Phân tích độ tin cậy của hệ thống điện

Trường Đai học Bách Khoa Hà Nội

Chuyên đề

PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY
CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
Khóa đào tạo: Hệ thống hóa và cập nhật kiến thức về tính
tốn phân tích hệ thống, quy hoạch phát triển lưới truyền tải
điện.
EBOOKBKMT.COM

Trình bày: TS. Lã Minh Khánh
Bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện

Hà Nội - 2014

1


Mục đích thảo luận trong chun đề
 Chun

đề trình bày những nguyên tắc chung nhằm
phân tích và đánh giá độ tin cậy cung cấp điện của hệ
thống điện.
 Thông qua chuyên đề, các khái niệm, thuật ngữ và định
nghĩa sẽ được giới thiệu và thảo luận.
 Chuyên đề cũng giới thiệu một số so sánh và đánh giá
về các tiêu chuẩn và phương pháp phân tích độ tin cậy
của hệ thống điện
 Trình bày một số ví dụ đơn giản nhằm minh họa các

khái niệm được trình bày và thảo luận trong chuyên đề.

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

2


NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ (1)
Khái

niệm chung về độ tin cậy

◦Hệ thống điện và các phần tử
◦Độ tin cậy và các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống điện
◦Trạng thái của phần tử và hệ thống
◦Độ tin cậy và tổn thất kinh tế do mất điện

Độ

tin cậy của các phần tử

◦Các chỉ số độ tin cậy của phần tử
◦Mơ hình độ tin cậy của tập hợp các phần tử
◦Mơ hình hệ thống nguồn điện
◦Minh họa xây dựng xác suất trạng thái của hệ thống nguồn điện

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

3


NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ (2)
Độ

tin cậy của hệ thống điện và lưới hệ thống

◦Xác suất thiếu công suất và kỳ vọng thiếu hụt điện năng
◦Minh họa tính tốn LOLP và LOLE của hệ thống điện
◦Dự trữ công suất và dự trữ năng lượng trong hệ thống điện
Tiêu

chuẩn và phương pháp nghiên cứu độ tin cậy

◦Các cách tiếp cận nghiên cứu độ tin cậy
◦Các phương pháp đánh giá độ tin cậy
Độ

tin cậy của lưới truyền tải và lưới phân phối

◦Độ tin cậy của lưới truyền tải
◦Độ tin cậy của lưới phân phối
◦Minh họa tính tốn độ tin cậy của lưới điện

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

4


Tài liệu tham khảo
1.

Trần Bách. Lưới điện và hệ thống điện. Tập 2. NXB Khoa học và kỹ
thuật. Hà Nội – 2000.

2.

Trần Bách. Tối ưu hóa chế độ hệ thống điện. NXB Đại học Bách Khoa.
Hà Nội – 2002.

3.

North American Electric Reliability Corporation. Reliability Assessment
Guide Book. 2012.

4.

José Fernando Prada. The Value of Reliability in Power Systems Pricing Operating Reserves. Massachusetts Institute of Technology,
1999.

5.

Marko Cepin. Assessment of Power System Reliability. Spinger, London,
2011.

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

5


1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐỘ TIN CẬY
 Hệ

thống điện (HTĐ) và các phần tử
 Độ tin cậy và các chỉ tiêu độ tin cậy của HTĐ
 Trạng thái của phần tử và hệ thống
 Độ tin cậy và tổn thất kinh tế do mất điện

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

6


Hệ thống điện và các phần tử


Hệ thống – là một tập hợp các phần tử tương tác với nhau trong một cấu trúc xác
định nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, có sự quản lý thống nhất trong họat động
cũng như phát triển.



Ví dụ: Hệ thống điện, bao gồm nguồn điện, mạng lưới điện và phụ tải điện, có
nhiệm vụ sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng.



Hệ thống phục hồi – là hệ thống mà các phần tử của nó sau khi bị hỏng (không thể
thực hiện nhiệm vụ yêu cầu) sẽ được phục hồi và đưa trở lại làm việc. Ví dụ: Hệ
thống điện. Do đó trạng thái hỏng hóc của hệ thống cũng được phục hồi sau
khoảng thời gian nhất định.



Phần tử là một bộ phận tạo thành hệ thống, trong mỗi bài toán cụ thể được xem
như là một tổng thể duy nhất đặc trưng bởi các thông số tin cậy, chỉ phụ thuộc vào
yếu tố bên ngoài. Đa số phần tử của hệ thống điện là phần tử phục hồi.

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

7


Độ tin cậy của hệ thống điện


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.



Độ tin cậy là khái niệm có tính thống kê từ kinh nghiệm làm việc trong quá khứ của
hệ thống (hoặc phần tử).



Hệ thống điện làm việc liên tục, như vậy ý nghĩa về khoảng thời gian nhất định để
thực hiện nhiệm vụ cung cấp điện không bắt buộc. Độ tin cậy vì thế có thể đo bằng
tính sẵn sàng của hệ thống.



Độ sẵn sàng là xác suất để hệ thống (hay phần tử) hoàn thành hoặc sẵn sàng hoàn
thành nhiệm vụ tại thời điểm bất kỳ.



Như vậy độ sẵn sàng là xác suất để hệ thống (hay phần tử) tốt tại thời điểm bất kỳ,
tính bằng tỷ số giữa thơi gian hệ thống ở trạng thái tốt trên tổng thời gian hoạt
động. Ngược lại là độ không sẵn sàng, hay là xác suất để hệ thống (hay phần tử) ở
trạng thái hỏng.

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

8

Các chỉ tiêu độ tin cậy của HTĐ
Việc đánh giá các chỉ tiêu độ tin cậy trong bài toán quy hoạch dựa trên
cách tiếp cận xác suất, vì thế kết quả khơng thể là kết quả chính xác như
thực tế vận hành.
 Các chỉ tiêu cụ thể hóa giá trị trung bình trong quá khứ vận hành hệ thống
và khả năng của tương lai trên cơ sở đánh giá các quan sát một quá trình
đủ lớn.
 Các chỉ tiêu độ tin cậy cho phép áp dụng đánh giá kinh tế kỹ thuật trong
bài toán quy hoạch phát triển hệ thống điện.
 Chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống điện bao gồm:


◦
◦
◦
◦
◦
◦
◦

Loss of load probability (LOLP)
Loss of load expectation (LOLE)
Loss of load frequency (LOLF)
Loss of energy probability (LOEP)
Expected Power Not Supplied (EPNS)
Expected Energy Not Supplied (EENS)
Thiệt hại kinh tế tính bằng tiền do mất điện

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

9


Trạng thái của phần tử








Phần tử có thể có 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.
Đặc trưng của một trạng thái bao gồm: xác suất xảy ra (Pi), thời
gian diễn ra, tần suất xảy ra trạng thái (số lần xảy ra trong một đơn
vị thời gian). Như vậy 0 ≤ Pi ≤ 1.
Tổng xác suất các trạng thái của phần từ là một tập hợp đầy đủ
khả năng xảy ra các trạng thái ΣPPi = P1 + P2 + … + Pn = 1. Trong
đó các trạng thái có xác suất nhỏ có thể bỏ qua trong một bài tốn
nhất định (ghép với một trạng thái khác) và phần tử luôn ở một
trong những trạng thái của tập đủ các trạng thái.
Xác suất trạng thái tốt của phần tử chính là độ sẵn sàng p, còn xác
suất trạng thái hỏng là độ khơng sẵn sàng q.

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

10


Trạng thái của hệ thống






Trạng thái của hệ thống là tổ hợp các trạng thái của tất cả các
phần tử tạo thành nó, tức là mỗi trạng thái của hệ thống là sự xảy
ra đồng thời các trạng thái nào đó của các phần tử.
Số lượng trạng thái của hệ thống thường rất lớn và xác suất trạng
thái của hệ thống là tích của các xác suất trạng thái của các phần
tử, với giả thiết chúng độc lập với nhau.
Trạng thái của hệ thống cũng được đặc trưng bởi thời gian trạng
thái, tần suất trạng thái và xác suất trạng thái.

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

11


Độ tin cậy và tổn thất kinh tế


Độ tin cậy thấp dẫn đến sự cố thường xuyên trong HTĐ, tạo ra các
ảnh hưởng và chi phí đối với kinh tế xã hội. Vì thế trong quy hoạch
các phụ tải thường được phân loại theo yêu cầu về độ tin cậy cần
thiết.



Các yêu cầu về độ tin cậy quyết định cấu trúc của hệ thống điện
(mức độ dự trữ, cấu trúc lưới điện, hệ thống quản lý và điều
khiển).
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy:



◦ Chất lượng phần tử
◦ Cấu trúc hệ thống
◦ Khả năng điều khiển
◦ Hệ thống quản lý
◦ Môi trường
◦ Yếu tố con người
Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

12


Độ tin cậy và tổn thất kinh tế


Nâng cao độ tin cậy của HTĐ địi hỏi vốn đầu tư, vì thế thường
được đánh giá dựa trên hiệu quả kinh tế kỹ thuật.

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

13


Các bài toán độ tin cậy

Theo đối tượng:
Bài toán về 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.
Theo mục đích nghiên cứu:
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 tốn giải tích, tính tốn các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống điện có cấu
trúc cho trước.
Bài toán tổng hợp, nhằm xác định trực tiếp thơng số của một phân tử nào đó
trên cơ sở cho trước yêu cầu độ tin cậy và các thơng số của các phần tử cịn lại.
Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

14

Yêu cầu đánh giá độ tin cậy


Phân tích độ tin cậy: nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố bên trong
và bên ngoài đến độ tin cậy của HTĐ.

◦ Bài tốn: tính tốn và đánh giá các chỉ tiêu độ tin cậy của 1 phần tử, bộ phận hay
HTĐ từ các thông số độ tin cậy của các phần tử nhỏ hơn. VD: tính độ tin cậy của 1
phần sơ đồ lưới điện, dựa trên yếu tố độ tin cậy của các phần tử: nguồn, TBA, ĐZ...
◦ Các chỉ tiêu độ tin cậy gắn liền với tiêu chuẩn hoàn thành nhiệm vụ (hỏng hóc) do
người phân tích đặt ra.



Đối với bài toán vận hành:

◦ Đánh giá độ tin cậy nhằm phát hiện các điểm yếu trong hệ thống điện, xác định các
phần tử cần được tăng cường để đáp ứng yêu cầu phụ tải hiện tại và tương lai.



Đối với bài toán thiết kế và quy hoạch:

◦ Đánh giá độ tin cậy nhằm xác định mức độ đầu tư xây dựng hệ thống điện.
◦ Việc đầu tư quá mức dẫn đến chi phí đầu tư, vận hành và bảo dưỡng lớn, ngược
lại đầu tư không đủ dẫn đến chất lượng điện năng khơng đảm bảo và chi phí thiệt
hại do mất điện tăng.

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

15


2. ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC PHẦN TỬ
Các

chỉ số độ tin cậy của phần tử
Mơ hình độ tin cậy của tập hợp các phần tử
Mơ hình hệ thống nguồn điện
Xây dựng xác suất trạng thái của hệ thống
nguồn điện

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

16


Độ tin cậy của phần tử




Vòng đời của một phần tử trong HTĐ có thể biểu diễn bởi mơ hình đơn giản có
2 trạng thái trong một q trình lặp “vận hành – bảo dưỡng”.

Trên cơ sở mơ hình này, thơng số đặc trưng là cường độ hỏng hóc và phục
hồi của phần tử.
Cường độ hỏng hóc: số lần hỏng hóc trung bình/đơn vị thời gian - λ(t).

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

17


Cường độ hỏng hóc

t

t



Với phần tử khơng phục hồi (chỉ làm việc đến lần hỏng đầu tiên): cường
độ hỏng hóc là xác suất để phần tử đã phục vụ đến thời điểm t sẽ hỏng
trong khoảng Δt->0 tiếp theo (thời điểm kế tiếp).



Với phần tử phục hồi, các bộ phận sau khi bảo dưỡng định kỳ có độ tin
cậy trở về giá trị ban đầu. Khi xét khoảng thời gian dài, các phần tử phục
hồi có thể xem như λ(t) là hằng số và bằng λtb để tính tốn độ tin cậy.



Thống kê: λ = m/(N.TΣP)
◦ m – số lần hỏng quan sát được, N – số phần tử cùng loại được quan sát, T ΣP – tổng thời
gian quan sát.

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

18


Chỉ tiêu độ tin cậy của phần tử


Cường độ hỏng hóc (Unit failure rate) - λ



Thời gian làm việc trung bình (Average working time) - T0 = 1/λ.



Thời gian sửa chữa trung bình (Average repair time) τ0
τ0 = ΣP τi /m (τi - đại lượng ngẫu nhiên).



Cường độ phục hồi (Unit repair rate) – μ=1/ τ0



Độ sẵn sàng (Avaibilty) – p
p = T0/(T0+τ0) = μ/(μ +λ)



Độ không sẵn sàng (Unavaibility) – q
q = 1 - p = τ0/(T0+τ0) = λ /(μ +λ)



Độ sẵn sàng có xét đến thời gian bảo dưỡng (hệ số sử dụng):
p’ = T0/(T0+τ0+τbq)

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

19


VD1. Mơ hình độ tin cậy của MF


Máy phát là một phấn tử điển hình của hệ thống điện được áp dụng mơ hình 2 trạng
thái. Xác suất hỏng hóc của máy phát là độ không sẵn sàng q, trên lý thuyết có thể
biểu diễn qua cường độ hỏng hóc λ và cường độ phục hồi μ
q = λ /(μ +λ)



Trên cơ sở thống kê trong thời gian đủ lâu, độ khơng sẵn sàng của máy phát có thể
đo bằng thời gian ngừng máy cưỡng bức ghi nhận được “forced outage rate” (FOR)
FOR = thời gian dừng máy sự cố/(thời gian làm việc + thời gian dừng máy)



Nếu có nhiều trạng thái làm việc với công suất khả phát khác nhau của một phần
tử, các trạng thái bổ sung có thể được quy đổi về trạng thái tiêu chuẩn.



VD: một máy phát có 3 trạng thái: full power of duration t1, failure of t2, and power
down 40% of t3. Trạng thái thứ 3 có thể quy đổi thành trạng thái hỏng hồn tồn
(100% down) như sau: t3 converted = 40%×t3 = t’3.



Equivalent FOR (EFOR):
EFOR = (t2+t’3)/(t1+t2+t3)

Hà Nội - 2014

Phân tích độ tin cậy

20