Phương pháp cây hỏng hóc được mô tả bằng đồ thị quan hệ nhân quả giữa các dạng hỏng hóc trong hệ thống, giữa hỏng hóc hệ thống và các hỏng hóc thành phần trên cơ sở hàm đại số Boole. Cơ sở cuối cùng để tính toán là các hỏng hóc cơ bản của các phần tử. Cây hỏng hóc mô tả quan hệ logic giữa các phần tử hay giữa các phần tử và từng mãng của hệ thống, giữa các hỏng hóc cơ bản và hỏng hóc hệ thống. Phương pháp cây hỏng hóc là phương pháp rất hiệu quả để nghiên cứu độ tin
24
cậy của các hệ thống phức tạp, có thể áp dụng cho hệ thống điện.
3.2.4. Phương pháp mô phỏng Monte - Carlo
Phương pháp Monte - Carlo mô phỏng hoạt động của các phần tử trong hệ thống như một quá trình ngẫu nhiên. Nó tạo ra lịch sử hoạt động của các phần tử và của hệ thống một cách nhân tạo trên máy tính điện tử, sau đó sử dụng các phương pháp đánh giá thống kê để phân tích rút ra các kết luận về độ tin cậy của phần tử và hệ thống.
Mỗi phương pháp đều có ưu thế riêng cho từng loại bài toán. Phương pháp Monte - Carlo được sử dụng chủ yếu cho giải tích độ tin cậy của hệ thống điện. Phương pháp cây hỏng hóc thích hợp với độ tin cậy của các nhà máy điện. Các bài toán về độ tin cậy của nguồn điện thường sử dụng phương pháp không gian trạng thái. Bài toán độ tin cậy của lưới điện sử dụng phương pháp không gian trạng thái phối hợp với phương pháp đồ thị - giải tích rất có hiệu quả. Ở đây chúng ta sử dụng phương pháp đồ thị - giải tích cho việc đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối.
Ưu điểm của phương pháp này là dễ sử dụng, có thể áp dụng cho các hệ thống rất phức tạp mà các phương pháp khác không áp dụng được. Đối với hệ thống điện, phương pháp Monte - Carlo cho phép tính được ảnh hưởng của các hoạt động vận hành đến độ tin cậy của hệ thống, do đó phương pháp này ngày càng có ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu độ tin cậy của hệ thống điện.
Nhược điểm của phương pháp này là đòi hỏi khối lượng tính toán lớn và kết quả có độ tán xạ rất cao.
3.3. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Các chỉ tiêu độ tin cậy lưới điện phân phối được đánh giá khi dùng 3 khái niệm cơ bản, đó là cường độ mất điện trung bình λ (do sự cố hoặc theo kế hoạch), thời gian mất điện (sửa chữa) trung bình t, thời gian mất điện hàng năm trung bình T của phụ tải.
Tuy nhiên, những giá trị này không phải là giá trị quyết định mà là giá trị trung bình của phân phối xác suất, vì vậy chúng chỉ là những giá trị trung bình dài hạn. Mặc dù 3 chỉ tiêu trên là quan trọng, nhưng chúng không đại diện một cách
25
toàn diện để thể hiện độ tin cậy của hệ thống. Chẳng hạn các chỉ tiêu trên được đánh giá không thể hiện được tương ứng với 1 khách hàng hay 100 khách hàng, tải trung bình tại điểm đánh giá là 10kW hay 10MW. Để đánh giá được một cách toàn diện về sự mất điện của hệ thống, người ta còn đánh giá thêm các chỉ tiêu sau:
3.3.1. Tần suất mất điện trung bình của hệ thống- SAIFI
Tổng số lần mất điện của khách hàng i Ni
SAIFI = =
Tổng số khách hàng được phục vụ Ni
Ở đây i là cường độ mất điện và Ni là số khách hàng của nút phụ tải thứ i. Chỉ tiêu này xác định số lần mất điện trung bình của một khách hàng trong một năm.
3.3.2. Tần suất mất điện trung bình của khách hàng - CAIFI
Tổng số lần mất điện của khách hàng CAIFI =
Tổng số khách hàng bị ảnh hưởng
Chỉ tiêu này xác định số lần mất điện đối với khách hàng bị ảnh hưởng.
3.3.3. Thời gian mất điện trung bình của hệ thống- SAIDI
Tổng số thời gian mất điện của khách hàng Ti Ni SAIDI = = Tổng số khách hàng Ni Ở đây Ti là thời gian mất điện trung bình hàng năm và Ni là số khách hàng của nút phụ tải thứ i. Chỉ tiêu này xác định thời gian mất điện trung bình của một khách hàng trong một năm.
3.3.4. Thời gian mất điện trung bình của khách hàng-CAIDI
Tổng số thời gian mất điện của khách hàng Ti Ni
CAIDI = =
Tổng số lần mất điện của khách hàng i Ni Ở đây i là cường độ mất điện, Ti là thời gian mất điện trung bình hàng năm và Ni là số khách hàng của nút phụ tải thứ i. Chỉ tiêu này xác định thời gian mất điện trung bình của một khách hàng trong một năm cho một lần mất điện.
26
3.3.5. Tổng thời gian mất điện trung bình của khách hàng
Tổng số thời gian mất điện của khách hàng Ti Ni
CTAIDI = =
Tổng số khách hàng bị mất điện Ni Ở đây Ti là thời gian mất điện trung bình hàng năm và Ni là số khách hàng của nút phụ tải thứ i. Chỉ tiêu này xác định tổng thời gian mất điện trung bình của một khách hàng trong một năm.
3.3.6. Độ sẵn sàng (không sẵn sàng) phục vụ trung bình, ASAI và (ASUI) (ASUI)
Số giờ khách hàng được cung cấp điện ASAI =
Số giờ khách hàng cần cung cấp điện
Ni x 8760 - Ti Ni =
Ni x 8760
ASUI = 1- ASAI = ( Ti Ni )/ ( Ni x 8760 )
Chỉ tiêu này xác định mức độ sẵn sàng hay độ tin cậy (không sẵn sàng) của hệ thống.
3.3.7. Năng lượng không được cung cấp- ENS
ENS = Tổng số điện năng không được cung cấp bởi hệ thống = Pi Ti
Ở đây Pi là tải trung bình được nối vào nút tải thứ i. Chỉ tiêu này xác định sản lượng điện bị mất đối với hệ thống trong một năm.
3.3.8. Điện năng trung bình không được cung cấp- AENS
Tổng điện năng không cung cấp được Pi Ti AENS = = Tổng số khách hàng được phục vụ Ni
Chỉ tiêu này xác định sản lượng điện bị mất trung bình đối với một khách hàng trong một năm.
27
3.3.9. Chỉ số mất điện khách hàng trung bình-ACCI
Tổng số điện năng không cung cấp được ACCI =
Tổng số khách hàng bị ảnh hưởng
Chỉ tiêu này xác định sản lượng điện bị mất trung bình đối với một khách hàng bị ảnh hưởng trong một năm.
3.4. TÍNH TOÁN CÁC CHỈ SỐ TIN CẬY CỦA LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THEO SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG
Trong mục này ta tính toán, nghiên cứu việc áp dụng các thiết bị đóng cắt trên lưới điện mô phỏng bằng các thiết bị: Máy cắt, cầu dao, cầu chì từ đó có các chỉ số tin cậy.
Trong tính toán độ tin cậy, lưới điện hình tia gồm các phần tử mắc nối tiếp, nên các chỉ số trung bình cơ bản về độ tin cậy của hệ thống được tính như sau:
s = i (3.17) Ts = i ti (3.18) ts = Ts / s = ( i ti )/( i ) (3.19) Trong đó:
-i, s là cường độ mất điện trung bình của từng thành phần (đoạn lưới) và của hệ thống trong một năm (lần/năm).
- ti, ts là thời gian mất điện trung bình của từng thành phần (đoạn lưới) và của hệ thống cho một lần mất điện (giờ/lần).
-Ts là thời gian mất điện trung bình năm của hệ thống.
3.4.1. Vận hành theo sơ đồ lưới điện hình tia có rẽ nhánh
Xét sơ đồ lưới điện như hình 3.8 các sự cố xảy ra trên mỗi đoạn 1, 2, 3, 4 hoặc trên các nhánh rẽ a, b, c, d đều làm máy cắt đầu nguồn tác động và toàn hệ thống sẽ bị mất điện. Sau khi sự cố được khắc phục máy cắt sẽ được đóng lại để phục hồi việc cấp điện. Trên cơ sở các số liệu về suất sự cố trung bình và thời gian mất điện trung bình ta tính được các chỉ tiêu về độ tin cậy cho các nút tải A, B, C, D và sẽ được kết quả các trị số , t, T ở các nút tải là như nhau.
28
Trong thực tế sự mất điện trên đường dây có tỷ lệ tương ứng với chiều dài của nó. Giả sử cho suất sự cố bình quân trên các đoạn tuyến trục chính là = 0,1 lần/km.năm và các nhánh rẽ là 0,2 lần/km.năm, thời gian sự cố, chiều dài đường dây, số lượng khách hàng và tải bình quân cho ở bảng 3.1 và bảng 3.2, ta sẽ được kết quả tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy của các nút phụ tải cho ở bảng 3.3.
Bảng 3-1: Thông số của hệ thống
Phần tử 1 2 3 4 a b c d
l (km) 2 1 3 2 1 3 2 1
(lần/năm) 0,2 0,1 0,3 0,2 0,2 0,6 0,4 0,2
t (giờ) 4 4 4 4 2 2 2 2
Bảng 3-2: Số liệu về khách hàng và tải trung bình ở các nút phụ tải
Nút tải A B C D Số lượng khách hàng 1000 800 700 500 Tải trung bình (kW) 5000 4000 3000 2000 1 2 3 4 a b c d A B D C
29
Bảng 3-3: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 3.8
Thành phần
Nút tải A Nút tải B Nút tải C Nút tải D
(l/n) t (g/l) T (g/n) (l/n) t (g/l) T (g/n) (l/n) t (g/l) T (g/n) (l/n) t (g/l) T (g/n) 1 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 2 0,1 4 0,4 0,1 4 0,4 0,1 4 0,4 0,1 4 0,4 3 0,3 4 1,2 0,3 4 1,2 0,3 4 1,2 0,3 4 1,2 4 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 a 0,2 2 0,4 0,2 2 0,4 0,2 2 0,4 0,2 2 0,4 b 0,6 2 1,2 0,6 2 1,2 0,6 2 1,2 0,6 2 1,2 c 0,4 2 0,8 0,4 2 0,8 0,4 2 0,8 0,4 2 0,8 d 0,2 2 0,4 0,2 2 0,4 0,2 2 0,4 0,2 2 0,4 Cộng 2,2 2,73 6,0 2,2 2,73 6,0 2,2 2,73 6,0 2,2 2,73 6,0
Khi đó các chỉ tiêu về độ tin cậy của hệ thống trên là: SAIFI = 2,2 lần mất điện/khách hàng.năm SAIDI = 6,0 giờ /khách hàng.năm
CAIDI = 2,73 giờ /lần mất điện ASAI = 0,999315 ENS = 84,0 MWh/năm
30
3.4.1.1.Lưới điện hình tia rẽ nhánh có bảo vệ bằng cầu chì
Hìnhvẽ 3-9: Sơ đồ lƣới điện hình tia có nhánh rẽ đƣợc bảo vệ bằng cầu chì
Thực tế đối với lưới điện phân phối hiện nay tại đầu mỗi nhánh rẽ thường được lắp đặt các cầu chì tự rơi như trong hình3.9. Khi ngắn mạch xảy ra trên các nhánh rẽ thì cầu chì sẽ tác động, nhánh rẽ bị sự cố được tách ra, không làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác. Do đó các chỉ tiêu về độ tin cậy của hệ thống sẽ được thay đổi. Trong trường hợp này các chỉ tiêu về độ tin cậy sẽ được cải thiện cho tất cả các nút tải, mặc dù việc cải thiện này là khác nhau cho mỗi nhánh. Nút tải có độ tin cậy thấp nhất là điểm B, bởi vì nhánh rẽ này chịu ảnh hưởng của sự cố lớn hơn cả, do chiều dài nhánh rẽ lớn nhất nên cường độ sự cố cao hơn, thời gian mất điện sẽ nhiều hơn. Kết quả tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy của các nút tải cho ở Bảng 3.4
Bảng 3-4: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình3.9
Thành phần
Nút tải A Nút tải B Nút tải C Nút tải D
(l/n) t (g/l) T (g/n) (l/n) t (g/l) T (g/n) (l/n) t (g/l) T (g/n) (l/n) t (g/l) T (g/n) 1 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 2 0,1 4 0,4 0,1 4 0,4 0,1 4 0,4 0,1 4 0,4 3 0,3 4 1,2 0,3 4 1,2 0,3 4 1,2 0,3 4 1,2 4 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 a 0,2 2 0,4 b 0,6 2 1,2 c 0,4 2 0,8 d 0,2 2 0,4 Cộng 1,0 3,6 3,6 1,4 3,14 4,4 1,2 3,33 4 1,0 3,6 3,6 1 2 3 4 a b c d A B D C
31
Các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống sẽ là:
SAIFI = 1,15 lần mất điện/khách hàng.năm SAIDI = 3,91 giờ /khách hàng.năm
CAIDI = 3,39 giờ /lần mất điện ASAI = 0,999554
ENS = 54,8 MWh/năm
AENS = 18,3 kWh/khách hàng.năm
3.4.1.2.Lưới điện hình tia phân đoạn bằng các dao cách ly và rẽ nhánh có bảo vệ bằng cầu chì có bảo vệ bằng cầu chì
Biện pháp tăng cường độ tin cậy khác là lắp đặt dao cách ly tại các điểm hợp lý trên trục chính. Khi có sự cố trên các đoạn trục chính máy cắt đầu nguồn sẽ được cắt ra. Sau đó đoạn bị sự cố sẽ được xác định và dao cánh ly sẽ cách ly đoạn sự cố ra để sửa chữa, máy cắt được đóng lại để cấp điện cho các phụ tải trước đoạn bị sự cố. Trong trường hợp này những chỉ tiêu độ tin cậy của các nút tải A, B, C được cải thiện. Mức độ cải thiện sẽ lớn hơn đối với những điểm gần nguồn và ít hơn nếu xa nguồn, chỉ tiêu tại nút D không thay đổi vì không thể cách ly được nữa nếu sự cố xảy ra trên đoạn này.
Hìnhvẽ 3-10: Sơ đồ lƣới điện hình tia phân đoạn bằng dao cách ly, nhánh rẽ bảo vệ bằng cầu chì
Với những điểm đặt dao cách ly như trên hình 3.10, giả sử tổng số thời gian thao tác dao cách ly và máy cắt để cách ly đoạn sự cố là 0,5 giờ thì các chỉ tiêu độ tin cậy của các nút tải cho ở bảng 3.5
B C
1 2 3 4
a b c d
32
Bảng 3-5: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 3.10
Thành phần
Nút tải A Nút tải B Nút tải C Nút tải D
(l/n) t (g/l) T (g/n) (l/n) t (g/l) T (g/n) (l/n) t (g/l) T (g/n) (l/n) t (g/l) T (g/n) 1 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 0,2 4 0,8 2 0,1 0,5 0,05 0,1 4 0,4 0,1 4 0,4 0,1 4 0,4 3 0,3 0,5 0,15 0,3 0,5 0,15 0,3 4 1,2 0,3 4 1,2 4 0,2 0,5 0,1 0,2 0,5 0,1 0,2 0,5 0,1 0,2 4 0,8 a 0,2 2 0,4 b 0,6 2 1,2 c 0,4 2 0,8 d 0,2 2 0,4 Cộng 1,0 1,5 1,5 1,4 1,89 2,65 1,2 2,75 3,3 1,0 3,6 3,6
Các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống sẽ là:
SAIFI = 1,15 lần mất điện/khách hàng.năm SAIDI = 2,58 giờ /khách hàng.năm
CAIDI = 2,23 giờ /lần mất điện ASAI = 0,999706
ENS = 35,2 MWh/năm
AENS = 11,7 kWh/khách hàng.năm
3.4.1.3.Lưới điện hình tia phân đoạn bằng máy cắt
Hìnhvẽ 3-11: Sơ đồ lƣới điện hìnhtia phân đoạn bằng máy cắt
1 2 3 4 a b c d A B D C
33
Trong thực tế để tăng cường độ tin cậy lưới điện phân phối người ta cũng sử dụng máy cắt để phân đoạn. Trong trường hợp này khi có sự cố trên các đoạn, máy cắt phân đoạn sẽ tác động cắt đoạn bị sự cố ra và các đoạn trước máy cắt phân đoạn vẫn được liên tục cấp điện. Các chỉ tiêu độ tin cậy cho các nút tải sẽ được cải thiện hơn trường hợp phân đoạn bằng dao cách ly, do máy cắt có thể tự động cắt đoạn sự cố ra khỏi lưới, nên số lần mất điện và thời gian mất điện sẽ thấp hơn. Tuy nhiên, do máy cắt có giá thành rất cao so với dao cách ly (gấp khoảng 15 lần), nên trong thực tế việc dùng máy cắt hay dao cách ly, với số lượng bao nhiêu, đặt tại những vị trí nào là bài toán tối ưu về kinh tế, kỹ thuật được xem xét kỹ khi đầu tư.
Với sơ đồ hình 3.11 kết quả tính toán các chỉ tiêu về độ tin cậy của các nút phụ tải cho ở bảng 3.6 và các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống sẽ là:
SAIFI = 0,77 lần mất điện/khách hàng.năm SAIDI = 2,39 giờ /khách hàng.năm
CAIDI = 3,09 giờ /lần mất điện ASAI = 0,999728
ENS = 32,4 MWh/năm
AENS = 10,8 kWh/khách hàng.năm
Bảng 3-6: Các chỉ tiêu độ tin cậy tại các nút tải của hệ thống hình 3.11
Thành phần
Nút tải A Nút tải B Nút tải C Nút tải D