Đánh giá độ tin cậy của hệ thống kết hợp nguồn và lưới điện truyền tải

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Các kết quả tính toán trong
luận văn này là do tôi tự thực hiện một cách trung thực và chƣa từng đƣợc nêu
ra trong bất kỳ bản luận văn nào khác.
Hà Nội, tháng 09 năm 2013
Tác giả luận văn

Nguyễn Phƣơng An

-i-


LỜI MỞ ĐẦU

Ở Việt Nam ta hiện nay, thị trƣờng điện đang từng bƣớc đƣợc hình thành và
phát triển nhanh chóng. Cùng với đó, yêu cầu chung về chất lƣợng điện năng
của hệ thống điện cũng đƣợc nâng cao hơn. Trong số các yếu tố của chất
lƣợng điện năng, yếu tố độ tin cậy có vị trí quan trọng hàng đầu, ảnh hƣởng
mạnh mẽ đến khả năng cạnh tranh của các công ty tham gia thị trƣờng điện.
Chính vì thế, yếu tố độ tin cậy hệ thống điện đang ngày càng đƣợc quan tâm
nhiều hơn, đặc biệt trong công tác thiết kế, lập quy hoạch và vận hành lƣới
điện.
Tuy nhiên, đối với các hệ thống điện có số lƣợng phần tử rất lớn, cấu trúc
phức tạp nhƣ hệ thống điện Việt Nam thì việc đánh giá độ tin cậy hoàn toàn
không dễ dàng và phải sử dụng các phƣơng pháp chuyên biệt có khối lƣợng
tính toán lớn và trải qua nhiều bƣớc. Các phƣơng pháp này đƣợc chia làm hai
nhóm chính là các phƣơng pháp phân tích và các phƣơng pháp mô phỏng.
Luận văn từng bƣớc nghiên cứu các chỉ tiêu độ tin cậy hệ thống điện, các
phƣơng pháp phân tích đánh giá độ tin cậy của những hệ thống phức tạp và
các phƣơng pháp phân tích lƣới điện, từ dó tổng hợp thành phƣơng pháp phân
tích đánh giá độ tin cậy của hệ thống kết hợp nguồn và lƣới điện truyền tải.

Sau đó, áp dụng tính toán trên lƣới điện mẫu RBTS (Roy billinton reliability
test system) và cho ra các kết quả xác định.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ
thống Điện trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt là GS. TSKH Trần
Đình Long đã hƣớng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ tận tình trong thời gian qua để tác
giả hoàn thành tốt luận này.

- ii -


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... ii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................................... vi
CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................... vii
CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................................... ix
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG ĐIỆN ........ 1
I.1

Độ tin cậy: ............................................................................................ 1

I.2

Độ tin cậy của hệ thống điện. ............................................................... 2

I.3

Phân cấp cấu trúc hệ thống điện phục vụ đánh giá ĐTC. .................... 4

I.4

Các phƣơng pháp đánh giá độ tin cậy HTNVL. ................................... 6

I.5

Phạm vi luận văn .................................................................................. 7

CHƢƠNG II: CÁC CHỈ TIÊU ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ........ 9
II.1 Các chỉ tiêu độ tin cậy của nguồn điện ................................................. 9
II.2 Các chỉ tiêu độ tin cậy của HTNVL. .................................................. 15
II.2.1

Các chỉ tiêu theo năm tính toán cho các nút phụ tải. ................ 15

II.2.2

Các chỉ tiêu theo năm tính toán cho toàn hệ thống. .................. 18

II.3 Các chỉ tiêu độ tin cậy của lƣới điện phân phối. ................................ 20
II.3.1

Ký hiệu các thông số liên quan. ................................................ 21

II.3.2

Các chỉ tiêu mất điện kéo dài: ................................................... 22

II.3.3

Các chỉ tiêu độ tin cậy dựa trên công suất phụ tải .................... 24

II.3.4

Các chỉ tiêu mất điện thoáng qua .............................................. 25

II.3.5

Các chỉ tiêu dựa trên điện năng thiếu hụt ................................. 26

II.4 Các chỉ tiêu độ tin cậy của lƣới điện truyền tải .................................. 27
- iii -


CHƢƠNG III: CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY
CỦA HTNVL .................................................................................................. 29
III.1

Các phƣơng pháp phân tích độ tin cậy HTNVL ............................. 29

III.1.1

Phƣơng pháp lát cắt hẹp (Minimal cut set method) .................. 29

III.1.2

Phƣơng pháp không gian trạng thái (State space method) ....... 31

III.1.3 Phƣơng pháp liệt kê trạng thái (Contigency enumeration
method) ................................................................................................... 37
III.2

Các phƣơng pháp phân tích hệ thống điện. ..................................... 42

III.2.1

Phƣơng pháp Newton – Raphson. ............................................. 42

III.2.2 Phƣơng pháp Newton – Raphson tách biến (Newton-Raphson :
Pθ-QU Decoupling) ................................................................................. 48
III.2.3

Phƣơng pháp trào lƣu công suất 1 chiều (DC Power Flow) ..... 51

III.3

Xử lý sự cố: ..................................................................................... 52

III.4

Mô hình các phần tử trong HTĐ. .................................................... 53

III.4.1

Mô hình phần tử phục hồi trong hệ thống điện........................ 53

III.4.2

Độ tin cậy của các phần tử trong hệ thống điện. ....................... 55

III.4.3

Mô hình phụ tải điện ................................................................. 55

CHƢƠNG IV: ÁP DỤNG ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CHO LƢỚI ĐIỆN
MẪU................................................................................................................ 57
IV.1

Mô hình lƣới điện mẫu phục vụ tính toán độ tin cậy ...................... 57

IV.2

Tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy nguồn điện: ................................. 60

IV.3

Tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy HTĐ mẫu theo tiêu chí N-1: ....... 65

IV.3.1

Tính toán độ tin cậy của các đƣờng dây: .................................. 65

IV.3.2

Phân tích chế độ vận hành bình thƣờng của lƣới điện. ............. 65

IV.3.3

Phân tích chế độ sự cố đƣờng dây số 1 hoặc số 6 . ................... 67

- iv -

IV.3.4

Phân tích chế độ sự cố đƣờng dây số 2 hoặc số 7 . ................... 70

IV.3.5

Phân tích chế độ sự cố đƣờng dây số 3 . ................................... 71

IV.3.6

Phân tích chế độ sự cố đƣờng dây số 4 . ................................... 72

IV.3.7

Phân tích chế độ sự cố đƣờng dây số 5 . ................................... 73

IV.3.8

Phân tích chế độ sự cố đƣờng dây số 8 . ................................... 74

IV.3.9

Phân tích chế độ sự cố đƣờng dây số 9 . ................................... 75

IV.3.10

Phân tích chế độ sự cố máy phát G2 . .................................... 76

IV.3.11

Phân tích chế độ sự cố máy phát G7 . .................................... 77

IV.4

Đánh giá độ tin cậy cho từng phụ tải và toàn lƣới điện. ................. 78

IV.4.1

Đánh giá độ tin cậy cho phụ tải thanh cái số 3. ........................ 78

IV.4.2

Đánh giá độ tin cậy cho phụ tải thanh cái số 6 ......................... 79

IV.4.3

Đánh giá chỉ tiêu toàn lƣới điện. ............................................... 80

IV.5

Tổng hợp kết quả. ............................................................................ 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. x
PHỤ LỤC 01: .................................................................................................... 1
THÔNG SỐ ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC PHẦN TỪ TRONG HTĐ ................ 1

-v-

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CSTD

:

Công suất tác dụng

CSPK

:

Công suất phản kháng

ĐTC

:

Độ tin cậy

HTĐ

:

Hệ thống điện

HTNVL

:

Hệ thống kết hợp nguồn và lƣới truyền tải.

LPP

:

Lƣới điện phân phối

TLCS

:

Trào lƣu công suất

- vi -


CÁC HÌNH VẼ

Hình I.1. Hai yếu tố của độ tin cậy hệ thống điện ............................................ 3
Hình I.2. Phân cấp cấu trúc hệ thống điện ........................................................ 5
Hình II.1. Sơ đồ phân loại các chỉ tiêu độ tin cậy nguồn điện ........................ 10
Hình II.2. Đồ thị tính toán điện năng thiếu hụt ............................................... 13
Hình III.1. Sơ đồ phân loại các phƣơng pháp phổ biến trong tính xác suất sự
cố hệ thống điện kết hợp. ................................................................................ 29
Hình III.2. Quá trình chuyển dịch của hệ thống ............................................. 33
Hình III.3. Mô hình Markov 2 phần tử ........................................................... 37
Hình III.4. Các bƣớc tính toán độ tin cậy bằng phƣơng pháp liệt kê trạng thái.

......................................................................................................................... 40
Hình III.5. Sơ đồ khối phần mềm tính toán độ tin cậy HTNVL ..................... 41
Hình III.6. Chu trình làm việc – hỏng hóc của phần tử phục hồi. .................. 54
Hình III.7. Đƣờng tuyến tính hóa đồ thị phụ tải ............................................. 56
Hình IV.1. Sơ đồ lƣới điện RBTS ................................................................... 58
Hình IV.2. Kết quả tính trào lƣu công suất - hệ thống đầy đủ ........................ 66
Hình IV.3. Kết quả tính trào lƣu công suất – điều chỉnh điện áp thanh cái 1 . 67
Hình IV.4. Kết quả tính trào lƣu công suất – Sự cố đƣờng dây số 1(số 6)..... 68
Hình IV.5. Kết quả tính trào lƣu công suất – Giảm công suất phụ tải thanh cái
3 ....................................................................................................................... 69
Hình IV.6. Kết quả tính trào lƣu công suất – Sự cố đƣờng dây số 2(số 7)..... 70
Hình IV.7. Kết quả tính trào lƣu công suất – Sự cố đƣờng dây số 3 .............. 71
Hình IV.8. Kết quả tính trào lƣu công suất – Sự cố đƣờng dây số 4 .............. 72
Hình IV.9. Kết quả tính trào lƣu công suất – Sự cố đƣờng dây số 5 .............. 73
- vii -


Hình IV.10. Kết quả tính trào lƣu công suất – Sự cố đƣờng dây số 8 ............ 74
Hình IV.11. Kết quả tính trào lƣu công suất – Sự cố đƣờng dây số 9 ............ 75
Hình IV.12. Kết quả tính trào lƣu công suất – Sự cố máy phát G2 ................ 76
Hình IV.13. Kết quả tính trào lƣu công suất – Sự cố máy phát G7 ................ 77

- viii -


CÁC BẢNG BIỂU

Bảng II.2.1. Các chỉ tiêu năm tính toán cho nút phụ tải. ................................ 15
Bảng II.2.2. Các chỉ tiêu năm tính toán cho toàn hệ thống. ............................ 18
Bảng III.1.2. Bảng trạng thái mô hình hai phần tử ......................................... 36

Bảng III.3.1. Các biện pháp khắc phục sự cố thƣờng gặp .............................. 53
Bảng IV.1.1. Bảng thông số các nút mô hình RBTS: ..................................... 57
Bảng IV.1.2. Bảng thông số các đƣờng dây mô hình RBTS: ......................... 58
Bảng IV.1.3. Bảng thông số các máy phát trong mô hình RBTS: .................. 59
Bảng IV.1.4. Mô hình đặc tuyến phụ tải lƣới điện mẫu ................................. 59
Bảng IV.2.1. Kết quả tính toán độ sẵn sàng của từng máy phát. .................... 61
Bảng IV.2.2. Kết quả tính toán độ tin cậy nguồn điện đối với từng trạng thái
N-2 ................................................................................................................... 62
Bảng IV.2.3. Kết quả tính toán độ tin cậy nguồn điện với tiêu chí N-2 ......... 63
Bảng IV.2.4. Tổng hợp số lƣợng trạng thái đối với từng tiêu chí N-x ........... 63
Bảng IV.2.5. Kết quả tính toán độ tin cậy nguồn điện với từng tiêu chí N-x . 64
Bảng IV.3.1. Kết quả tính toán độ sẵn sàng của các đƣờng dây .................... 65
Bảng IV.5.1. Tổng hợp chỉ tiêu trung bình năm cho các nút phụ tải:............. 82
Bảng IV.5.2. Tổng hợp chỉ tiêu trung bình năm cho toàn lƣới điện. .............. 82

- ix -


CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG ĐỘ TIN CẬY HỆ
THỐNG ĐIỆN
Độ tin cậy:

I.1

Độ tin cậy (Reliability) là một thuật ngữ có nghĩa rất rộng và đƣợc áp dụng
trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau nhƣ công nghệ thông tin, điện tử, kỹ
thuật điện, chế tạo máy…. ĐTC có nhiều cách định nghĩa khác nhau, nhìn
chung ĐTC đƣợc dùng để chỉ khả năng của một hệ thống hoặc một đối tƣợng
có thể thực hiện đúng chức năng yêu cầu đặt ra cho nó hay không. Giá trị của
ĐTC thƣờng đƣợc xác định dựa trên kinh nghiệm thực tế về lịch sử hoạt động

của hệ thống hoặc đối tƣợng đƣợc khảo sát, từ đó dùng để đánh giá khả năng
hoạt động của chúng trong tƣơng lai.
Định nghĩa về “Độ tin cậy” đƣợc sử dụng phổ biến trong kỹ thuật đƣợc phát
biểu nhƣ sau:
- Độ tin cậy là một đặc tính của thiết bị hoặc hệ thống thể hiện xác suất
thiết bị hoặc hệ thống đó thực hiện đúng và đầy đủ chức năng yêu cầu
trong một khoảng thời gian xác định và trong một điều kiện làm việc
xác định. [3]
Biểu diễn toán học độ tin cậy của phần tử E trong khoảng thời gian t nhƣ sau:
( )

]]

(I.1)

ĐTC có thể đo đạc và tính toán đƣợc bằng phƣơng pháp xác suất thông qua
việc xác định xác suất làm việc tin cậy của đối tƣợng. Thông thƣờng, một
thiết bị hoặc hệ thống đƣợc coi là làm việc tin cậy nếu nhƣ thiết bị hoặc hệ
thống đó không gặp sự cố trong suốt thời gian làm việc của chúng. Dù sao,
đại đa số các thiết bị trong suốt quá trình vận hành, tại một thời điểm nào đó
sẽ có hỏng hóc hoặc cần phải bảo dƣỡng và đƣợc đƣa ra sửa chữa, bảo dƣỡng
sau đó lại đƣợc đƣa vào vận hành, nhƣ vậy trong thời gian sửa chữa, bảo
dƣỡng thiết bị sẽ không thể làm việc đƣợc nhƣ bình thƣờng. Trong những

-1-


trƣờng hợp này, một thông số phù hợp hơn để xác định tính chất tin cậy của
thiết bị đó là “độ sẵn sàng” (availability) của thiết bị.
- Độ sẵn sàng của một thiết bị có khả năng sửa chữa hoặc bảo dưỡng là

tỉ lệ thời gian mà thiết bị đó vận hành hoặc sẵn sàng vận hành trên
tổng thời gian vận hành dự kiến của thiết bị. [3]
Biểu diễn toán học độ sẵn sàng của phần tử E trong khoảng thời gian t nhƣ
sau:
( )

]

(I.2)

Ngƣợc lại với độ sẵn sàng của thiết bị là độ không sẵn sàng U(t) (còn gọi là
FOR – Forced Outage Rate).
( )

]

(I.3)

Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của thiết bị đều là các chỉ tiêu xác suất và
không cung cấp một kết quả tất định. Chúng chỉ xác định trạng thái trung bình
đã diễn ra trong quá khứ hoặc các khả năng có thể xảy ra trong tƣơng lai của
một thiết bị. Các chỉ tiêu độ tin cậy cùng với các ảnh hƣởng kinh tế cũng nhƣ
các ràng buộc khác đƣợc dùng để so sánh, quyết định việc quy hoạch, thiết kế
và vận hành hệ thống hoặc thiết bị nào đó.
I.2

Độ tin cậy của hệ thống điện.

Độ tin cậy hệ thống điện là “Xác suất hệ thống điện giữ ở một trạng thái vận
hành nhất định trong một khoảng thời gian xác định dưới điều kiện vận hành

xác lập mà không có sự cố nào, đồng thời đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đặt ra
của các phụ tải”. Với định nghĩa trên, khái niệm về độ tin cậy hệ thống điện
rất rộng và bao hàm tất cả các khía cạnh ảnh hƣởng đến khả năng hệ thống
điện thỏa mãn đầy đủ các yêu cầu của hộ tiêu thụ điện. Tính chất tin cậy hệ
thống điện có thể đƣợc chia làm hai yếu tố chính là tính đáp ứng và tính an
toàn nhƣ trong Hình I.1.

-2-


Độ tin cậy hệ thống điện
(System Reliability)

Tính đáp ứng của hệ thống
(System Adequacy)

Tính an toàn của hệ thống
(System Security)

Hình I.1. Hai yếu tố của độ tin cậy hệ thống điện

Tính đáp ứng đánh giá hệ thống ở trạng thái tĩnh, không xét tới các nhiễu loạn
xảy ra trong hệ thống. Tính đáp ứng xem xét đến toàn bộ thiết bị trong hệ
thống để đảm bảo thỏa mãn mọi yêu cầu cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ
điện. Chúng bao gồm: các thiết bị cần thiết để sản xuất đủ nhu cầu điện năng
cần thiết và hệ thống truyền tải, phân phối phù hợp để truyền tải điện năng
đến các hộ tiêu thụ với chất lƣợng cho phép và phải có khả năng giữ đƣợc
trạng thái vận hành này một cách đảm bảo trong suốt thời gian yêu cầu. Đối
với các hệ thống nguồn điện, tính đáp ứng của hệ thống nguồn không chỉ xét
đến công suất lắp máy của máy phát mà cả thời gian phát công suất tối đa

hàng năm (điện năng sản xuất tối đa hàng năm của nhà máy). Trong hệ thống
điện, các thiết bị điện lớn nhƣ máy phát, máy biến áp, đƣờng dây tải điện đều
có các kế hoạch bảo dƣỡng định kỳ, khi đó các thiết bị phải dừng làm việc và
tách ra khỏi lƣới điện. Do đó việc đánh giá tính đáp ứng của hệ thống điện
cũng cần xét tới trạng thái hệ thống khi có các phần tử không làm việc.
Ở khía cạnh khác, tính an toàn của hệ thống xét đến khả năng hệ thống chống
chọi đƣợc với các biến động và nhiễu loạn phát sinh trên trong hệ thống. Các
nhiễu loạn xảy ra có thể là nhiễu loạn cục bộ, nhiễu loạn diện rộng hoặc nhiễu
loạn do mất một phần tử nhƣ máy phát điện, đƣờng dây truyền tải hoặc máy
biến áp truyền tải. Đối với nguồn điện, độ an toàn phát điện là khả năng máy
phát có thể chịu đƣợc các yếu tố bất thƣờng liên quan đến tần số, điện áp tại
bất kỳ thời điểm nào trong suốt thời gian phát điện. Độ an toàn là một chỉ số

-3-


động chỉ khả năng phản ứng của hệ thống với các sự kiện không lƣờng trƣớc
đƣợc. Do đó tính an toàn của hệ thống cần đƣợc đánh giá và phân tích ở cả
hai trạng thái động và tĩnh.
Tính đáp ứng và an toàn cùng với nhau tạo thành nội dung đầy đủ về độ tin
cậy của hệ thống điện, thể hiện khả năng cung cấp năng lƣợng điện đảm bảo
về số lƣợng và chất lƣợng tới các hộ tiêu thụ điện.
I.3

Phân cấp cấu trúc hệ thống điện phục vụ đánh giá ĐTC.

Ngày nay, hệ thống điện tại các nƣớc phát triển thƣờng rất lớn, có tính tích
hợp cao và vô cùng phức tạp. Số lƣợng các phần tử trong hệ thống điện rất
nhiều và quan hệ chặt chẽ với nhau. Điều này làm cho việc đánh giá độ tin
cậy chung toàn hệ thống là rất khó khăn, đòi hỏi phải có các công cụ toán học

rất mạnh và phức tạp. Các mô hình đánh giá chi tiết lại gần nhƣ không hiệu
quả do chúng rất khó thực hiện và đỏi hỏi thời gian tính toán rất dài. Hơn nữa,
kết quả tính toán đạt đƣợc có số lƣợng rất lớn các số liệu mà việc tận dụng hết
chúng cũng không thật cần thiết.
Dựa trên các đặc tính của hệ thống điện, để thuận tiện việc đánh giá tính đáp
ứng của hệ thống, ngƣời ta chia hệ thống thành ba khối chức năng là: khối
nguồn điện, khối truyền tải và khối phân phối. Các khối chức năng có thể
đƣợc đánh giá độ tin cậy một cách độc lập hoặc kết hợp. Việc đánh giá này sẽ
thuận tiện hơn nhờ việc thiết lập các giả thiết tính toán phù hợp và linh động
hơn trong việc lựa chọn các chỉ tiêu sự cố. Các khối chức năng có thể kết hợp
với nhau để tạo thành một tổ hợp cấp cao hơn thể hiện mức độ hoạt động lớn
hơn của hệ thống. Các tổ hợp khác nhau để tính toán độ tin cậy có thể đƣợc
chia thành ba cấp nhƣ trong hình I.2 [3].
Các phân cấp là:
 Cấp 1(HLI): Bao gồm các tổ máy phát điện và các thiết bị liên quan.
Khi đánh giá độ tin cậy tại cấp này, ngƣời ta xem xét khả năng hệ thống
nguồn điện có thể cung cấp đủ công suất và điện năng yêu cầu của phụ
tải hay không.
-4-


Nguồn điện

HL1

HL2
Lƣới truyền tải

HL3
Lƣới phân phối

Hình I.2. Phân cấp cấu trúc hệ thống điện

 Cấp 2(HL2): Bao gồm các thiết bị ở cấp 1 và các thiết bị truyền tải
điện. Cấp này không chỉ xem xét khả năng phát điện mà cả khả năng
truyền tải công suất từ nguồn điện đến các nút phụ tải. Hệ thống điện ở
cấp HL2 còn đƣợc gọi là “Hệ thống kết hợp nguồn và lưới điện truyền
tải”.
 Cấp 3(HL3): Bao gồm toàn bộ các thiết bị trong hệ thống điện từ phát
điện, truyền tải đến phân phối điện. Cấp này xem xét các yếu tố độ tin
cậy của toàn bộ thiết bị trong hệ thống kể cả độ tin cậy cung cấp điện
cho các hộ tiêu thụ.
Khi đánh giá độ tin cậy của một hệ thống điện ta thƣờng đánh giá bởi một
hoặc nhiều chỉ tiêu khác nhau, từ đó xác định kỳ vọng hoạt động tin cậy của
hệ thống và cụ thể hóa bằng các tiêu chuẩn, các giá trị giới hạn cho phép cho
mỗi chỉ tiêu.
Một số điểm quan trọng cần lƣu ý khi đánh giá độ tin cậy của hệ thống điện:

-5-


 Mức độ tin cậy thực tế cho từng hộ tiêu thụ sẽ thay đổi từ địa điểm này
sang địa điểm khác. Các khối chức năng khác nhau có thể sẽ có mức độ
ĐTC khác nhau.
 Khi thiết kế, lập quy hoạch HTĐ, chúng ta nên thiết kế các phần tử
trong hệ thống điện có độ tin cậy phù hợp với từng loại phần tử mà
không cần quá chú trọng vào việc nâng cao độ tin cậy của một phần tử
riêng lẻ. Vì nếu một bộ phận có độ tin cậy C cao đƣợc nối với các bộ
phận khác có độ tin cậy rất thấp thì độ tin cậy chung của cả dây chuyền
cung cấp điện vẫn là rất thấp.

 Trong thị trƣờng điện cạnh tranh, cơ chế xác định giá điện và phí
truyền tải cho hệ thống truyền tải và phân phối phải xét đến độ tin cậy
của các thiết bị trong hệ thống.
I.4

Các phƣơng pháp đánh giá độ tin cậy HTNVL.

Các hệ thống kết hợp nguồn và lƣới truyền tải chính là một ví dụ điển hình về
hệ thống tin cậy. Rất nhiều hệ thống điện có thời gian cắt điện trung bình của
các hộ tiêu thụ chỉ khoảng vài giờ một năm, điều này cho thấy độ sẵn sàng
cung cấp điện của hệ thống đó rất cao. Thông thƣờng, để tăng đƣợc độ sẵn
sàng ở mức cao nhƣ vậy cần giảm thiểu khả năng hộ tiêu thụ bị mất điện bằng
các hệ thống có cấu hình dự phòng kép. Trong thời kỳ đầu, việc đảm bảo độ
tin cậy trong hệ thống chỉ đƣợc thực hiện nhờ kinh nghiệm hoặc dựa trên các
tiêu chuẩn, quy tắc chung. Tuy nhiên, khi hệ thống điện càng phát triển hơn,
phức tạp hơn thì càng có nhiều kỹ thuật tính toán chính xác đƣợc áp dụng.
Những kỹ thuật đầu tiên dựa trên các chỉ tiêu tiền định, phổ biến là: hệ số dự
phòng công suất đỉnh và dự phòng phát công suất trong các trƣờng hợp sự cố
N-1, N-2. Một khuyết điểm lớn của các thông số tiền định là nó không tính tới
tính chất ngẫu nhiên của các sự cố trong hệ thống. Thực tế, những sự kiện
xuất hiện một cách ngẫu nhiên hay có xác suất lại rất rễ nhận biết nhƣ: dừng
máy bắt buộc của các máy phát, sự cố đƣờng dây trên không, sự thay đổi nhu
cầu phụ tải… Từ đó, những phƣơng pháp xác suất đƣợc phát triển và cung

-6-


cấp những thông tin có ích hơn đƣợc sử dụng để thiết kế và lập quy hoạch hệ
thống.
Có 2 phƣơng pháp xác suất chính dùng trong tính toán các chỉ tiêu ĐTC của

hệ thống điện là phƣơng pháp phân tích (analytical) và phƣơng pháp mô
phỏng (simulation) Monte Carlo. Phƣơng pháp phân tích mô hình hóa hệ
thống bằng các mô hình toán học và dùng các công cụ giải tích để tính toán
các chỉ tiêu ĐTC từ mô hình đó. Phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo ƣớc
lƣợng các chỉ tiêu độ tin cậy bằng cách mô phỏng thực tế hoạt động mang tính
ngẫu nhiên của hệ thống. Dù sử dụng phƣơng pháp nào thì những chỉ tiêu thu
đƣợc chỉ chính xác khi chúng ta mô phỏng chính xác hệ thống.
Những nghiên cứu ĐTC đƣợc thực hiện nhằm 2 mục đích: đánh giá tính tin
cậy trong dài hạn để lập quy hoạch phát triển hệ thống và đánh giá độ tin cậy
trong ngắn hạn (hàng ngày) phục vụ vận hành hệ thống.
I.5

Phạm vi luận văn

Nội dung của luận văn đƣợc giới thiệu trong 5 chƣơng nhƣ sau:
Chương I: Giới thiệu chung về khái niệm độ tin cậy và độ tin cậy của hệ
thống điện. Đồng thời giới thiệu sơ lƣợc các phƣơng pháp phổ biến để đánh
giá độ tin cậy của HTNVL.
Chương II: Liệt kê các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống điện bao gồm các chỉ
tiêu ĐTC lƣới điện phân phối, chỉ tiêu ĐTC lƣới điện truyền tải, chỉ tiêu ĐTC
hệ thống nguồn điện và chỉ tiêu ĐTC của HTNVL.
Chương III: Đề xuất các phƣơng pháp tính toán đƣợc sử dụng trong việc phân
tích độ tin cậy hệ thống điện. Nội dung chƣơng này đƣợc chia làm ba phần
chính nhƣ sau:
- Các phƣơng pháp phân tích độ tin cậy hệ thống điện: Phƣơng pháp lát
cắt hẹp, phƣơng pháp không gian trạng thái và phƣơng pháp liệt kê
trạng thái.

-7-

- Các phƣơng pháp phân tích hệ thống điện: Phƣơng pháp NewtonRapshon, phƣơng pháp Newton – Rapshon thu gọn và phƣơng pháp
TLCS một chiều.
- Các phƣơng pháp xử lý khi có sự cố.
- Mô hình các phần tử trong tính toán độ tin cậy.
Chương IV: Áp dụng các lý thuyết phƣơng pháp liệt kê trạng thái đã đƣợc
trình bày trong chƣơng III để tính toán cho một HTNVL cụ thể. Lƣới điện
đƣợc lựa chọn ở đây là lƣới điện mẫu tính toán độ tin cậy của Roy – Billinton
(RBTS).
Kết luận và kiến nghị: Nêu các kết luận chung về các nghiên cứu trong luận
văn và các đề xuất hƣớng nghiên cứu nâng cao.

-8-


CHƢƠNG II: CÁC CHỈ TIÊU ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN
Có rất nhiều các chỉ tiêu khác nhau để đánh giá độ tin cậy hệ thống điện. Các
chỉ tiêu này thƣờng đƣợc chia làm ba nhóm chính tƣơng ứng với ba phân cấp
đánh giá độ tin cậy hệ thống điện là: các chỉ tiêu độ tin cậy của lƣới phân
phối, các chỉ tiêu độ tin cậy hệ thống nguồn điện và các chỉ tiêu độ tin cậy cho
HTNVL.
II.1

Các chỉ tiêu độ tin cậy của nguồn điện

Các nguồn điện là một trong những bộ phận quan trọng nhất của mỗi hệ thống
điện. Nếu các máy phát làm việc thiếu tin cậy sẽ có ảnh hƣởng rất lớn đến
toàn hệ thống. Do đó, các chỉ tiêu đánh giá ĐTC hệ thống nguồn điện cũng là
những chỉ tiêu quan trọng thƣờng xuyên đƣợc áp dụng trong thực tế. Các chỉ

tiêu này thƣờng tập trung vào việc đánh giá hệ thống nguồn có đủ khả năng
cung cấp lƣợng công suất hoặc điện năng cần thiết để thỏa mãn nhu cầu của
toàn bộ phụ tải.
Các chỉ tiêu ĐTC đƣợc chia thành hai nhóm chính là các chỉ tiêu tất định và
các chỉ tiêu xác suất. Sơ đồ phân loại các chỉ tiêu nguồn điện đƣợc thể hiện
trong hình Hình II.1.
(1)

Hệ số dự phòng công suất đỉnh

Hệ số dự phòng công suất đỉnh (reserve margin) thể hiện tỉ lệ dự trữ tổng
công suất máy phát trên công suất phụ tải đỉnh của hệ thống hàng năm. Đây là
một chỉ tiêu tất định dùng để đánh giá khả năng dự trữ nguồn điện.
(

)

(
(

(2)

)

)

(II.1)

Sự cố tổ máy phát lớn nhất

Chỉ số này yêu cầu tổng công suất nguồn điện phải lớn hơn hoặc bằng công
suất đỉnh của hệ thống trong trƣờng hợp sự cố tổ máy phát có công suất lớn
nhất. Sự cố tổ máy công suất lớn nhất cho phép ta có một chỉ số thực tế hơn
-9-


so với hệ số dự phòng công suất đỉnh, khi sự cố một tổ máy phát bất kỳ trong
hệ thống thì nguồn cung cấp từ các tổ máy còn lại vẫn đủ đáp ứng nhu cầu
phụ tải.

ĐTC Hệ thống
nguồn điện

Đánh giá tính
tương thích của
HT

Cách tiếp cận tiền
định

Dự phòng đỉnh

Sự cố máy phát
lớn nhất

System Security
Assessment

Cách tiếp cận xác
suất

Mô Phỏng Monte
Carlo

Phương pháp
phân tích

Xác suất/ kz vọng
thiếu hụt công
suất

Xác suất/ kz vọng
thiếu hụt điện
năng

Tần suất và thời
gian kéo dài

Hình II.1. Sơ đồ phân loại các chỉ tiêu độ tin cậy nguồn điện

(3)

Chỉ tiêu xác xuất thiếu hụt công suất (LOLP)

Việc thiếu hụt công suất xuất hiện khi công suất phụ tải vƣợt quá khả năng
phát công suất tối đa của các nguồn điện. Khi đó, chỉ tiêu LOLP (Loss of load
probability) đƣợc sử dụng và đƣợc định nghĩa là xác suất công suất phụ tải
vƣợt quá công suất sẵn sàng của hệ thống nguồn điện, với giả thiết phụ tải
đỉnh là cố định. Chỉ tiêu LOLP là một chỉ tiêu xác suất giúp xác định mức dự
phòng công suất cần thiết của hệ thống nguồn điện. Chỉ tiêu này là một trong

những chỉ tiêu đƣợc áp dụng rộng rãi nhất để đánh giá độ tin cậy của hệ thống
nguồn điện và là căn cứ để quy hoạch nguồn điện. LOLP còn thể hiện giá trị
thống kê lƣợng phần trăm số giờ hoặc ngày trong một khoảng thời gian khảo
sát nhất định khi mà công suất yêu cầu không đƣợc đáp ứng đủ do có xác suất
hỏng các máy phát, khoảng thời gian khảo sát thƣờng là một năm. LOLP là tổ
hợp của hai xác suất nhƣ sau:
- 10 -


∑

]

]

Trong đó:
Gi là những mức công suất nhất định mà hệ thống có thể phát đƣợc.
Công thức tính toán cụ thể là:
∑

∑

(II.2)

Trong đó:
SPi: Xác suất hệ thống ở trạng thái thiếu hụt công suất thứ i.
PGi: Xác suất hệ thống bị thiếu hụt lƣợng công suất Gi.
ti%: thời gian duy trì của trạng thái thiếu hụt công suất Gi tính theo phần
trăm.
(4)

Kỳ vọng thiếu hụt công suất (LOLE)

Chỉ tiêu LOLE (Loss of load expectation) là một chỉ tiêu tƣơng tự nhƣ LOLP
tuy nhiên thay vì tính bằng đơn vị phần trăm nhƣ LOLP, LOLE đƣợc tính
bằng đơn vị thời gian thƣờng là h/năm. LOLE là một chỉ tiêu đƣợc dùng phổ
biến hơn LOLP. Thông thƣờng giới hạn LOLE cho một hệ thống nguồn là
10h/năm, ở một số nƣớc Châu Âu, giới hạn này là 4 đến 8 h/năm.
LOLE có thể tính qua LOLP bằng công thức sau:
(II.3)
Hoặc tính trực tiếp:
∑

(II.4)

Trong đó:
ti: thời gian duy trì của trạng thái thiếu hụt công suất Gi tính bằng giờ.

- 11 -


(5)

Kỳ vọng thiếu hụt điện năng (LOEE)

Chỉ tiêu LOEE (Loss of energy expectation) thể hiện xác suất kỳ vọng bị thiếu
hụt điện năng của hệ thống nguồn điện đối với điện năng yêu cầu của phụ tải.
LOEE có đơn vị là MWh/năm và đƣợc tính nhƣ sau:
∑

(II.5)

LOEE đƣợc tính theo đơn vị % đƣợc tính nhƣ sau:
∑

(II.6)

Trong đó:
ET: Tổng điện năng yêu cầu của phụ tải đƣợc tính theo đƣợc cong phụ
tải kéo dài rong thời gian khảo sát.
LOEE tính theo đơn vị % còn đƣợc gọi là Xác suất thiếu hụt điện năng
(LOEP – Loss of energy probability).
Điện năng thiếu hụt Ei đƣợc xác định theo đƣờng cong phụ tải kéo dài trong
trƣờng hợp công suất phát nhỏ hơn công suất yêu cầu, nhƣ Hình II.2.
Căn cứ vào hình vẽ có thể tính đƣợc Ei và ET nhƣ sau:
∫ (

)

(II.7)
(II.8)

∫
Trong đó:
L: Công suất phụ tải xác định bằng đƣờng cong phụ tải kéo dài.

Ci: Tổng công suất nguồn điện ở trạng thái thiếu hụt công suất thứ i
(6) Các chỉ tiêu Kỳ vọng công suất không được cung cấp / Kỳ vọng điện
năng không được cung cấp (EPNS/EENS).
Các chỉ tiêu EPNS (Expected Power Not Supplied –MW) và EENS (Expected

Energy Not Supplied – MWh) tuy chƣa đƣợc sử dụng nhiều nhƣ chỉ số LOLE,

- 12 -


nhƣng lại rất đƣợc quan tâm gần đây do nó phản ánh sát thực hơn các nguy cơ
của hệ thống. Việc các nguồn năng lƣợng sơ cấp ngày càng khan hiếm và các
quy định về môi trƣờng ngày càng ngặt nghèo khiến điện năng bị giới hạn
mạnh càng khiến cho ngƣời ta quan tâm đến các chỉ số này hơn.

Pphát max
Ptải max

Dự phòng

i

Ei
Ðường cong
phụ tải kéo dài (L)
Ci

8760

ti

0

Hình II.2. Đồ thị tính toán điện năng thiếu hụt

∑

∑

(II.9)
(II.10)

Trong đó: LCi: là lƣợng công suất thiếu hụt ở trạng thái i, LCi đƣợc tính bằng
tổng công suất tiêu thụ trừ đi tổng công suất phát của hệ thống ở trạng thái i.
∑
(7)

∑

(II.11)

Các chỉ tiêu tần suất và thời gian kéo dài (LOLF, LOLD)

Việc tính các chỉ tiêu tần suất và thời gian kéo dài phức tạp hơn so với tính
LOLE và LOEE, nhƣng lại thích hợp hơn để đánh giá khả năng tĩnh của hệ
thống nguồn điện, đặc biệt là khi đánh giá độ tin cậy cho các phụ tải điện. Các
chỉ tiêu này đánh giá đƣợc việc dừng máy do sự cố hay hay do sửa chữa.

- 13 -


LOLF ( Loss Of Load Frequency) và LOLD (Loss Of Load Duration) đƣợc
tính toán bằng phƣơng pháp FAD (the Frequency And Duration), phƣơng
pháp này áp dụng phƣơng pháp không gian trạng thái để tạo nên một tập hợp
các phần tử của hệ thống ở một thời điểm. FAD sử dụng các thông số suất

chuyển dịch µ và λ của các tổ máy phát, trong đó λ là suất chuyển dịch từ
trạng thái hoạt động (up) sang trạng thái dừng (down), µ là suất chuyển dịch
từ trạng thái dừng sang trạng thái hoạt động. Mỗi tập hợp gồm các tổ máy ở
chế độ chạy và dừng khác nhau sẽ tạo ra một trạng thái công suất phát khác
nhau của hệ thống. Quá trình phân tích FAD đƣợc mô tả nhƣ sau:
- Các công suất phát Cj và xác suất Pj của mỗi trạng thái đƣợc tính toán
dựa trên phân bố công suất dừng máy của hệ thống.
- Tần suất bắt gặp trạng thái j, là Fj đƣợc tính bằng kỳ vọng số lần bắt
gặp trạng thái j đi vào (hoặc đi ra) trên một đơn vị thời gian (khảo sát
trong một thời gian dài).
- Tần suất của trạng thái j là:
(

)

(II.12)

trong đó: λj+ là suất chuyển dịch trạng thái từ trạng thái j sang trạng thái
có công suất cao hơn, λj- là suất chuyển dịch trạng thái từ trạng thái j
sang trạng thái có công suất thấp hơn.
- Thời gian kéo dài trung bình của trạng thái j là Tj đƣợc tính từ công
thức:
Pj = FjxTj.
Khi đó chỉ tiêu tần suất thiếu tải LOLF đƣợc tính nhƣ sau:
∑(
Trong đó

)

(II.13)

fj: phần thuộc Fj mà quá trình chuyển đổi không đi qua ranh giới
giữa trạng thái thiếu tải và không thiếu tải.

Chỉ tiêu thời gian thiếu tải LOLD đƣợc tính nhƣ sau:
(II.14)

- 14 -


II.2

Các chỉ tiêu độ tin cậy của HTNVL.

Các chỉ tiêu độ tin cậy là một trong những số liệu quan trọng để đánh giá tính
đáp ứng của lƣới điện kết hợp. Cả hai nhóm chỉ tiêu nút phụ tải và chỉ tiêu hệ
thống đều đƣợc dùng để đánh giá tính đáp ứng của lƣới điện. Các chỉ tiêu nút
phụ tải đánh giá độ tin cậy cho từng nút phụ tải trong khi các chỉ tiêu hệ thống
lại đánh giá chung tổng thể toàn hệ thống [3]. Hai nhóm chỉ tiêu này có chức
năng khác nhau nhƣng liên quan mật thiết và bổ sung cho nhau. Các nhóm
chỉ tiêu này đƣợc tính toán dựa trên giả định phụ tải là cố định. Do đó chúng
thƣờng đƣợc tính trên thông số dữ liệu hàng năm nên thƣờng đƣợc coi là chỉ
tiêu theo năm tính toán. Các chỉ tiêu theo năm tính toán đƣợc tính ở thời
điểm phụ tải đỉnh thƣờng cao hơn nhiều so với chỉ tiêu từng năm.
II.2.1 Các chỉ tiêu theo năm tính toán cho các nút phụ tải.
Bảng II.2.1. Các chỉ tiêu năm tính toán cho nút phụ tải.
(I)
-

Giá trị cơ bản (Basic values)

Qk:
Xác suất sự cố (Probability of failure)
Fk:
Kỳ vọng tần suất sự cố (Expected frequency of failure)
ENVV: Kỳ vọng số lần vi phạm điện áp (Expected number of voltage violations)
ENLC: Kỳ vọng số lần thiếu hụt tải (Expected number of load curtailments)
ELC: Kỳ vọng thiếu hụt công suất (Expected load curtailments)
EENS: Kỳ vọng thiếu hụt điện năng (Expected energy not supplied)

- EDLC: Kỳ vọng thời gian thiếu hụt tải (Expected duration of load curtailment)
(II)
Giá trị tối đa (Maximum values)
- MLC: Phụ tải thiếu hụt tối đa (Maximum load curtailed)
- MEC: Điện năng thiếu hụt tối đa (Maximum energy curtailed)

- MDLC: Thời gian tối đa thiếu hụt công suất tải (Maximum duration of load
curtailment)
(III) Giá trị trung bình (Average values)
- ALC: Phụ tải thiếu hụt trung bình (Average load curtailed)
- AENS: Điện năng thiếu hụt trung bình (Average energy not supplied)

- ADC:

Thời gian trung bình thiếu hụt công suất tải (Average duration of
curtailment)

- 15 -


(IV) Giá trị do mất điện thanh cái (Bus isolation values)

- ENLC: Kỳ vọng số lần thiếu hụt công suất (Expected number of load
-

curtailment)
ELC: Kỳ vọng phụ tải thiếu hụt (Expected load curtailed)
EENS : Kỳ vọng thiếu hụt điện năng - (Expected Energy not supplied)

- EDLC: Kỳ vọng thời gian thiếu hụt tải (Expected duration of load curtailed)
(1) Xác suất sự cố (Qk):
∑
Trong đó

(II.15)

j: trạng thái sự cố trong hệ thống.
SPj:

Xác suất xuất hiện trạng thái j.

Pkj: Xác suất phụ tải tại nút k vƣợt quá phụ tải tối đa có thể
cung cấp tại nút đó trong thời gian xảy ra trạng thái j
(2)

Kỳ vọng tần suất sự cố (Fk):
∑

Trong đó
(3)

(II.16)

Fj: Tần suất suất hiện trạng thái j

Kỳ vọng số lần vi phạm điện áp (ENVV):
∑

Trong đó
(4)

(2.43)

jV:Tất cả các trạng thái có sự vi phạm điện áp tại nút k.

Kỳ vọng số lần thiếu hụt tải (ENLC):
∑

(II.17)

Trong đó: jx: Tất cả các trạng thái dẫn đến quá tải đƣờng dây có thể gây ra
thiếu hụt phụ tải tại nút k khi cắt đƣờng dây.
jy: Tất cả các trạng thái gây cắt điện nút k.

- 16 -