các trạng thái làm việc của các phần tử nhằm đánh giá ĐTCCCĐ, cần thiết thành lập các loại ma trận như sau [2,3,4]:
a) Ma trận đường nối (nxn)
Ma trận đường nối bao gồm tất cả các đoạn lưới nối từ nguồn tới nút tải S(i,j), trong đó j là đoạn lưới, i là nút nút đích. Các số hạng trong ma trận có thông số là 1 hoặc 0; (i,j) =1, có nghĩa là khu vực j nằm trên đường nối từ nguồn đến nút i, nếu (i,j)=0, có nghĩa là khu vực j không nằm trên đường nối từ nguồn đến nút i.
b) Ma trận liên hệ giữa nguồn với các khu vực khi có 1 khu vực bị sự cố
s
Các số hạng trong ma trận A có giá trị là 1 hoặc 0. Trong đó: s A (i, j)s 0 , khi hỏng hóc tại khu vực j, nguồn không cấp cho khu vực i. A (i, j) 1, khi hỏng s hóc tại khu vực j khi nguồn cấp cho khu vực i.