1.3.1. Phƣơng pháp đồ thị giải tích.
Phương pháp này bao gồm việc lập sơ đồ độ tin cậy và áp dụng phương pháp giải tích bằng đại số Boole, lý thuyết xác suất thống kê, tập hợp để tính toán độ tin cậy.
Sơ đồ độ tin cậy của hệ thống được xây dựng trên cơ sở phân tích ảnh hưởng của hư hỏng phần tử đến hư hỏng hệ thống. Sơ đồ độ tin cậy bao gồm các nút (nguồn, tải, trung gian) và các nhánh. Nút và nhánh tạo thành mạng lưới nối nút nguồn và nút tải của sơ đồ. Trạng thái hoạt động của hệ thống là trạng thái có ít nhất một đường nối từ nút nguồn đến nút tải. Khi nút nguồn và nút tải bị tách rời do hỏng các phần tử thì hệ thống ở trạng thái hỏng. Các dạng sơ đồ độ tin cậy như sau:
1 1 2 3
N T
Hình 1.5: Sơ đồ nối tiếp Hình 1.6: Sơ đồ song song
1 2
N 2 3 3 4 T
Hình 1.7: Sơ đồ hỗn hợp
- Sơ đồ nối tiếp (Hình 1.5): Hệ thống hỏng khi có một phần tử hỏng. - Sơ đồ song song (Hình 1.6): Hệ thống hỏng khi tất cả các phần tử hỏng. - Sơ đồ hỗn hợp (Hình 1.7): Hệ thống thể hỏng khi một số phần tử hỏng. Trên cơ sở phân tích sơ đồ độ tin cậy và các tính toán giải tích ta tính được các chỉ tiêu về độ tin cậy của hệ thống.
1.3.2. Phƣơng pháp không gian trạng thái.
Phương pháp không gian trạng thái trong đó sử dụng quá trình ngẫu nhiên Markov là chính, trong phương pháp này hệ thống điện được diễn tả bởi các trạng thái hoạt động và khả năng chuyển giữa các trạng thái đó. Trạng thái hệ thống được xác định bởi tổ hợp các trạng thái của các phần tử, mỗi tổ hợp trạng thái của phần tử cho một trạng thái của hệ thống. Phần tử có thể có
3 2
nhiều trạng thái khác nhau như: trạng thái tốt, trạng thái hỏng, trạng thái bảo dưỡng định kỳ....do đó mỗi sự thay đổi trạng thái của phần tử đều làm cho hệ thống chuyển sang một trạng thái mới.
- Tất cả các trạng thái có thể của hệ thống tạo thành không gian trạng thái, hệ thống luôn ở một trong các trạng thái này. Do đó, tổng các xác suất trạng thái bằng 1.
- Đối với hệ thống điện, sự chuyển trạng thái xảy ra khi xảy ra hỏng hóc hoặc phục hồi của các phần tử. Với giả thiết thời gian làm việc và thời gian phục hồi của các phần tử tuân theo luật phân bố mũ, thì thời gian hệ thống ở các trạng thái và cường độ chuyển trạng thái không phụ thuộc thời gian cũng sẽ tuân theo luật này, có thể áp dụng quá trình Markov đồng nhất. Quá trình ngẫu nhiên Markov là đống nhất nếu thời gian hệ thống ở trạng thái bất kỳ tuân theo luật phân bố mũ với xác suất chuyển pij không phụ thuộc vào thời gian, pij gọi là cường độ chuyển trạng thái và được định nghĩa như sau:
Pij = lim t 1 (p[X(t+t) = ) (t X j = i]) (1.16) Đó là xác suất ở thời điểm t, hệ thống ở trạng thái i nhưng ở thời điểm t + t hệ thống chuyển sang trạng thái j, trong đó X chỉ trạng thái của hệ thống.
Quá trình ngẫu nhiên Markov có thể là:
+ Rời rạc trong không gian và liên tục trong thời gian.
+ Rời rạc trong không gian và theo thời gian (xích Markov).
Ưu điểm của phương pháp không gian trạng thái là có thể xét các phần tử có nhiều trạng thái khác nhau và với các giả thuyết nhất định có thể áp dụng phương pháp quá trình Markov một cách hiệu quả để tính xác suất trạng thái và tần suất trạng thái, từ đó tính được các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống.
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 cậy của các hệ thống phức tạp, có thể áp dụng cho hệ thống điện.
1.3.4. Phƣơng 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.
1.4. Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy 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 (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 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:
1.4.1. Tần suất mất điện trung bình của hệ thống, SAIFI (System average interruption frequency index):
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.
1.4.2. Tần suất mất điện trung bình của khách hàng, CAIFI (Customer average interruption frequency index):
Tổng số lần mất điện của khách hàng CAIFI =
Chỉ tiêu này xác định số lần mất điện đối với khách hàng bị ảnh hưởng.
1.4.3. Thời gian mất điện trung bình của hệ thống, SAIDI (System average interruption duration index):
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.
1.4.4. Thời gian mất điện trung bình của khách hàng, CAIDI (Customer average interruption duration index):
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.
1.4.5. Tổng thời gian mất điện trung bình của khách hàng, CTAIDI
(Customer total average interruption duration index):
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.
1.4.6. Độ sẵn sàng (không sẵn sàng) phục vụ trung bình, ASAI (ASUI) (Average service availability (unavailability) index):
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.
1.4.7. Năng lƣợng không đƣợc cung cấp, ENS(Energy not supplied index) 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.
1.4.8. Điện năng trung bình không đƣợc cung cấp, AENS hay mất điện hệ thống trung bình (Average Energy not supplied index):
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.
1.4.9. Chỉ số mất điện khách hàng trung bình, ACCI (Average customer curtailment index):
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.
1.5. Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ tin cậy của lƣới điện phân phối.
- Độ tin cậy của các phần tử tạo nên lưới điện:
+ Chất lượng của thiết bị ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ hỏng hóc của lưới phân phối, thời gian phục hồi.
+ Sửa chữa, duy tu bảo dưởng, trung đại tu thiết bị trong vận hành. + Ngừng điện để thao tác đóng cắt, cải tạo, phát triển lưới điện.
- Cấu trúc lưới điện: Sơ đồ cấu trúc lưới điện có ý nghĩa rất lớn đối với độ tin cậy của lưới điện, ảnh hưởng đến khả năng thay đổi sơ đồ kết dây và dự phòng.
+ Sự ghép nối giữa các phần tử trong lưới điện, 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, dự trữ nguồn.
+ 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 nhiểm của môi trường.
- Yếu tố con người: Trình độ của nhân viên quản lý vận hành, yếu tố kỹ thuật, tự động hoá vận hành.
Chƣơng 2
PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH - TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY CỦA LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 2.1. Phân phối xác suất của chỉ số tin cậy.
Các chỉ số về độ tin cậy nêu ở chương 1 là những giá trị trung bình. Vì sự cố và quá trình phục hồi mang tính ngẫu nhiên, nên những chỉ số này đối với năm bất kỳ sẽ sai lệch xung quanh các giá trị trung bình này. Sự sai lệch này được thể hiện bằng các phân phối xác suất và điều này có ích cho việc đánh giá hệ thống hiện tại và tiến trình nâng cấp trong tương lai.
- Đối với cường độ mất điện : Thời gian mất điện thông thường được biểu thị dạng phân bố theo hàm mũ. Cường độ mất điện của lưới điện hình tia chỉ phụ thuộc vào cường độ mất điện của các thành phần của lưới điện, không phụ thuộc vào thời gian khôi phục. Do vậy thời gian khôi phục không ảnh hưởng phân bố cường độ mất điện. Trong điều kiện này, cường độ mất điện của nút tải đối với hệ thống hình tia tuân theo phân bố Poisson, đó là xác suất xuất hiện n lần mất điện trong khoảng thời gian t:
(t)n.e-t
P(n) = (2.1) n!
Biểu thức trên có thể dùng để đánh giá xác suất của bất kỳ số sự cố trong năm tại mỗi nút tải khi biết giá trị trung bình của cường độ mất điện . Giả sử cường độ mất điện trung bình của các nút tải A, B, C là 1; 1.2; 1.4 thì xác suất mất điện xuất hiện 0, 1, 2, 3, 4, 5 lần trong 1 năm tại các nút tải sẽ như Bảng 2.1.
-
- Đối với thời gian phục hồi t: Thời gian mất điện của nút tải biểu diễn gần đúng bằng phân bố gamma nếu như thời gian phục hồi của các phần tử theo qui luật hàm mũ. Trong trường hợp này phép gần đúng đơn giản có thể được dùng để đánh giá xác suất của khoảng thời gian mất điện. Thực tế thời gian phục hồi của các phần tử riêng biệt của mạng phân phối (thời gian sửa chữa hư hỏng và thao tác chuyển đổi) thường không tuân theo qui luật hàm mũ. Mặc dù thời gian ngừng cung cấp điện không theo qui luật phân phối gamma, cũng không theo phân phối xác suất nào đã biết sẵn, nhưng giá trị trung bình của thời gian mất điện vẫn có giá trị trong kỹ thuật đánh giá độ tin cậy của hệ thống phân phối và nó chỉ là sự phân bố xung quanh giá trị trung bình này.
2.2. Các sơ đồ lƣới điện dùng để tính toán độ tin cậy.
Nhiều hệ thống phân phối được thiết kế và xây dựng theo dạng hình tia. Một số hệ thống khác được xây dựng mạch vòng nhưng vận hành như mạng hình tia bởi các điểm thường mở. Mục đích của những điểm thường mở là giảm đi sự mất điện của hệ thống, khi hệ thống bị sự cố hay trong quá trình
N
Xác suất xuất hiện n lần mất điện trong năm của nút tải
A B C 0 0.368 0.301 0.247 1 0.368 0.361 0.345 2 0.184 0.217 0.242 3 0.061 0.087 0.113 4 0.015 0.026 0.039 5 0.003 0.006 0.011
bảo dưỡng, điểm thường mở này có thể được đóng và điểm khác được mở để giảm tối thiểu tải tổng bị mất điện.
Thực tế ở Việt Nam lưới điện phân phối hầu hết có dạng hình tia, trên trục chính và các nhánh rẽ có thể có hoặc không có các thiết bị đóng cắt. Một trong những nhiệm vụ quan trọng của các thiết bị này là phân đoạn lưới điện nhằm hạn chế số lần và thời gian mất điện khi lưới điện bị sự cố hoặc sửa chữa. Các thiết bị phân đoạn thường được sử dụng trên lưới điện gồm các loại chính sau:
- Máy cắt điện: Là một thiết bị dùng trong mạng điện cao áp để đóng, cắt
dòng điện phụ tải và cắt dòng điện ngắn mạch, có thể tự động đóng cắt hoặc điều khiển từ xa. Khi mạng điện có sự cố máy cắt phân đoạn sẽ tự động tách đoạn bị sự cố ra khỏi mạng điện, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các hộ phụ tải ở các đoạn đường dây không bị sự cố. Đây là loại thiết bị đóng cắt làm việc tin cậy, nhưng giá thành cao nên máy cắt chỉ được dùng ở những