Tài liệu Nghiên cứu tính toán và đề xuất các giải pháp nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối điện lực sơn trà thành phố đà nẵng

TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ĐIỆN LỰC SƠN TRÀ - THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG Học viên:Nguyễn Trí Quang Chuyên ngành:Kỹ thuật Điện Mã số: 60.52.02.02 Khóa: K31 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Nâng cao độ tin cậy là một công việc quan trọng của các đơn vị quản lý hệ thống điện phân phối. Do cấu trúc đơn giản nên độ tin cậy của lưới phân phối thường được tính toán theo phương pháp cấu trúc nối tiếp hoặc song song của các phần tử, với giả thiết các phần tử chỉ có hai trạng thái tốt hoặc hỏng và các máy cắt điện làm việc hoàn toàn tin cậy. Tuy nhiên thực tế các phần tử có thể có nhiều trạng thái khi xét đến thao tác đổi nối khi có sử dụng các thiết bị dao phân đoạn trên lưới, hoặc xét đến các trạng thái không tin cậy của các thiết bị đóng cắt, trạng thái bảo quản định kỳ. Đề tài trình bày phương pháp đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối hình tia có sử dụng các thiết bị phân đoạn bằng phương pháp không gian trạng thái do các sự cố các phần tử trên lưới điện. Tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy chủ yếu cho từng nút phụ tải và của hệ thống điện phân phối. Từ đó, đề xuất và đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối Điện lực Sơn Trà – thành phố Đà Nẵng. Từ khóa – hệ thống phân phối; thiết bị phân đoạn; độ tin cậy; phương pháp không gian trạng thái; xác suất, tần suất và thời gian trạng thái. RESEARCH, CALCULATE AND PROPOSE MANY SOLUTION TO IMPROVE RELIABILITY OF ELECTRICITY DISTRIBUTION SYSTEMS OF SON TRA POWER COMPANY- DA NANG CITY Abstract – Improve reliability is essential for the operation and management of electrical distribution systems. The reliability indices of a distribution network have been calculated by some network methods based on series-parallel structures of the system with the hypothesis that each component has only two states of either, those are up-state (normal) or down-state (failure). However, the system components can have more than two states when we consider the switching of sectionalising switches or failures to operate of circuit breakers, or component preventive maintenance. This subject presents the application of state-space method for calculating the reliability indices of load points and radial distribution networks using sectionalising switches. From there, propose and bring out solutions to improve reliability of electrical distribution systems in Son Tra Power Company – Da Nang City Key words – distribution systems; sectionalising switches; reliability; state-space method; state probability, frequency and duration. MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Tóm tắt luận văn Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình MỞ ĐẦU........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ..........................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................3 4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...........................................................3 6. Cấu trúc của luận văn .........................................................................................4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ THỰC TRẠNG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ................................5 CỦA ĐIỆN LỰC SƠN TRÀ-THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG...........................................5 1.1 Tổng quan về độ tin cậy ........................................................................................5 1.1.1 Định nghĩa ....................................................................................................5 1.1.2 Các chỉ tiêu độ tin cậy các phần tử ..............................................................7 1.1.3 Biểu thức tính toán độ tin cậy và các chỉ tiêu độ tin cậy theo tiêu chuẩn IEEE-1366 ....................................................................................................................14 1.2 Thực trạng lưới điện phân phối điện lực Sơn Trà................................................19 1.2.1 Giới thiệu chung lưới điện trên địa bàn quận Sơn Trà...............................19 1.2.2 Giới thiệu sơ đồ lưới điện phân phối Điện lực Sơn Trà ............................19 1.2.3 Phân tích thực trạng và hạn chế ................................................................21 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI................................................................................................................26 2.1 Khái niệm về trạng thái và hỏng hóc của hệ thống điện ........................................26 2.2 Một số phương pháp đánh giá độ tin cậy ..............................................................28 2.2.1. Phương pháp cây hỏng hóc .......................................................................29 2.2.2 Phương pháp Monte-Carlo.........................................................................29 2.2.3 Phương pháp cấu trúc ...............................................................................30 2.2.4 Phương pháp không gian trạng thái...........................................................34 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY CỦA LƯỚI PHÂN PHỐI DỰA VÀO PHƯƠNG PHÁP KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI ............................................................................................................................41 3.1 Phương pháp trạng thái...........................................................................................41 3.1.1 Khái niệm chung .........................................................................................41 3.1.2 Mô hình trạng thái của các phần tử ...........................................................43 3.2 Thuật toán ...............................................................................................................44 3.2.1 Dữ liệu tính toán ........................................................................................44 3.2.2 Tìm đường nối từ nguồn đến các phụ tải: .................................................45 3.2.3 Vùng bảo vệ và vùng sửa chữa của các phần tử.........................................46 3.2.4 Phân tích ảnh hưởng hỏng hóc của các phần tử đến độ tin cậy cung cấp điện của các nút phụ tải................................................................................................47 3.2.5 Tính xác suất, tần suất và thời gian các trạng thái của phụ tải..................48 3.2.6 Ví dụ tính toán áp dụng ...............................................................................48 3.3 Kết luận...................................................................................................................52 CHƯƠNG 4. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY CỦA LƯỚI PHÂN PHỐI54 ĐIỆN LỰC SƠN TRÀ THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG...................................................54 4.1 Tính toán, đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối điện lực sơn trà ......................54 4.1.1 Giới thiệu về các chỉ số để tính toán độ tin cậy..........................................55 4.1.2 Thông số đầu vào để tính toán độ tin cậy..................................................55 4.1.3. Tính toán các chỉ số độ tin cậy trên các xuất tuyến: .................................58 4.2 Đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối điện lực Sơn Trà.....................................63 4.3 Giải pháp nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối điện lực Sơn Trà ....................64 4.3.1 Yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy của lưới điện ..........................................64 4.3.2 Nguyên nhân làm giảm độ tin cậy ..............................................................65 4.3.3 Đề xuất các giải pháp nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối................65 4.3.4 Áp dụng cho lưới điện phân phối Điện lực Sơn Trà..................................69 4.3.5 Tổng hợp các giải pháp đề xuất..................................................................80 4.4 Kết luận...................................................................................................................81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................82 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................83 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BQĐK : Bảo quản định kỳ CAIDI : Chỉ số thời gian mất điện trung bình của khách hàng CAIFI : Chỉ số tần suất mất điện trung bình của khách hàng DCL : Dao cách ly ĐTC : Độ tin cậy ĐZ : Đường dây EVN : Tập đoàn Điện lực Việt Nam HTĐ : Hệ thống điện IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers (Viện kỹ thuật điện - điện tử) LĐPP : Lưới điện phân phối. MBA : Máy biến áp. MC : Máy cắt PT : Phần tử SAIFI : Chỉ số tần suất mất điện trung bình của hệ thống. SAIDI : Chỉ số thời gian mất điện trung bình của hệ thống. TBA : Trạm biến áp TBPĐ : Thiết bị phân đoạn TR : Thời gian trung bình sự cố TS : Thời gian trung bình sửa chữa XT : Xuất tuyến DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang Bảng 1.1. Chỉ tiêu Tổng Công ty Điện lực miền Trung giao cho Công ty TNHH MTV Điện lực Đà Nẵng theo lộ trình đến năm 2020 24 Bảng 4.1. Các chỉ tiêu về độ tin cậy của hệ thống Xuất tuyến 59 Bảng 4.2. Các chỉ tiêu về độ tin cậy của hệ thống 60 Bảng 4.3. Các chỉ tiêu về độ tin cậy của hệ thống 60 Bảng 4.4. Các chỉ tiêu về độ tin cậy của hệ thống 61 Bảng 4.5. Tổng hợp các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống các xuất tuyến nhận điện từ thanh cái 22kV của TBA 110kV E13 62 Bảng 4.6. Tổng hợp các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống các xuất tuyến nhận điện từ thanh cái 22kV của TBA 110kV E14 63 Bảng 4.7. Tổng hợp các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống các xuất tuyến nhận điện từ thanh cái 22kV của TBA 110kV E13 sau khi giảm cường độ sự cố, thời gian đổi nối và thời gian sữa chữa sự cố của các phần tử 70 Bảng 4.8 Tổng hợp các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống các xuất tuyến nhận điện từ thanh cái 22kV của TBA 110kV E14 sau khi giảm cường độ sự cố, thời gian đổi nối và thời gian sữa chữa sự cố của các phần tử 71 Bảng 4.9. Bảng so sánh trị số giảm các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống lưới điện phân phối các xuất tuyến nhận điện từ thanh cái 22kV sau các trạm 110kV E13 và E14 sau khi giảm cường độ sự cố, thời gian đổi nối và thời gian sữa chữa sự cố của các phần tử 71 Bảng 4.10. Tổng hợp các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống các xuất tuyến nhận điện từ thanh cái 22kV của TBA 110kV E13 sau khi giảm cường độ bảo quản và rút ngắn thời gian bảo quản của các phần tử 73 Số hiệu Tên bảng Trang Bảng 4.11. Tổng hợp các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống các xuất tuyến nhận điện từ thanh cái 22kV của TBA 110kV E14 sau khi giảm cường độ bảo quản và rút ngắn thời gian bảo quản của các phần tử 74 Bảng 4.12 Bảng so sánh trị số giảm các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống các xuất tuyến nhận điện từ thanh cái 22kV của các TBA 110kV E13 và TBA 110kV E14 sau khi giảm cường độ bảo quản và rút ngắn thời gian bảo quản của các phần tử 75 Bảng 4.13. Các chỉ tiêu về độ tin cậy của hệ thống 79 Bảng 4.14. Các chỉ tiêu về độ tin cậy của hệ thống 79 Bảng 4.15. Bảng so sánh trị số các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống các xuất tuyến 22kV nhận điện từ các TBA 110kV E13 và TBA 110kV E14 trước và sau khi lắp đặt các DCL phân đoạn 80 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang Hình 1.1. Đồ thị xác suất 8 Hình 1.2. Đường cong cường độ sự cố 10 Hình 1.3. Trục thời gian thông số dòng sự cố 12 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý lưới điện phân phối Điện lực Sơn Trà 25 Hình 2.1. Phân chia bài toán ĐTC theo cấu trúc 27 Hình 2.2. Sơ đồ điện gồm 4 đường dây song song 31 Hình 2.3. Sơ đồ gồm n phần tử nối tiếp 31 Hình 2.4. Sơ đồ phần tử song song. 33 Hình 2.5. Sơ đồ trạng thái (graph trạng thái) 36 Hình 2.6. Graph trạng thái của 01 thiết bị 38 Hình 3.1. Lưới điện phân phối 42 Hình 3.2. Mô hình hai (a) và ba trạng thái (b) của các phần tử 43 Hình 3.3. Sơ đồ thuật toán tính toán độ tin cậy hệ thống điện phân phối Hình 3.4. Sơ đồ thuật toán xác định vùng bảo vệ của các phần tử 45 Hình 3.5. Sơ đồ trạng thái của hệ thống 47 Hình 4.1. Dữ liệu PSS/ADEPT được truy xuất và sắp xếp lại trong các Sheet. 57 Hình 4.2. Thông số độ tin cậy các phần tử 58 Hình 4.3. Sơ đồ cấu trúc xuất tuyến 471-E13 trên chương trình PSSADEPT 58 45 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện là chỉ tiêu chính trong hoạt động SXKD của các công ty phân phối điện lực, cụ thể là Công ty Điện lực Đà Nẵng. Theo nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội, chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện ngày càng trở nên quan trọng, nó thể hiện mức độ quan tâm của Ngành Điện đối với khách hàng, trong đó việc đảm bảo nguồn điện liên tục cũng như việc phát hiện nhanh chóng và xử lý sự cố để khôi phục cấp điện là rất quan trọng. Công ty Điện lực Đà Nẵng là doanh nghiệp có 100% vốn Nhà nước do Tổng Công ty Điện lực Miền Trung làm Chủ sở hữu. Công ty hoạt động theo Điều lệ của Công ty, theo phân cấp của Tổng Công ty và theo Luật Doanh nghiệp. Công ty Điện lực Đà Nẵng thực hiện nhiệm vụ sản xuất kinh doanh điện năng trên địa bàn thành phố Đà Nẵng, với mục tiêu đảm bảo cung cấp điện cho các hoạt động kinh tế - xã hội, an ninh - quốc phòng của Thành phố Đà Nẵng. Địa bàn quản lý của Điện lực Sơn Trà trải dài qua 02 quận Sơn Trà và Ngũ hành Sơn bao gồm: 04 phường thuộc Quận Ngũ Hành Sơn và 07 phường thuộc Quận Sơn Trà. Lưới điện Điện lực Sơn Trà là lưới điện phân phối hình tia, vận hành hở. Quy mô đường dây trung áp: 274,99 km đường dây trên không, 40,334 đường dây cáp ngầm (15 xuất tuyến 22KV) trong đó tài sản khách hàng là 35,46 km. Đường dây hạ áp: 259,865 km. Trạm biến áp phân phối: 711 trạm biến áp với tổng dung lượng 304.570 KVA, trong đó tài sản khách hàng 284 TBA với dung lượng 151.740 KVA. Tụ bù trung áp: 36 cụm với tổng dung lượng 10.800 kVAr. Tụ bù hạ áp: 312 cụm với tổng dung lượng 7.080 kVAr, trong đó tài sản khách hàng 18 cụm với dung lượng 5605 kVAr. Thiết bị đóng cắt gồm : 20 máy cắt trong đó khách hàng 1 máy cắt, 59 dao cách ly trong đó khách hàng 52 dao cách ly. Sản lượng của Điện lực Sơn Trà trong năm 2016 là 397.132.898 kWh, chiếm 1/5 tổng sản lượng toàn Công ty Điện lực Đà Nẵng. Phụ tải điện của Điện lực Sơn Trà gồm nhiều thành phần từ sinh hoạt thành thị, công nghiệp xây dựng, thương nghiệp, khách sạn, nhà hàng, nông nghiệp… với tổng số 62.895 khách hàng. Lưới điện Điện lực Sơn Trà – TP. Đà Nẵng trải dài qua hai quận Sơn Trà và quận Ngũ Hành Sơn. Để vận hành tối ưu đồng thời đảm bảo các chỉ tiêu về sản xuất kinh doanh và năng suất lao động của Tổng công ty Điện lực miền Trung có xét đến năm 2020 trong đó bao gồm các chỉ tiêu về độ tin cậy cung cấp điện, tổn thất điện năng, suất sự cố, chỉ số tiếp cận điện năng, điện thương phẩm/ lao động sản xuất điện, 2 nâng cao hiệu quả tài chính… . Trong đó các vấn đề liên quan đến độ tin cậy cung cấp điện trên hệ thống điện lưới phân phối thành phố Đà Nẵng được quan tâm. Việc nghiên cứu, áp dụng các giải pháp mới để nâng cao độ tin cậy đến trị số hợp lý đã và đang là mục tiêu của ngành Điện tất cả các nước, đặc biệt trong bối cảnh hệ thống đang mất cân đối về lượng cung cầu điện năng như nước ta hiện nay. Lưới điện phân phối là khâu cuối cùng của hệ thống điện, đưa điện năng trực tiếp đến hộ tiêu thụ. Công ty Điện lực Đà Nẵng phải luôn tìm cách đảm bảo việc cung cấp điện liên tục an toàn, đồng thời nâng cao độ tin cậy trên lưới điện phân phối để giảm chi phí sản xuất kinh doanh tăng lợi nhuận trong kinh doanh. Để thỏa mãn đồng thời hai mục tiêu trên, các Công ty Điện lực tỉnh/thành phải tìm các biện pháp khác nhau để thực hiện, từ các giải pháp kỹ thuật đến các giải pháp phi kỹ thuật. Hiện nay, để đảm bảo công suất tiêu thụ của phụ tải ngày càng tăng và nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện nhằm phục vụ các sự kiện lớn đặc biệt đáng được quan tâm là sự kiện APEC 2017 (diễn đàn hợp tác châu Á – thái Bình Dương) được tổ chức tại Đà Nẵng. Công ty Điện lực Đà Nẵng đã và đang đầu tư triển khai các công trình và dự án của lưới điện phân phối tại khu vực Điện lực Sơn Trà như: Nâng công suất TBA 110kV An Đồn và thực hiện chuẩn bị đâu tư cho các dự án Đường dây nhánh rẽ và TBA 110kV Ngũ Hành Sơn, khai thác 22kV sau TBA Ngũ Hành Sơn và Xây dựng mạch 2 đường dây 110kV E13 - E14 (174-E13) theo Qui hoạch phát triển điện lực thành phố Đà Nẵng đến năm 2020 và phù hợp mức tăng phụ tải thực tế. Tạo sự chuyển biến mạnh mẽ và hiệu quả kinh doanh điện năng và chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng sử dụng điện: nâng cao chất lượng dịch vụ đáp ứng đầy đủ nhu cầu ngày càng cao của khách hàng; nâng cao uy tín và thương hiệu của Công ty, có trách nhiệm với cộng đồng xã hội, thân thiện với khách hàng. Xuất phát từ thực tế đó, việc nghiên cứu dựa trên các phương pháp và tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện và đưa ra các giải pháp nhằm đánh giá độ tin cậy là rất cần thiết cho các Công ty Điện lực tỉnh/thành trong công tác sản xuất và kinh doanh. 2. Mục đích nghiên cứu - Phân tích các chế độ làm việc của lưới điện Sơn Trà – TP. Đà Nẵng; - Tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện hiện trạng - Đề xuất giải pháp nhằm nâng cao độ tin cậy làm việc của lưới điện Điện lực Sơn Trà – TP. Đà Nẵng. - Đề tài sẽ xây dựng chương trình tính toán, tận dụng dữ liệu cấu trúc LPP có sẵn trong chương trình PSS/ADEPT để tính toán cho mô hình thực tế lưới điện phân phối do Điện lực Sơn Trà quản lý vận hành, để tìm ra các giải pháp đáp ứng đồng thời các 3 mục tiêu trên. Trên cơ sở đó, có thể phát triển để áp dụng cho toàn bộ lưới điện phân phối của thành phố Đà Nẵng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Các phương pháp tính toán và đánh giá độ tin cậy lưới điện. - Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy. - Tính toán cụ thể cho lưới điện phân phối Điện lực Sơn Trà. - Đề xuất các giải pháp để nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối đáp ứng việc cải thiện các chỉ tiêu trong hoạt động sản xuất kinh doanh của lưới điện Điện lực Sơn Trà. 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Các phương pháp tính toán và đánh giá độ tin cậy có thể áp dụng vào thực tế để nâng cao độ tin cậy lưới điện phân phối. - Sử dụng phần mềm PSS/ADEPT và chương trình tính toán Matlab trên cơ sở một thuật toán tối ưu được chọn để tiến hành phân tích, tính toán và đưa ra giải pháp kết lưới để tối ưu các chỉ tiêu độ tin cậy. 4. Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu về đặc điểm kinh tế xã hội và kết cấu lưới điện hiện trạng trên địa bàn của Quận Sơn Trà. - Thu thập dữ liệu và các thông số vận hành thực tế của lưới điện phân phối do Điện lực Sơn Trà quản lý qua chương trình PSS/ADEPT. - Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng chương trình tính toán độ tin cậy của LPP có cấu trúc hình tia và mạch vòng. - Phân tích các chỉ tiêu độ tin cậy từ đó tính toán và đánh giá độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện Điện lực Sơn Trà- TP. Đà Nẵng. - Đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối Điện lực Sơn Trà- TP. Đà Nẵng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện là nhiệm vụ trọng tâm của ngành Điện, được tập trung chỉ đạo thực hiện, với các chỉ tiêu, nhiệm vụ cụ thể cho từng Đơn vị thành viên. Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện nằm trong nỗ lực chung của ngành Điện cũng như các đơn vị thành viên nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của doanh nghiệp, quản lý tốt các nguồn lực của Nhà nước vì mục tiêu phát triển bền vững, đáp ứng các yêu cầu cấp bách cũng như những mục tiêu trung và dài hạn mà Chính phủ yêu cầu đối với Tập đoàn Điện lực Việt Nam. Với việc nghiên cứu của đề tài đặt trọng tâm vào việc nghiên cứu, tính toán, đánh giá và đề xuất các giải pháp nâng cao độ tin cậy, thì đề tài sẽ góp phần quan 4 trọng trong công tác sản xuất kinh doanh của các Công ty Điện lực phân phối, góp phần giảm vốn đầu mới xây dựng mới, giảm giá thành điện năng, đóng góp chung vào sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. 6. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần Mở đầu và Kết luận kiến nghị, luận văn gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về độ tin cậy cung cấp điện lưới điện phân phối và thực trạng lưới điện phân phối của Điện lực Sơn Trà-Thành phố Đà Nẵng Chương 2: Các phương pháp đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối Chương 3: Xây dựng thuật toán tính toán độ tin cậy lưới điện phân phối dựa vào phương pháp không gian trạng thái Chương 4: Tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện của lưới phân phối Điện lực Sơn Trà – TP. Đà Nẵng. Kết luận và kiến nghị 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ THỰC TRẠNG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CỦA ĐIỆN LỰC SƠN TRÀ-THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 1.1 Tổng quan về độ tin cậy [5] 1.1.1 Định nghĩa Độ tin cậy là chỉ tiêu then chốt trong sự phát triển kỹ thuật, đặc biệt là khi xuất hiện những hệ thống phức tạp nhằm hoàn thành những chức năng quan trọng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Độ tin cậy của phần tử hoặc cả hệ thống được đánh giá một cách định lượng dựa trên hai yếu tố cơ bản: tính làm việc an toàn và tính sữa chữa được. Độ tin cậy của hệ thống điện được hiểu là khả năng của hệ thống đảm bảo việc cung cấp đầy đủ và liên tục điện năng cho các hộ tiêu thụ với chất lượng hợp chuẩn. Độ tin cậy của các phần tử là yếu tố quyết định độ tin cậy của hệ thống. Có hai loại phần tử: phần tử không phục hồi và phần tử phục hồi. Trong hệ thống điện thì các phần tử được xem là các phần tử phục hồi. Với hệ thống nói chung và hệ thống điện nói riêng độ tin cậy được định nghĩa chung có tính chất kinh điển như sau: Độ tin cậy 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. Đối với hệ thống điện, độ tin cậy được đánh giá thông qua khả năng cung cấp điện liên tục và đảm bảo chất lượng điện năng. Như vậy độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể trong khoảng thời gian nhất định và trong một hoàn cảnh cụ thể nhất định. Hệ thống điện là hệ thống phục hồi, nên khái niệm về khoảng thời gian xác định không còn mang ý nghĩa bắt buộc vì hệ thống làm việc liên tục. Do vậy độ tin cậy được đo bởi một 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 cũng là xác suất để hệ thống ở trạng thái tốt trong thời điểm bất kỳ và được tính bằng tỉ số giữa thời gian hệ thống ở trạng thái tốt và tổng thời gian hoạt động. Ngược lại với độ sẵn sàng là độ không sẵn sàng, đó là xác suất để hệ thống hay phần tử ở trạng thái hỏng. Đối với hệ thống điện, độ sẵn sàng (hay độ tin cậy) hoặc độ không sẵn sàng chưa đủ để đánh giá độ tin cậy trong các bài toán cụ thể, do đó phải sử dụng thêm nhiều chỉ 6 tiêu khác cũng có tính xác suất để đánh giá. Hệ thống điện và các phần tử Hệ thống là tập hợp những phần tử tương tác trong một cấu trúc nhất định nhằm thực hiện một nhiệm vụ xác định, có sự điều khiển thống nhất sự hoạt động cũng như sự phát triển. Trong HTĐ các phần tử là máy phát điện, MBA, đường dây…nhiệm vụ của HTĐ là sản xuất và truyền tải phân phối điện năng đến các hộ tiêu thụ. Điện năng phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng pháp định như điện áp, tần số, và độ tin cậy hợp lý (ĐTC không phải là một chỉ tiêu pháp định, nhưng xu thế phải trở thành một chỉ tiêu pháp định với mức độ hợp lý nào đó). HTĐ phải được phát triển một cách tối ưu và vận hành với hiệu quả kinh tế cao nhất. v Về mặt ĐTC, HTĐ là một hệ phức tạp, thể hiện ở các điểm: - Số lượng các phần tử rất lớn. - Cấu trúc phức tạp. - Rộng lớn trong không gian. - Phát triển không ngừng theo thời gian. - Hoạt động phức tạp. Vì vậy HTĐ thường được quản lý phân cấp, để có thể quản lý, điều khiển phát triển, cũng như vận hành một cách hiệu quả. HTĐ là hệ thống phục hồi, các phần tử của nó có thể bị hỏng sau khi được phục hồi lại đưa vào hoạt động. Phần tử là một bộ phận tạo thành hệ thống mà trong quá trình nghiên cứu ĐTC, nó được xem như là một tổng thể không chia cắt được (ví dụ như linh kiện, thiết bị…) mà độ tin cậy cho trước, hoặc dựa trên những số liệu thống kê. Phần tử ở đây có thể hiểu theo một cách rộng rãi hơn. Bản thân phần tử cũng có thể cấu trúc phức tạp, nếu xét riêng nó là một hệ thống. Ví dụ: MFĐ là một hệ thống rất phức tạp nếu xét riêng nó, nhưng khi nghiên cứu ĐTC của HTĐ ta có thể xem MFĐ là một phần tử với các thông số đặc trưng có ĐTC như cường độ hỏng hóc, thời gian phục hồi, xác suất để MFĐ làm việc an toàn trong khoảng thời gian quy định…đã được xác định. Đa số phần tử của hệ thống là phần tử phục hồi. Tính phục hồi của phần tử thể hiện khả năng ngăn ngừa phát triển và loại trừ sự cố như sách lược Bảo quản định kỳ (BQĐK) hoặc sữa chữa phục hồi khi sự cố. 7 1.1.2 Các chỉ tiêu độ tin cậy các phần tử Các chỉ tiêu độ tin cậy lưới phân phối được đánh giá khi dùng 3 khái niệm cơ bản, đó là cường độ mất điện trung bình l(do sự cố hoặc theo kế hoạch), thời gian mất điện (sữa chữa) trung bình t, thời gian mất điện hằng năm trung bình T của phụ tải. 1.1.2.1 Đối với phần tử không phục hồi Phần tử không phục hồi chỉ làm việc cho đến lần hỏng đầu tiên. Thời gian làm việc của phần tử từ lúc bắt đầu hoạt động cho đến khi hỏng hay còn gọi là thời gian phục vụ (là đại lượng ngẫu nhiên), vì thời điểm hỏng của phần tử là ngẫu nhiên không biết trước. a . Thời gian vận hành an toàn t Giả sử ở thời điểm t = 0 phần tử bắt đầu làm việc và đến thời điểm t = t phần tử bị sự cố, khoảng thời gian t = t được gọi là thời gian làm việc an toàn của phần tử. t là một đại lượng ngẫu nhiên có thể nhận mọi giá trị trong khoảng 0 £ t £ ¥. Giả thiết trong khoảng thời gian khảo sát t, phần tử xảy ra sự cố với xác suất Q(t). Khi đó ta có hàm phân bố: Q(t) = P {t < t} (1.1) Nghĩa là phần tử bị sự cố trong khoảng thời gian t vì P{t < t} là xác suất phần tử làm việc an toàn trong khoảng thời gian t nhỏ hơn khoảng thời gian khảo sát t. Giả thiết Q(t) liên tục và tồn tại một hàm mật độ xác suất q(t) được xác định theo biểu thức sau: q(t) = dQ(t) dt 1 P(t < τ £ t + Δt) Δt Δt ® 0 (1.2) q(t) = lim (1.3) t Q(t) = ò q(t) dt 0 (1.4) Từ đó ta có: Q(0) = 0 ; Q( ¥ ) =1 8 b. Độ tin cậy của phần tử Bên cạnh hàm phân phối Q(t) mô tả xác xuất sự cố của phần tử, thường sử dụng hàm P(t) để mô tả độ tin cậy của phần tử theo định nghĩa: P(t) = 1-Q(t) = P(t > t) (1.5) Như vậy P(t) là xác suất để phần tử vận hành an toàn trong khoảng thời gian t, vì thời gian làm việc an toàn của phần tử t > t Từ (1.4) và (1.5) ta có: ¥ P(t) = ò q(t)dt t P ' (t) = -q(t) (1.6) Từ đó ta có : Q( ¥ ) =1 ; P( ¥ ) = 0. Đồ thị xác suất P(t) và Q(t) được vẽ trên hình (1.1) P(t),Q(t) 1 Q(t) P(t) t Hình 1.1. Đồ thị xác suất c. Cường độ sự cố l(t) l(t) là một trong những khái niệm cơ bản quan trọng khi nghiên cứu độ tin cậy. Với Dt đủ nhỏ thì l(t).D(t) chính là xác suất để phần tử đã phục vụ đến thời điểm t sẽ bị sự cố trong khoảng thời gian Dt tiếp theo. Hay nói cách khác đó là số lần sự cố trong một đơn vị thời gian trong khoảng thời gian Dt. 1 P(t < τ £ t + Δt)/τ > t) Δt Δt ® 0 λ(t) = lim (1.7) P(t < t £ t+Dt / t > t ): Là xác suất để phần tử bị sự cố trong khoảng thời gian từ t đến (t+ Dt) với điều kiện phần tử đó đã làm việc tốt đến thời điểm t. Gọi A là sự kiện phần tử bị sự cố trong khoảng thời gian từ t đến Dt. 9 B là sự kiện phần tử đã làm việc tốt đến thời điểm t. Theo lý thuyết xác suất, xác suất giao giữa 2 sự kiện A và B là: P(AÇB) = P(A).P(B/A) = P(B).P(A/B) Hay là : P(A/B) = P(A Ç B) P(B) Vì B ÉA nên AÇB = A Þ P(A/B) = P(A) P(B) Như vậy ta có: P(t t ) = P(t < τ £ t + Δt) P(τ > t) 1 P(t < τ £ t + Δt) . P(τ > t) Δt Δt ® 0 Þ λ(t) = lim λ(t) = lim 1 1 .P(t < τ £ t + Δt). Δt P(τ > t) Δt ® 0 l(t) = q(t) q(t) = P(t) 1 - Q(t) (1.8) Công thức (1.8) cho ta quan hệ giữa 4 đại lượng: Cường độ sự cố l(t), hàm mật độ q(t), hàm phân bố Q(t), và độ tin cậy P(t). Theo (1.6) ta đã có : P’(t) = - q(t) = - l (t).P(t) => dP(t) = -λ(t).P(t) dt dP(t) = -λ(t).dt P(t) t dP(t) t = - ò λ(t).dt = lnP(t) - lnP(0) = lnP(t). ò 0 P(t) 0 Vì lnP(0) = 0 (do P(0) = 1) Þ t - ò λ(t)dt P(t) = e 0 (1.9) 10 Đây là công thức cơ bản cho phép tính được độ tin cậy của phần tử không phục hồi khi đã biết cường độ sự cố, còn cường độ sự cố này được xác định nhờ phương pháp thống kê quá trình sự cố của phần tử trong quá khứ. Đối với HTĐ thường sử dụng điều kiện: l(t) = l = hằng số (thực tế nhờ BQĐK) Do đó: P(t) = e-lt Q(t) = 1-e-lt q(t) = l .e-lt Một trong những lĩnh vực cần quan tâm khi nghiên cứu độ tin cậy của phần tử (hoặc của hệ) là xác định quan hệ của cường độ sự cố l theo thời gian. Theo nhiều số liệu thống kê thấy rằng quan hệ của cường độ sự cố với thời gian thường có dạng như hình vẽ sau: Thời điểm bảo dưỡng λ(t) λ(t) (2) ltb (1) I II III Hình 1.2a t t Hình 1.2b Hình 1.2. Đường cong cường độ sự cố Đường cong cường độ sự cố được chia làm 3 giai đoạn (hình 1.2a). - Miền I: Mô tả giai đoạn chạy thử của phần tử. Những sự cố ở giai đọan này thường do chế tạo, vận chuyển. Tuy giá trị l(t) ở giai đoạn này cao nhưng thời gian kéo dài nhỏ. Nhờ chế tạo và nghiệm thu có chất lượng, giá trị cường độ sự cố trong giai đoạn này có thể giảm nhiều. - Miền II: Mô tả giai đoạn sử dụng bình thường của phần tử. Đây cũng là giai đoạn chủ yếu của tuổi thọ phần tử. Ở giai đoạn này, các sự cố thường xảy ra ngẫu 11 nhiên, đột ngột do nhiều nguyên nhân khác nhau, vì vậy thường giả thiết cường độ sự cố bằng hằng số. - Miền III: Mô tả giai đoạn làm việc của phần tử khi đã già cỗi. Khi này những sự cố thường xảy ra ngẫu nhiên còn do tính tất yếu của hiện tượng thoái hoá, già cỗi. Giá trị cường độ sự cố trong giai đoạn này là hàm tăng theo thời gian (xảy ra sự cố khi t tiến đến vô cùng). Đối với các phần tử phục hồi như ở hệ thống điện, các phần tử này có các bộ phận luôn bị già hóa nên l(t) luôn là hàm tăng nên phải áp dụng các biện pháp bảo dưỡng định kỳ (BDĐK) để phục hồi độ tin cậy của phần tử. Sau khi bảo dưỡng định kỳ, phần tử lại có độ tin cậy như ban đầu. Bảo dưỡng định kỳ làm cho cường độ sự cố có giá trị quanh một giá trị trung bình ltb (h 1.2b). Khi xét khoảng thời gian dài ta có thể xem: l(t) = ltb = const để tính toán độ tin cậy. Tổng quát có thể hình dung quan hệ l(t) theo thời gian như là sự hợp thành của hai quá trình mâu thuẫn (1) và (2) diễn ra đối với phần tử (hình 1.2a). Quá trình biểu diễn bằng đường (1) trên hình vẽ mô tả các kết quả điều khiển, quản lý, sửa chữa phần tử, nhằm mục đích làm giảm cường độ sự cố, kéo dài tuổi thọ cho phần tử. Quá trình biểu diễn bằng đường (2) trên hình vẽ mô tả kết quả tác động của ngoại cảnh đến phần tử, dẫn đến làm tăng cường độ sự cố lên, giảm tuổi thọ và làm tan rã phần tử. d. Thời gian trung bình làm việc an toàn của phần tử Tlv Tlv được định nghĩa là giá trị trung bình của thời gian làm việc an toàn dựa trên số liệu thống kê về t của nhiều phần tử cùng loại, nghĩa là Tlv là kỳ vọng toán của đại lượng ngẫu nhiên t : ¥ T = E[τ[ = ò t.q(t)dt lv 0 ¥ ¥ d ¥ ¥ T = - ò P ' (t)tdt = - ò t P(t)dt = - ò tdP(t) = - P(t).t ¥ + 0 ò P(t)dt lv dt 0 0 0 0 (1.10) 12 ¥ T = ò P(t)dt lv 0 (1.11) Nếu l(t) = l = const thì P(t) = e - lt (phân bố mũ) ¥ 1¥ 1 T = ò e - λt dt = - ò e - λt d(-λt) = - e - λt ¥ 0 lv λ0 λ 0 1 ÞT = lv λ (1.12) Khi đó độ tin cậy của phần tử không phục hồi có dạng: - t P(t) = e T lv (1.13) 1.1.2.2 Đối với phần tử có phục hồi Vì đặc biệt trong hệ thống điện phần lớn các phần tử là phục hồi, nên ta tiếp tục xét một số đặc trưng độ tin cậy của phần tử có phục hồi. Đối với những phần tử có phục hồi, trong thời gian sử dụng, khi bị sự cố sẽ được sửa chữa và phần tử được phục hồi. Trong một số trường hợp để đơn giản thường giả thiết là sau khi phục hồi phần tử có độ tin cậy bằng khi chưa xảy ra sự cố. Những kết luận ở mục trên ta đã xét đều đúng với phần tử có phục hồi khi sự làm việc của nó trong khoảng thời gian đến lần sự cố đầu tiên. Nhưng khi xét sau lần phục hồi đầu tiên sẽ phải dùng những mô hình khác. Những chỉ tiêu cơ bản về độ tin cậy của phần tử phục hồi: a. Thông số dòng sự cố Thời điểm xảy ra sự cố và thời gian sửa chữa sự cố tương ứng đều là những đại lượng ngẫu nhiên, có thể mô tả trên trục thời gian như hình vẽ sau. T3 T2 T4 T1 t1 t2 t3 Hình 1.3. Trục thời gian thông số dòng sự cố Trong đó: T1,T2,T3,T4,... biểu thị các khoảng thời gian làm việc an toàn của các phần tử giữa các lần sự cố xảy ra. t1,t2,t3,...là thời gian sửa chữa sự cố tương ứng. 13 Định nghĩa thông số dòng sự cố: 1 P(t < τ £ t + Δt) Δt Δt ® 0 ω(t) = lim (1.14) Trong đó P(t < t £ t + Dt) là xác suất để phần tử xảy ra sự cố trong khoảng thời gian t đến t +Dt. So với cường độ sự cố, ở đây không đòi hỏi điều kiện phần tử phải làm việc tốt từ đầu đến thời điểm t mà chỉ cần đến thời điểm t phần tử đang làm việc, điều kiện này luôn luôn đúng vì phần tử là phục hồi. Giả thiết xác suất của thời gian làm việc an toàn Tlv của phần tử có phân bố mũ, với cường độ sự cố bằng const, khi đó khoảng thời gian giữa 2 lần sự cố liên tiếp T1, T2... cũng có phân bố mũ và dòng sự cố tối giản. Vậy thông số của dòng sự cố là: w(t) = l(t) = l = const. b. Thời gian trung bình giữa 2 lần sự cố Tlv Là kỳ vọng toán của T1, T2,T3,... ,Tn. Với giả thiết T tuân theo luật phân bố mũ . 1 Tlv = E(t) = λ (1.15) c. Thời gian trung bình sửa chữa sự cố TS TS là kỳ vọng toán của t1,t2,t3... (thời gian sửa chữa sự cố) Để đơn giản ta cũng xem xác suất của TS cũng tuân theo phân bố mũ. Khi đó tương tự đối với xác suất làm việc an toàn của phần tử P(t) = e- lt , ta có thể biểu thị xác suất ở trong khoảng thời gian t phần tử đang ở trạng thái sự cố nghĩa là sửa chữa chưa kết thúc. Xác suất đó có giá trị: H(t) = e - μt (1.16) Trong đó m = 1/ TS là cường độ phục hồi sự cố [1/năm] Từ đây có thể viết xác suất để sửa chữa được kết thúc trong khoảng thời gian t đó là hàm xác suất: G(t) = 1 - H(t) = 1 - e Và hàm mật độ phân bố xác suất là: -μt (1.17)