Lưới phõn phối hạ ỏp truyền tải cụng suất điện từ mỏy biến ỏp phõn phối đến cỏc khỏch hàng. Tại Việt Nam hiện tại lưới phõn phối hạ ỏp là lưới điện 0.4kV, chủ yếu là đường dõy trờn khụng. Đối với những khỏch hàng lớn cú thể được cấp điện trực tiếp từ mỏy biến ỏp phõn phối.
Chương 2
ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN LƯỚI PHÂN PHỐI 2.1. Khỏi niệm chung về độ tin cậy của hệ thống điện
2.1.1. Định nghĩa độ tin cậy
Hệ thống là tập hợp cỏc phần tử tương tỏc trong một cấu trỳc nhất định nhằm thực hiện một nhiệm vụ xỏc định, cú sự điều khiển thống nhất trong hoạt động cũng như tiến tới sự phỏt triển.
Đối với hệ thống điện, cỏc phần tử là mỏy phỏt điện, mỏy biến ỏp, đường dõy tải điện….Nhiệm vụ của hệ thống điện là sản xuất, truyền tải và phõn phối điện năng đến cỏc hộ tiờu thụ. Điện năng phải đảm bảo cỏc tiờu chuẩn chất lượng điện năng và độ tin cậy hợp lý. Hệ thống điện phải được phỏt triển tối ưu và vận hành với hiệu quả kinh tế cao nhất.
Hệ thống điện là hệ thống phục hồi, cỏc phần tử của hệ thống điện sau khi bị hỏng húc hệ thống được phục hồi sau thời gian nhất định.
Đa số cỏc phần tử của hệ thống điện cũn được bảo dưỡng định kỳ để phục hồi khả năng làm việc đó bị suy giảm sau một thời gian làm việc.
Phần tử là những bộ phận tạo thành hệ thống mà trong một quỏ trỡnh nhất định, được xem như một tổng thể duy nhất khụng chia cắt được, đặc trưng bởi cỏc thụng số độ tin cậy chung, chỉ phụ thuộc cỏc yếu tố bờn ngoài như mụi trường chứ khụng phụ thuộc vào cấu trỳc bờn trong của phần tử. Vỡ bản thõn phần tử cũng cú thể cú cấu trỳc phức tạp, nếu xột riờng nú là một hệ thống. Vớ dụ, mỏy phỏt là một hệ thống phức tạp nếu xột riờng, nhưng trong bài toỏn về độ tin cậy của hệ thống điện nú chỉ là một phần tử với cỏc thụng số như cường độ hỏng húc, thời gian phục hồi khụng đổi.
Định nghĩa chung cú tớnh chất kinh điển về độ tin cậy của hệ thống như sau:
Độ tin cậy là xỏc suất để hệ thống( hoặc phần tử) hoàn thành triệt để nhiệm vụ yờu cầu trong khoảng thời gian nhất định và trong điều kiện vận hành nhất định.
Cụ thể húa đối với hệ thống điện : độ tin cậy của hệ thống điện hoặc bộ phõn của nú là mức độ hoàn thành nhiệm vụ cung khối lượng cấp điện yờu cầu cho khỏch hàng với cỏc thụng số chất lượng và kỹ thuật trong phạm vi tiờu chuẩn đó định.
Độ tin cậy được đo bằng tần xuất, độ kộo dài và độ lớn cỳa cỏc ảnh hưởng xấu đến cung cấp điện: ngừng điện, thiếu điện, điện ỏp thấp…. Độ tin cậy cũng được đo bằng xỏc suất xảy ra mất điện toàn phần hoặc một phần. Xỏc suất được tớnh bằng độ sẵn sàng của hệ thống và phần tử .
Độ sẵn sàng là xỏc suất để hệ thống( hay phần tử) hoàn thành hoặc sẵn sàng hoàn thành nhiệm vụ trong thời điểm bất kỳ.
Độ tin cậy cụ thể của hệ thống điện bao gồm 2 phương diện: mức độ đầy đủ và mức độan toàn.
Mức độ đầy đủ: Khả năng của hệ thống điện cung cấp đủ cụng suất và điện năng yờu cầu của khỏch hàng tại mọi thời điểm, cú tớnh đến ngừng điện kế hoạch và ngẫu nhiờn ở mức hợp lý của cỏc phần tử của hệ thống.
Mức độ an toàn: Khả năng của hệ thống điện chịu được cỏc rối loạn đột ngột như ngắn mạch hoặc mất mỏt khụng lường trước được của cỏc phần tử của hệ thống.
2.1.2. Khỏi niệm về trạng thỏi và hỏng húc của hệ thống điện
Phần tử của hệ thống điện cú thể ở cỏc trạng thỏi khỏc nhau phụ thuộc vào tỡnh trạng kỹ thuật và chức năng của chỳng. Mỗi trạng thỏi kộo dài trong khoảng thời gian nhất định.
Đặc trưng của trạng thỏi là: thời gian trạng thỏi, xỏc suất trạng thỏi và tần suất trạng thỏi.
Tất cả cỏc trạng thỏi cú thể xảy ra của một phần tử tạo thành tập đủ cỏc trạng thỏi của phần tử. Việc phần tử ở trạng thỏi nào trong tập đủ cỏc trạng thỏi là đại lượng ngẫu nhiờn đo bởi xỏc suất phần tử ở trạng thỏi đú hay gọi là xỏc suất trạng thỏi. Tổng xỏc suất trạng thỏi của tập đủ cỏc trạng thỏi bằng 1.
Vớ dụ, mỏy biến ỏp cú thể cú hai trạng thỏi:
− Trạng thỏi tốt (trạng thỏi làm việc);
− Trạng thỏi hỏng.
Mỏy phỏt bỡnh thường cú 2 đến 3 trạng thỏi
− Trạng thỏi tốt;
− Trạng thỏi hỏng một phần;
− Trạng thỏi hỏng toàn phần.
2.1.3. Tổn thất kinh tế do mất điện và ảnh hưởng của độ tin cậy đến cấu trỳc của hệ thống điện của hệ thống điện
Hệ thống điện là một hệ thống phức tạp, gồm nhiều phần tử, cỏc phần tử liờn kết với nhau theo những sơ đồ phức tạp. Hệ thống điện thường nằm trờn địa bàn rộng của một quốc gia hay vựng lónh thổ. Khi cỏc phần tử của hệ thống hư hỏng cú thể dẫn đến ngừng cung cấp điện cho từng vựng hoặc toàn hệ thống.
Điện năng là động lực chớnh của toàn bộ nền kinh tế quốc dõn. Việc mất điện sẽ gõy ra cỏc hậu quả về kinh tế và xó hội rất lớn. Trờn quan điểm phõn loại hậu quả mất điện , người ta phõn phụ tải thành 2 loại :
− Loại phụ tải mà khi mất điện cú thể gõy ra cỏc hậu quả mang tớnh chớnh trị, xó hội.
− Loại phụ tải mà khi mất điện gõy ra cỏc hậu quả về kinh tế.
Đối với loại phụ tải thứ nhất phụ tải cần được cấp điện với độ tin cậy cao nhất. Cũn đối với loại thứ hai là bài toỏn kinh tế - kỹ thuật, trờn cơ sở cõn nhắc giữa vốn đầu tư vào hệ thống điện và tổn thất kinh tế do mất điện.
Tổn thất kinh tế do mất điện được nhỡn nhận từ hai gúc độ:
1. Tổn thất kinh tế cho cơ sở sản xuất kinh doanh cụ thể. Đú là tổn thất kinh tế mà cỏc cơ sở này phải chịu khi mất điờn đột ngột hay theo kế hoạch. Khi mất điện đột ngột , cỏc sản phẩm bị hư hỏng, sản xuất bị ngừng trệ gõy ra tổn thất kinh tế. Tổn thất này phụ thuộc vào số lần mất điện và thời gian mất điện. Khi mất điện theo kế hoạch tổn thất kinh tế sẽ nhỏ hơn do cơ sở sản xuất đó được chuẩn bị trước. Tổn thất này được tớnh toỏn cho từng loại xớ nghiệp cụ thể hoặc từng cơ sở kinh doanh cụ thể để phục vụ việc thiết kế cấp điện cho cỏc cơ sở này.
2. Tổn thất kinh tế nhỡn từ quan điểm hệ thống . Tổn thất này được tớnh toỏn từ cỏc tổn thất thật ở phụ thải theo quan điểm hệ thống . Nú nhằm phục vụ cho cụng tỏc thiết kế quy hoạch hệ thống điện sao cho thoả món nhu cầu độ tin cậy của phụ tải, đồng thời đảm bảo hiệu quả kinh tế của hệ thống điện .
Tổn thất này được tớnh cho lưới phõn phối , lưới truyền tải và nguồn điện một cỏch riờng biệt . Nú cũng được tớnh cho từng loại phụ tải cho một lần mất điện, cho 1kW hoăc 1kWh tổn thất và cũng được tớnh cho độ dài thời gian mất điện.
Để nõng cao độ tin cậy đũi hỏi vốn đầu tư rất lớn, do đú độ tin cậy khụng phải được nõng cao bằng mọi giỏ. Đầu tư vào nõng cao độ tin cậy chỉ cú hiệu quả khi mức giảm tổn thất kinh tế do nõng cao độ tin cậy lớn hơn chi phớ để nõng cao độ tin cậy.
Một số nước quy định mức đền bự thiệt hại cho khỏch hàng bị mất điện hay giỏ mất điện cho từng loại phụ tải, giỏ mất điện do sự cố, giỏ mất điện theo kế hoạch…
Ở Australia ( Power distribution technologies & design standards for Vietnam Hanoi 1993 ) Tớnh bằng tiền Australia.
Bảng 2.1. Giỏ mất điện ở Australia
Thứ tự
Loại phụ tải Ngừng điện kế hoạch (AUD/kWh)
Ngừng điện do sự cố
(AUD/kW h)
1 Phụ tải dõn dụng 0,5 1,5
2 Phụ tải doanh nghiệp bỡnh
thường 2,5 7,5
3 Phụ tải doanh nghiệp
nhạy cảm 5 15
Ở Phỏp năm 1998 sử dụng giỏ mất điện như sau: Ở lưới phõn phối: 14,5 F/kWh chung , khụng phõn biệt theo phụ tải ; ở lưới truyền tải cú hai cấp giỏ là : 7,5 F/kWh nếu cụng suất mất nhỏ hơn 8% , 14,5F/kWh nếu cụng suất mất lớn hơn 8% . ( EDF Interrnational – Hanoi 1990 ).
Ở Canada sử dụng bảng giỏ sau đõy cho quy hoạch thiết kế hệ thống điện (USD/kWh).
Bảng 2.2. Giỏ mất điện ở Canada
Thời gian mất điện Hộ tiờu thụ lớn Cụng nghiệp (USD/kWh) Thương mại (USD/kWh) Nụng nghiệp (USD/kWh) Dõn dụng (USD/kWh) 1 phỳt 0.073 0.46 0.129 0.027 0.0004 20 phỳt 0.111 1.332 1.014 0.155 0.044 1 giờ 0.163 2.990 2.951 2.245 1.143 4 giờ 0.291 8.899 10.922 1.027 2.235 8 giờ 0.060 18.156 28.020 2.134 6.778
Tại Việt Nam hiện nay chưa cú quy định về giỏ mất điện trong việc mua bỏn điện giữa ngành điện và khỏch hàng sử dụng. Tuy nhiờn trong tớnh toỏn thiết kế, phõn tớch hiệu quả đầu tư cỏc dự ỏn lưới điện phõn phối cỏc tổng cụng ty điện lực đang quy định chi phớ mất điện 1kWh do sự cố bằng 10 lần giỏ bỏn điện đối khu vực nụng thụn, miến nỳi và bằng 20 lần giỏ bỏn điện đối với khu vực đụ thị, khu kinh tế.
Thiệt hại khi ngừng cung cấp điện cho khỏch hàng là cơ sở rất quan trọng trong việc hoạch định chớnh sỏch về độ tin cậy cung cấp điện của cỏc cơ quan quản lý nhà nước về điện. Khi cỏc cụng ty điện lực đang từng bước cổ phần húa, hoạt động theo cơ chế thị trường việc nõng cao độ tin cậy cung cấp điện là bắt buộc theo cỏc quy định ràng buộc định lượng về độ tin cậy cung cấp điện thỡ thiệt hại do ngừng điện khỏch hàng là vấn đề rất đỏng quan tõm để đảm bảo hiệu quả kinh tế trong việc đầu tư.
2.2. Độ tin cậy của cỏc phần tử 2.2.1. Phần tử khụng phục hồi 2.2.1. Phần tử khụng phục hồi
Là cỏc phần tử chỉ cú thể làm việc tới lần hỏng đầu tiờn và khụng cú khả năng phục hồi sau khi bị sự cố. Thời gian từ khi làm việc tới khi xảy ra sự cố là thời gian phục vụ T là đại lượng ngẫu nhiờn và cú hàm phõn bố xỏc suất :
F (t)T P(Tt) P(Tt) là xỏc suất để cỏc phần tử làm việc từ thời điểm 0 cho đến thời
điểm bất kỳ t; t là biến số. Đú cũng là xỏc suất để phần tử hỏng trước hoặc đỳng thời điểm t. Hàm mật độ f (t) : T T t 0 1 f (t) lim P(t T t t) t
Trong đú : f (t). tT là xỏc suất để thời gian phục vụ T nằm trong khoảng (t, t +∆t ) với ∆t đủ nhỏ.
Theo lý thuyết xỏc suất ta cú :
(2.1)
t T T 0 F (t)f (t).dt T dF (t)T f (t) dt
Hàm phõn bố và hàm mật độ là hai đại đặc trưng cơ bản của mỗi đại lượng ngẫu nhiờn. Ta xột cỏc đại lượng cơ bản khỏc đặc trưng cho ĐTC của phần tử.
ĐTC R(t)
Theo định nghĩa ĐTC, hàm R(t) cú dạng như sau : R(t) = P (T > t )
Trong đú P ( T > t ) là xỏc suất để thời gian phục vụ lớn hơn t, cũng tức là hỏng sau thời điểm t.
Do vậy : R(t) = 1 – FT(t)
Hỡnh 2.1. Hàm ĐTC R(t)
Cường độ hỏng húc λ(t)
Với Δt đủ nhỏ thỡ λ(t).Δt chớnh là xỏc suất để phần tử đó phục vụ đến thời t sẽ hỏng trong khoảng Δt tiếp theo.
Từ định nghĩa ta suy ra : t 0 (t)dt R(t) e Đõy là cụng thức cơ bản cho phộp tớnh được ĐTC của phần tử khi biết cường độ hỏng húc của nú, cũn cường độ hỏng húc thỡ được xỏc định nhờ thống kờ quỏ trỡnh hỏng húc trong quỏ khứ của phần tử.
Trong HTĐ thường sử dụng điều kiện : λ(t) = λ = hằng số
(2.3)
(2.4)
(2.5)
Do đú : R(t)et;F (t) 1 eT t;fT et Luật phõn bố này gọi là luật phõn bố mũ.
Thời gian làm việc trung bỡnh TLV
LV T 0 0 0 dR(t) T t.f (t).dt t. dt R(t)dt dt Với λ(t) = hằng số; R(t)etdo đú : TLV 1 (
Đõy là cụng thức quan trọng cho quan hệ giữa thời gian làm việc và cường độ hỏng húc của cỏc phần tử cú luật phõn bố mũ. Như vậy với cỏc phần tử khụng phục hồi, ĐTC được mụ tả nhờ cường độ hỏng húc λ(t) hoặc ĐTC R(t).
2.2.2. Phần tử phục hồi
2.2.2.1. Sửa chữa sự cố lý tưởng cú thời gian phục hồi τ = 0
Giả thiết sau sửa chữa phần tử như mới. Đõy là trường hợp cỏc phần tử hư hỏng được thay thế rất nhanh bằng cỏc phần tử dự phũng (vớ dụ như MBA). Thay cho khỏi niệm cường độ hỏng húc của cỏc phần tử khụng phục hồi, đối với cỏc phần tử phục hồi dựng khỏi niệm thụng số dũng hỏng húc ω(t).
Tương tự λ(t) thỡ ω(t). Δt chớnh là xỏc suất để hỏng húc xảy ra trong khoảng thời gian ( t, t + Δt) : t 0 1 (t) lim P t
( hỏng xảy ra trong khoảng (t , t + Δt) (1
Mà P(hỏng xảy ra trong khoảng (t , t + Δt)) = k
k 1 f (t). t Kết hợp với (2.9) : k k 1 (t) f (t)
Nếu thời gian làm việc tuõn theo hàm phõn bố mũ thỡ fT .etvà khi đú thời gian đến lần hỏng thứ k tuõn theo quy luật Poisson :
(2.7)
(2.8)
(2.9)
(2.10)
k 1 k t k t f (t) e (k 1)! k k 1 k 1 t t t t k k 1 k 1 k 1 .t ( .t) (t) f (t) e .e .e .e (k 1)! (k 1)!
Vậy, khi thời gian làm việc của phần tử tuõn theo luật mũ thỡ thụng số dũng hỏng húc ω(t) là hằng số và bằng cường độ hỏng húc của phần tử : ω(t) =λ
2.2.2.2. Sửa chữa sự cố thực thế, thời gian phục hồi τ
Khỏc với phần tử phục hồi cú thời gian phục hồi bằng 0, cỏc phần tử cú thời gian phục hồi khỏc 0 sẽ chịu một quỏ trỡnh ngẫu nhiờn hai trạng thỏi : trạng thỏi làm việc và trạng thỏi hỏng húc với đặc trưng tương ứng là thời gian làm việc TLV và thời gian sửa chữa τ .
Tương ứng với hai thời gian đặc trưng trờn cần cú hai hàm phõn bố xỏc suất là hàm phõn bố thời gian làm việc FLV (t) và hàm phõn bố thời gian ở trạng thỏi hỏng FH (t).
Hỡnh 2.2. Trạng thỏi làm việc và trạng thỏi hỏng húc của phần tử
Cỏc đại lượng và chỉ tiờu cần thiết để mụ tả hành vi của phần tử phục hồi :
Xỏc suất phần tử ở trạng thỏi tốt tại thời điểm t gọi là xỏc suất trạng thỏi làm việc PLV (t).
Xỏc suất phần tử ở trạng thỏi hỏng tại thời điểm t là PH (t)
(2.12)
Thụng số dũng hỏng húc ω(t) : t 0 1 (t) lim P X(t t) H X(t) LV t
Trong đú : X(t) là trạng thỏi của phần tử tại thời điểm t
Cường độ chuyển trạng thỏi từ trạng thỏi làm việc sang trạng thỏi hỏng : LV H t 0 1 q (t) lim P t
[ hỏng trong thời gian (t, t + Δt )/làm việc ở thời điểm t]
= t 0 1 lim P X(t t) H / X(t) LV t Hay : LV H LV P X(t t) H X(t) LV (t). t (t). t q (t). t P X(t) LV P X(t) LV P (t) Nờn : (t) qLV H(t) .PLV(t)
Thời gian làm việc trung bỡnh TLV
Thời gian hỏng trung bỡnh τ
Thời gian trung bỡnh của một chu kỳ làm việc-hỏng : TCK = TLV + τ
Hệ số sẵn sàng : LV LV CK LV T T A T T Hệ số khụng sẵn sàng : LV A 1 A T
Giả thiết rằng TLV và τ đều tuõn theo luật phõn bố mũ (trong thực tế τ tuõn theo luật phõn bố chuẩn, song giả thiết trờn cú thể giỳp ta cú thể ỏp dụng mụ hỡnh Markov, hơn nữa kết quả tớnh toỏn cú thể chấp nhận được ), ta cú :
FT (t) – phõn bố xỏc suất của thời gian làm việc = 1- e-λt Fτ(t) – phõn bố xỏc suất của thời gian hỏng húc = 1- e-àt