2.2.1. Khái niệm chung về độ tin cậy
Trong sự phát triển về khoa học và kỹ thuật, độ tin cậy đã trở thành chỉ tiêu then chốt, đặc biệt đối với những hệ có cấu trúc phức tạp nhằm hoàn thành những chức năng quan trọng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau.
Các phương pháp nghiên cứu về độ tin cậy theo những hướng như sau:
- Nghiên cứu cơ sở toán học về độ tin cậy: nhằm đưa ra quy luật và những tính toán
định lượng về độ tin cậy. Đây là hướng xuất phát để tạo nên khoa học về độ cậy.
- Nghiên cứu thống kê về độ tin cậy: nhằm thu thập xử lý số liệu và đưa ra
những đặc trưng thống kê về những chỉ tiêu độ tin cậy. Dựa trên tính chất đám đông của số liệu thông kê, nhằm đưa ra những yếu tố ảnh hưởng đến những chỉ tiêu cơ bản về độ tin cậy.
- Nghiên cứa bản chất vật lý về độ tin cậy: nhằm khảo sát nguyên nhân của sự
cố, hiện tượng già cỗi, điều kiện môi trường, độ bền vật liệu v.v... ảnh hưởng đến độ tin cậy trong các quá trình vật lý và hoá học khác nhau.
Độ tin cậy bao gồm các vấn đề về lý thuyết và thực tế nhằm nghiên cứu những nguyên nhân, quy luật của sự cố, những phương pháp tính toán và biện pháp nâng cao độ tin cậy. Ngoài ra khi lựa chọn độ tin cậy của hệ phải quan tâm đến hành vi kinh tế để đạt được lời giải tối ưu tổng thể.
Mô hình toán học đánh giá định lượng độ tin cậy dựa trên nền tảng lý thuyết xác suất vì các sự cố xảy ra là một sự kiện ngẫu nhiên, cũng như khoảng thời gian làm việc, khoảng thời gian cần thiết để sửa chữa sự cố v.v... đều là những đại lượng ngẫu nhiên.
Như vậy nghiên cứu về độ tin cậy cung cấp điện là một chỉ tiêu chất lượng quan trọng của hệ thống điện. Mô tả, đánh giá và điều khiển hành vi đó là một trong những nhiệm vụ chủ yếu khi thiết kế và điều khiển hệ thống điện.
2.2.2. Độ tin cậy của hệ thống
2.2.2.1. Khái niệm về độ tin cậy của hệ thống điện
Hệ thống điện là tập hợp các phần tử như: máy phát điện, máy biến áp, đường dây tải điện… tương tác trong một cấu trúc nhất định và có sự điều khiển thống nhất trong hoạt động nhằm thực hiện nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện
năng đến các hộ tiêu thụ. Đảm bảo các yêu cầu về chất lượng điện năng, độ tin cậy hợp lý, phát triển tối ưu và vận hành với hiệu quả kinh tế cao nhất.
Hệ thống điện là một hệ thống phục hồi, các phần tử trong hệ thống sau khi bị hỏng sẽ được phục hồi và đưa trở lại làm việc, do đó trạng thái hỏng hóc của hệ thống cũng được phục hồi sau một thời gian nhất định.
Độ tin cậy của hệ thống được xác định theo độ tin cậy của các phần tử.
Độ tin cậy của hệ thống: là xác suất để hệ thống (hoặc phần tử) hoàn thành
triệt để nhiệm vụ yêu cầu trong khoảng thời gian nhất định và trong điều kiện vận hành nhất định.
Hệ thống điện làm việc liên tục do đó khái niệm khoảng thời gian không có ý nghĩa bắt buộc. Như vậy độ tin cậy được đo bằng đại lượng thích hợp hơn đó là độ sẵn sàng:
- Độ sẵn sàng là xác suất để hệ thống hay phần tử hoàn thành hoặc sẵn sàng hoàn thành nhiệm vụ trong thời điểm bất kỳ. Độ sẵn sàng được tính bằng tỷ số giữa thời gian hệ thống ở trạng thái tốt và tổng thời gian hoạt động.
- Ngược lại độ sẵn sàng là độ không sẵn sàng: là xác suất để hệ thống hoặc phần tử ở trạng thái hỏng.
2.2.2.2. Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của hệ thống điện
- Xác suất thiếu điện cho phụ tải: xác suất phụ tải lớn hơn công suất của nguồn điện.
- Xác suất thiếu điện trong thời gian phụ tải cực đại.
- Điện năng thiếu cho phụ tải, đó là kỳ vọng điện năng phụ tải bị cắt do hỏng hóc hệ thống trong một năm.
- Thiệt hại kinh tế tính bằng tiền do mất điện.
- Thời gian mất điện trung bình cho một phụ tải trong một năm. - Số lần mất điện trung bình cho một phụ tải trong một năm.
2.2.2.3. Trạng thái và hỏng hóc của hệ thống điện 1. Trạng thái của phần tử
- Phần tử của hệ thống điện có thể ở các trạng thái khác nhau phụ thuộc vào tình trạng kỹ thuật và chức năng của chúng. Mỗi trạng thái kéo dài trong một khoảng thời gian nhất định.
- Thông số đặc trưng trạng thái của phần tử: thời gian trạng thái, xác suất trạng thái và tần suất trạng thái.
- Tất cả các trạng thái có thể xảy ra của một phần tử tạo thành một tập đủ các trạng thái, phần tử ở trạng thái nào trong tập đủ là đại lượng ngẫu nhiên và được đo bởi xác suất phần tử ở trạng thái đó gọi tắt là xác suất trạng thái.
Tổng xác suất trạng thái của tập đủ các trạng thái bằng 1.
Xác suất trạng thái tốt của phần tử chính là độ sẵn sàng, còn xác suất trạng thái hỏng là độ không sẵn sàng của phần tử.
2. Trạng thái và hỏng hóc của hệ thống
Trạng thái của hệ thống điện là tổ hợp các trạng thái của tất cả các phần tử tạo thành nó. Xác suất trạng thái của hệ thống điện chính là tích của các xác suất trạng thái của các phần tử nếu các phần tử của hệ thống điện độc lập với nhau.
- Số trạng thái của hệ thống điện rất lớn: 2n trạng thái, n là số phần tử
- Thông số đặc trưng trạng thái của hệ thống điện: thời gian trạng thái (Ti); tần suất trạng thái (fi); xác suất trạng thái (Pi)
- Tập các trạng thái của hệ thống điện:
+ Tập trạng thái tốt: hệ thống điện làm việc tốt.
+ Tập trạng thái hỏng: hệ thống điện bị hỏng theo tiêu chuẩn đã chọn. Tổng xác suất của tập đủ các trạng thái của hệ thống điện: Pi = 1.
Mô tả mối quan hệ trạng thái hỏng máy phát và đường dây (gồm cả máy biến áp) với các trạng thái hỏng hóc của hệ thống điện (hình 2.8).
- Trạng thái không hoàn thành nhiệm vụ: + Phụ tải bị mất điện.
+ Hệ thống điện bị sụp đổ, mất điện một phần hoặc toàn hệ thống. - Nguyên nhân trực tiếp khiến phụ tải mất điện :
+ Thiếu công suất phát.
+ Nút tải bị cô lập do sự cố đường dây cấp điện trực tiếp. + Đường dây bị quá tải hoặc điện áp nút không đạt yêu cầu. + Hệ thống điện bị phân rã.
- Trạng thái hỏng máy phát và đường dây có gây nên trạng thái hỏng của hệ thống điện hay không còn tuỳ thuộc vào cấu trúc của hệ thống điện:
+ Độ dư thừa công suất phát.
+ Độ dư thừa khả năng tải của lưới điện.
2.2.2.4. Tổn thất kinh tế do mất điện và ảnh hưởng của độ tin cậy đến cấu trúc của hệ thống điện
1. Tổn thất kinh tế do mất 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 và kinh tế rất lớn.
- Theo hậu quả mất điện phụ tải được chia làm hai loại:
+ Phụ tải mà khi mất điện gây ra các hậu quả mang tính chính trị - xã hội: cần phải được cấp điện với độ tin cậy cao nhất có thể.
+ Phụ tải mà khi mất điện gây ra các hậu quả kinh tế: 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.
- Hai khái niệm về tổn thất kinh tế do mất điện:
Hỏng máy phát
Hỏng đường dây
Mất công suất phát Thiếu công suất phát
Nút nguồn bị cô lập
Độ dư thừa của lưới giảm
Nút tải bị cô lập
Hệ thống điện bị phân rã
Đường dây quá tải hoặc điện áp nút không đạt
Phụ tải bị mất điện
Hệ thống điện suy sụp
Sự cố lan rộng
+ Tổn thất kinh tế mà các cơ sở sản xuất, kinh doanh phải chịu khi mất điện đột ngột (sản phẩm bị hỏng, sản xuất bị ngừng trệ) hay theo kế hoạch (tổn thất nhỏ do cơ sở sản xuất đã được chuẩn bị).
Phục vụ cho thiết kế cung cấp điện cho các cơ sở sản xuất, kinh doanh.
+ Tổn thất kinh tế nhìn từ quan điểm hệ thống: được tính toán từ tổn thất thật ở phụ tải, nhằm phục vụ công việc thiết kế, quy hoạch hệ thống điện sao cho thoả mãn được nhu cầu về độ tin cậy của phụ tải và đảm bảo hiệu quả kinh tế của hệ thống điện.
2. Ảnh hưởng của độ tin cậy đến cấu trúc của 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 sự cố, dự trữ thiết bị, phương tiện đi lại, tổ chức sửa chữa sự cố và bảo dưỡng định kỳ.
2.2.2.5. Đặc điểm và các biện pháp nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện 1. Đặc điểm của hệ thống điện về mặt độ tin cậy
- Có nhiều phần tử, các phần tử đa dạng, có nhiều trạng thái làm việc và có thể phục hồi.
- Mối liên hệ giữa các phần tử phức tạp.
- Hệ thống điện là hệ thống có dự phòng về: công suất, năng lượng sơ cấp, số phần tử và khả năng tải của chúng, sơ đồ nối dây.
- Hệ thống điện có khả năng phục hồi do các phần tử của nó có khả năng phục hồi.
- Hệ thống điện có nhiều trạng thái làm việc, mỗi trạng thái tương ứng với mức độ hoàn thành công việc khác nhau.
- Hệ thống điện có bảo dưỡng định kỳ: tiểu tu, trung tu và đại tu. Khi phần tử hết hạn sử dụng sẽ được loại bỏ và thay bằng phần tử mới, do đó hệ thống điện luôn luôn ở trong giai đoạn làm việc bình thường với cường độ hỏng hóc trung bình là hằng số.
- Tác động vận hành phức tạp.
2. Các biện pháp nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện
- Sử dụng hợp lý các loại dự trữ: + Dự trữ năng lượng sơ cấp.
+ Dự trữ công suất nguồn, công suất máy biến áp, khả năng tải của lưới điện về phát nóng, về tổn thất điện áp, về ổn định tĩnh và ổn định động, dự trữ thiết bị thay thế.
- Hoàn thiện cấu trúc lưới điện làm chúng trở nên linh hoạt, có độ dự trữ cao và có khả năng thích ứng nhanh với mọi tình huống vận hành.
- Sử dụng các thiết bị bảo vệ, thiết bị điều khiển tự động chống sự cố và điều chỉnh chế độ ngày càng hoàn thiện.
- Sử dụng các thiết bị có chất lượng cao. - Tổ chức tốt hệ thống quản lý và vận hành.
- Không ngừng nâng cao khả năng vận hành của cán bộ, kỹ sư và công nhân. - Thực hiện các biện pháp sa thải phụ tải hợp lý và tổ chức tốt công tác ở phụ tải khi xảy ra mất điện để hạn chế thiệt hại.
Để nâng cao độ tin cậy đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, do đó độ tin cậy không phải 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.
2.2.2.6. Bài toán độ tin cậy và phương pháp giải 1. Phân loại bài toán độ tin cậy
- Theo cấu trúc, bài toán độ tin cậy của hệ thống điện được chia làm bốn loại: + Bài toán độ tin cậy của hệ thống phát: chỉ xét riêng các nguồn điện.
+ Bài toán độ tin cậy của hệ thống điện: xét cả nguồn điện đến các nút tải hệ thống do lưới hệ thống cung cấp điện.
+ Bài toán về độ tin cậy của lưới truyền tải và lưới phân phối. + Bài toán về độ tin cậy của phụ tải.
- Theo mục đích, bài toán độ tin cậy chia làm:
+ Bài toán quy hoạch: phục vụ quy hoạch phát triển hệ thống điện. + Bài toán vận hành: phục vụ vận hành hệ thống điện.
- Theo nội dung, bài toán độ tin cậy chia làm:
+ Bài toán giải tích: tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống điện có cấu trúc cho trước.
+ Bài toán tổng hợp: xác định trực tiếp thông số của một phần tử bất kỳ nếu cho trước yêu cầu độ tin cậy và các thông số của các phần tử còn lại.
Bài toán tổng hợp trực tiếp rất phức tạp nên chỉ có thể áp dụng trong những bài toán nhỏ, hạn chế.
Bài toán tổng hợp lớn cho nguồn điện và lưới điện phải dùng phương pháp tổng hợp gián tiếp: lập nhiều phương án rồi tính chỉ tiêu độ tin cậy bằng phương pháp giải tích để so sánh, chọn phương án tối ưu.
Mỗi loại bài toán về độ tin cậy đều gồm có bài toán quy hoạch và vận hành. Mặt khác lại bao gồm loại bài toán giải tích và tổng hợp.
Bài toán phân tích độ tin cậy có ý nghĩa rất quan trọng trong quy hoạch, thiết kế cũng như vận hành hệ thống điện. Nội dung của bài toán là tính các chỉ tiêu độ tin cậy của một bộ phận nào đó của hệ thống điện từ các thông số độ tin cậy của các phần tử của nó. Các chỉ tiêu độ tin cậy bao giờ cũng gắn liền với các tiêu chuẩn hỏng hóc hay tiêu chuẩn hoàn thành nhiệm vụ do người phân tích độ tin cậy đặt ra: tiêu chuẩn hỏng hóc của lưới điện có thể là phụ tải mất điện, điện áp thấp hơn giá trị cho phép, dây dẫn quá tải…
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống điện
- Độ tin cậy của phần tử:
+ Cường độ hỏng hóc, thời gian phục hồi. + Sửa chữa định kỳ.
+ Ngừng điện công tác.
Nguồn điện Lưới hệ thống Lưới truyền tải Lưới phân phối Phụ tải
Hệ thống phát
Hệ thống điện Lưới điện
1 2 3 4
- Cấu trúc của hệ thống: sự ghép nối giữa các phần tử trong sơ đồ trạm, hình dáng lưới điện.
- Khả năng thao tác và đổi nối trong sơ đồ (tự động hoặc bằng tay). - Hệ thống tổ chức quản lý và vận hành.
- Tổ chức và bố trí các đơn vị cơ động can thiệp khi sự cố: + Tổ chức mạng lưới phục hồi sự cố và sửa chữa định kỳ. + Dự trữ thiết bị, sửa chữa.
+ Dự trữ công suất trong hệ thống.
+ Cấu trúc và hoạt động của hệ thống điều khiển vận hành. + Sách lược bảo quản định kỳ thiết bị.
- Ảnh hưởng môi trường: + Phụ tải điện.
+ Yếu tố thời tiết khí hậu, nhiệt độ và độ ô nhiễm của môi trường.
- Yếu tố con người: trình độ của nhân viên vận hành, yếu tố kỹ thuật, tự động hoá vận hành.
Trong bài toán giải tích độ tin cậy, các yếu tố trên là yếu tố đầu vào còn đầu ra là chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống điện. Việc tính đến mọi yếu tố rất phức tạp nên tùy từng phương pháp một số yếu tố bị bỏ hoặc đơn giản hóa. Kết quả được sử dụng trong quy hoạch và vận hành hệ thống điện.
- Bài toán về độ tin cậy phục vụ quy hoạch: nhằm xác định việc đưa thêm thiết bị mới, thay đổi cấu trúc của hệ thống điện trong các năm tiếp theo.