Đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối và đề xuất một số giải pháp nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối áp dụng cho lưới điện huyện xuân trường tỉnh nam định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------BÙI VĂN ĐĨNH

ÐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ
ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CỦA
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI - ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN HUYỆN XUÂN
TRƯỜNG TỈNH NAM ÐỊNH

CHUYÊN NGÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. ĐÀO QUANG THẠCH

Hà Nội – 2014.


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC .............................................................................................................. 1
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 5
Chương I: ................................................................................................................ 7
LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ..................................... 7
I.1 Khái niệm chung ................................................................................................ 7
I.1.1 Hệ thống điện và các phần tử ........................................................................... 7
I.1.2 Độ tin cậy và các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của HTĐ ................................... 8
I.1.3 Trạng thái hư hỏng của hệ thống điện .............................................................. 9
I.1.3 Tổn thất kinh tế do mất điện .......................................................................... 12

I.1.4 Đặc điểm của hệ thống điện về măt độ tin cậy và các biện pháp nâng cao độ
tin cậy cung cấp điện . ........................................................................................... 14
I.1.5 Bài toán độ tin cậy và các phương pháp giải. ................................................. 15
I.2 Độ tin cậy của các phần tử................................................................................ 18
I.2.1 Phần tử không phục hồi. ................................................................................ 19
I.2.2 Mô hình cường độ hỏng hóc . ........................................................................ 21
I.2.3 Phần tử phục hồi............................................................................................ 22
Chương II: ............................................................................................................. 29
ĐỘ TIN CẬY CỦA LƯỚI TRUYỀN TẢI VÀ ...................................................... 29
LƯỚI PHÂN PHỐI ............................................................................................... 29
II.1 Độ tin cậy của lưới truyền tải ......................................................................... 29
II.1.1. Độ tin cậy của đường dây đơn. .................................................................... 29
II.1.2. Độ tin cậy của đường dây kép ..................................................................... 31
Xét đường dây kép trên hình 2.2. ........................................................................... 31
II.2. Độ tin cậy của lưới phân phối......................................................................... 32
II.2.1. Lưới phân phối không phân đoạn ................................................................ 32
II.2.2. Lưới phân phối phân đoạn ........................................................................... 34
II.2.3. Độ tin cậy lưới phân phối kín vận hành hở. ................................................. 36

1


II.3. Độ tin cậy của các trạm biến áp ...................................................................... 37
II.3.1. Khái quát chung. ......................................................................................... 37
II.3.2. Bài toán dự trữ bà thay thế máy biến áp . .................................................... 38
Chương III:............................................................................................................ 43
TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY LƯỚI ĐIỆN ............................................................. 43
HUYỆN XUÂN TRƯỜNG - NAM ĐỊNH ............................................................ 43
III.1 Tổng quan về lưới điện huyện Xuân Trường - Nam Định .............................. 43
III.2. Tính toán độ tin cậy lộ 475E3.8: ................................................................... 44

III.2.1. Các thông số đường dây: ............................................................................ 44
III.3. Tính toán độ tin cậy lộ 477E3.8: ................................................................... 45
III.3.1. Các thông số đường dây: ............................................................................ 45
III.3.2. Tính toán ngừng điện bảo dưỡng định kỳ. .................................................. 46
III.3. 3 Tính toán ngừng điện do sự cố ................................................................... 46
III.4. Tính toán độ tin cậy lộ 473E3.13: ................................................................. 47
III.4.1. Các thông số đường dây: ............................................................................ 47
III.4.2. Tính toán ngừng điện bảo dưỡng định kỳ. .................................................. 47
III.4. 3 Tính toán ngừng điện do sự cố ................................................................... 48
III.5. Tính toán độ tin cậy lộ 477E3.13: ................................................................. 49
III.5.1. Các thông số đường dây: ............................................................................ 49
III.5.2. Tính toán ngừng điện bảo dưỡng định kỳ. .................................................. 49
III.5. 3 Tính toán ngừng điện do sự cố ................................................................... 50
III.6. Tính độ tin cậy của trạm biến áp phân phối. .................................................. 51
III.6.1. Sơ đồ trạm biến áp phân phối. .................................................................... 51
III.6.2. Các thông số về Độ tin cậy của Trạm biến áp phân phối. ........................... 52
III.5.3. Tính toán độ tin cậy của Trạm biến áp phân phối. ...................................... 52
III.5. 3 Tính toán ngừng điện do sự cố ................................................................... 53
CHƯƠNG IV ........................................................................................................ 60
CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY ...................................................... 60
CUNG CẤP ĐIỆN CỦA LƯỚI ĐIỆN................................................................... 60

2


4.1. Các nguyên nhân làm giảm độ tin cậy của lưới điện. ...................................... 60
4.1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy............................................................ 60
4.1.2. Các nguyên nhân làm giảm độ tin cậy. ......................................................... 61
4.1.3. Các số lượng thống kê về các nguyên nhân sự cố......................................... 62
4.1.4. Phân tích độ tin cậy của lưới cáp ngầm và lưới điện trên không ................... 63

4.2. Các giải pháp nâng cao độ tin cậy của lưới điện. ............................................. 63
4.2.1. Các giải pháp hoàn thiện cấu trúc lưới điện.................................................. 63
4.2.2. Giải pháp hoàn thiện hệ thống quản lý. ........................................................ 66
4.2.3. Sử dụng các thiết bị điện có độ tin cậy cao................................................... 66
4.2.4. Sử dụng các thiết bị tự động, các thiết bị điều khiển từ xa. ........................... 67
4.2.5. Tăng cường dự phòng bằng sơ đồ kết dây .................................................... 68
4.2.6. Tổ chức tìm và sửa chữa sự cố nhanh .......................................................... 69
Chương V .............................................................................................................. 95
ÁP DỤNG MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY ............................ 95
CHO LƯỚI ĐIỆN HUYỆN XUÂN TRƯỜNG - NAM ĐỊNH .............................. 95
V.1. Sơ đồ kết dây lưới 22kV huyện Xuân Trường ................................................ 95
Công suất trung gian và phụ tải các trạm biến áp như bảng 5.1 .............................. 95
V.2. Một số giải pháp kỹ thuật nâng cao độ tin cậy lưới 22kV huyện Xuân Trường.
.............................................................................................................................. 96
V.2.1. Cải tạo sơ đồ kết dây lưới 22kV. ................................................................. 96
V.2.2. Lắp đặt thêm một số cầu dao và máy cắt phân đoạn. ................................... 96
V.2.3. Sử dụng thiết bị tự đóng lại đường dây (TĐL)............................................ 97
V.2.4. Sử dụng trạm biến áp có thời gian phục hồi nhanh. ..................................... 97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 101

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong luận văn này là nghiên
cứu của riêng cá nhân tôi, các kết quả tính toán trong luận văn là trung thực và chưa
được công bố trong bất kỳ một tài liệu nào. Có tham khảo một số tài liệu và bài báo
của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản. Tôi xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác.

Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2014
Tác giả luận văn

Bùi Văn Đĩnh

4


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, tốc độ
công nghiệp hoá tăng nhanh, nhu cầu về điện năng ngày càng lớn đòi hỏi ngành
Điện phải đi trước một bước để tạo cơ sở cho sự phát triển của nền kinh tế. Cùng
với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân là những yêu cầu ngày càng khắt khe của
khách hàng về chất lượng điện năng. Ngành Điện phải thực hiện những kế hoạch
phát triển nguồn và lưới phù hợp với nhu cầu của phụ tải và cải tạo nâng cấp những
khu vực hiện có, đề ra những biện pháp vận hành hợp lý để nâng cao chất lượng
điện năng, tăng công suất truyền dẫn để có thể đáp ứng ngày càng tốt hơn
những đòi hỏi ngày càng cao về sản lượng cũng như chất lượng điện năng đồng
thời tiết kiệm chi phí, giảm tổn thất và nâng cao hiệu quả kinh tế cung cấp và sử
dụng điện. Đó là một nhiệm vụ hết sức khó khăn, trong đó việc nâng cao chất
lượng điện năng ở lưới điện phân phối có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện
năng và chỉ tiêu kinh tế chung của toàn hệ thống.
Với lưới điện phân phối việc đáp ứng những yêu cầu về chất lượng điện
năng gặp không ít khó khăn. Sự phát triển mạnh mẽ của phụ tải điện ảnh hưởng
đến chất lượng điện năng trong lưới đ iện phân phối biểu hiện dễ nhận thấy là chất
lượng điện áp.
Với đề tài “Đánh giá độ tin cậy của lưới điện phân phối và đề xuất một số giải
pháp nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối - áp dụng cho lưới điện huyện Xuân
Trường tỉnh Nam Định” tác giả mong muốn đóng góp một phần nhỏ những tìm

tòi, nghiên cứu của mình vào việc đảm bảo chỉ tiêu chất lượng điện áp trong
lưới điện phân phối có nhiều cấp điện áp nhưng không có hệ thống điều áp dưới
tải tại các trạm trung gian.
Phương pháp nghiên cứu dựa vào các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng kết
hợp số liệu thực tế sau đó chạy trên phần mềm để đánh giá chất lượng điện năng lưới điện
Huyện Xuân Trường Tỉnh Nam Định và tính toán bù để nâng cao chất lượng điện áp.
Luận văn bao gồm 5 chương, trong đó tại Chương 1 tác giả giới thiệu tổng quát về
lý thuyết độ tin cậy cung cấp điện. Chương 2 trình bày về lý thuyết độ tin cậy lưới truyền

5


tải và lưới phân phối. Chương 3 Tính toán độ tin cậy lưới điện huyện Xuân Trường tỉnh
Nam Định. Chương 4 trình bày các giải pháp nâng cao độ tin cậy của lưới điện. Chương 5
Áp dụng một số giải pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện huyện Xuân Trường tỉnh
Nam Định
Tác giả chân thành gửi lờicảm ơn tới TS. Đào Quang Thạch và các thầy cô của Bộ
môn Hệ thống điện trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo giúp
tác giả hoàn thành luận văn. Cảm ơn các đồng nghiệp đã giúp đỡ trong công việc để tác giả
có thời gian học tập, thu thập số liệu viết luận văn.
Do thời gian có hạn và kiến thức còn nhiều hạn chế nên luận văn chắc chắn còn
nhiều khiếm khuyết. Tác giả chân thành mong muốn nhận được sự chỉ bảo góp ý của thầy
cô và các đồng nghiệp quan tâm đến nội dung luận văn này.

6


Chương I:
LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

I.1 Khái niệm chung
I.1.1 Hệ thống điện và các phần tử
Hệ thống là tập hợp các phần tử liên lết theo một cấu trúc nhất định nhằm thực hiện
một nhiệm vụ xác định, có sự điều khiển thống nhất trong hoạt động cũng như tiến
tới sự phát triển.
Hệ thống điện gồm các phần tử là máy phát điện, máy biến áp, máy cắt điện, đường
dây tải điện .... Nhiệm vụ của hệ thống điện sản xuất, truyền tải và phân phối điện
năng đến các hộ tiêu thụ. Điện năng phải đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng điện
năng và độ tin cậy hợp lý. Hệ thống điện phải được phát triển tối ưu và vận hành
với hiệu quả kinh tế cao nhất.
Về mặt độ tin cậy, hệ thống điện là hệ thống phức tạp ở các mặt như:
-

Cấu trúc phức tạp như: số lượng phần tử rất lớn; sơ đồ lưới điện phức tạp.

-

Hoạt động phức tạp.

-

Rộng lớn trong không gian và phát triển không ngừng theo thời gian.
Sự phức tạp đó dẫn đến sự phân cấp hệ thống điện để có thể quản lý, vận

hành, điều khiển và phát triển hệ thống một các hiệu quả.
Hệ thống điện là hệ thống phục hồi, các phần tử của hệ thống sau khi hư
hỏng có thể phục hồi rồi trở lại trạng thái làm việc, do đó các trạng thái hư hỏng của
hệ thống điện cũng được phục hồi sau thời gian nhất định.
Đa số các phần tử của hệ thống điện được duy tu bảo dưỡng định kỳ để phục
hồi khả năng làm việc đã bị suy giảm sau một thời gian làm việc.

Phần tử là những bộ phận tạo thành hệ thống mà trong một quá trình nhất
định, được xem như một tổng thể duy nhất không chia cắt được, đặc trưng bới các
thông số tin cậy chung, chỉ phụ thuộc các yếu tố bên ngoài như môi trường chứ
không phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của chúng.
Vì bản thân phần tử cũng có thể có cấu trúc phức tạp, nếu xét riêng nó là một
hệ thống. Ví dụ: Máy cắt điện là một một hệ thống phức tạp gồm nhiều phần tử

7


nhưng trong bài toán độ tin cậy của hệ thống điện nó chỉ là một phần tử với các
thông số như số lần hư hỏng, thời gian phục hồi không đổi.
Đa số các phần tử trong hệ thống điện là phần tử phục hồi trạng thái làm việc
ban đầu.
I.1.2 Độ tin cậy và các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của HTĐ
Định nghĩa về độ tin cậy:
"Độ tin cậy là xác suất để hệ thống (hoặc phần tử) hoàn thành nhiệm vụ yêu
cầu trong khoảng thời gian nhất định và trong điều kiện vận hành nhất định" (Trích
trang 149- Lưới điện và hệ thống điện – PGS.TS Trần Bách).
Như vậy độ tin cậy luôn gắn với việc hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể, trong
một thời gian nhất định và trong một hoàn cảnh nhất định.
Mức đo độ tin cậy là xác suất hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời gian
xác định và xác suất này được gọi là độ tin cậy của hệ thống điện hay phần tử.
Đối với hệ thống hay phần tử không phục hồi xác suất là đại lượng thống kê,
do đó độ tin cậy là khái niệm có tính thống kê từ kinh nghiệm làm việc trong quá
khứ của hệ thống điện hay phần tử.
Đối với hệ thống này phần tử phục hồi như hệ thống điện và các phần tử của
nó, khái niệm khoảng thời gian không có ý nghĩa bắt buộc, vì hệ thống làm việc liên
tục. Do đó độ tin cậy được đo bởi đại lượng thích hợp hơn, đó là độ sẵn sàng làm
việc của hệ thống điện.

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 tỷ 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, nó là xác suất để hệ thống
hoặc phần tử ở trạng thái hư hỏng.

8


Đối với hệ thống điện độ sẵn sàng (cũng được gọi là 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 các chỉ tiêu khác cũng có tính xác suất sau:
Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của hệ thống điện bao gồm:
- Xác suất thiếu điện cho phụ tải, đó là xác suất công suất phụ tải lớn hơn
công suất nguồn điện.
- Xác suất thiếu điện trong thời gian phụ tải cực đại.
- Điện năng thiếu (hay điện năng mất) cho phụ tải đó là kỳ vọng điện năng
phụ tải bị cắt do hư hỏng hệ thống điện trong một năm.
- Thiệt hại về kinh tế tính bằng tiền do mất điện.
- Thời gian mất điện trung bình của một phụ tải trong một năm.
- Số lần mất điện trung bình của một phụ tải trong một năm.
I.1.3 Trạng thái hư hỏng của hệ thống điện
I.1.3.1 Trạng thái của các phần tử.
Các phần tử của hệ thống điện có thể ở các trạng thái khác nhau phụ thuộc
vào chức năng và tình trạng kỹ thuật của chúng. Mỗi trang thái kéo dài trong những
khoảng thời gian nhất định.
Đặc trưng của trạng thái là thơì gian trạng thái, xác suất trạng thái và tần suất
trạng thái.

Tất cả các trạng thái có thể sảy ra của phần tử tạo thành tập đủ các trạng thái
của phân tử.
Việc phần tử ở trạng thái nào trong tập trạng thái là đại lượng ngẫu nhiên
được đo bởi xác suất phần tử ở trạng thái đó hay gọi tắt là xác suất trạng thái.
Tổng xác suất trạng thái của một tập đủ các trạng thái bằng 1.
Ví dụ máy biến áp có 2 trạng thái : Trạng thái tốt hay trạng thái làm việc và
trạng thái hư hỏng hay nghỉ làm việc.
Máy phát bình thường có 3 thạng thái :
-Trạng thái tốt. Trạng thái hỏng một phần. Trạng thái hỏng toàn phần.
Phần tử bao giờ cũng ở một trong những trạng thái của tập đủ các trạng thái.
Các trạng thái có xác suất nhỏ có thể bỏ qua trong các bài toán khác nhau.
9


Xác suất trạng thái tốt của phần tử chính là độ sẵn sàng, còn xác suất trạng
thái hỏng của phần tử chính là độ chưa sẵn sàng của phần tử.
I.1.3.2 Trạng thái của hệ thống điện
Trạng thái của hệ thống điện là tổng các trạng thái của tất cả các phần tử tạo
thành. Nói cách khác, mỗi trạng thái của hệ thống điện là sự sảy ra đồng thời các
trạng thái nào đó của các phần tử. do đó xác suất trạng thái của hệ thống điện chính
là tích của xác suất trạng thái của các phần tử nếu giả thiết rằng các phần tử của hệ
thống điện độc lập với nhau. Đối với hệ thống điện giả thiết này đúng với hầu hết
các phần tử và do đó được áp dụng trong hầu hết các bài toán độ tin cậy. Các trạng
thái của hệ thống điện được phân chia theo tiêu chuẩn hư hỏng của hệ thống điện,
tiêu chuẩn này được lựa chọn khi nghiên cứu độ tin cậy, phụ thuộc vào mục đích
của bài toán cụ thể. Số trạng thái của hệ thống điện rất lớn, bằng 2

n

( với n là số

phần tử ). Các trạng thái của hệ thống điện củng được đặc trưng bởi:
- Thời gian trung bình của hệ thống ở trạng thái đó, gọi là thời gian trạng thái Ti .
- Tần suất trạng thái fi là số lần hệ thống rơi vào trạng thái đó trong một đơn vị thời
gian.
- Xác suất trạng thái Pi là xác suất hệ thống ở trạng thái i, đó chính là thời gian
tương đối của hệ thống ở trạng thái i.
Các trạng thái của hệ thống được chia làm 2 tập:
- Tập trạng thái hỏng trong đó hệ thống bị hỏng theo tiêu chuẩn đã chọn.
Tổng xác suất của tập đủ các trạng thái của hệ thống điện nP = 1.
Trên hình 1.1 thể hiện mối quan hệ giữa trạng thái hỏng của 2 phần tử chính của hệ
thống điện là máy phát điện và đường dây tải điện (bao gồm cả máy biến áp) với
các trạng thái hư hỏng của hệ thống điện. Sơ đồ hình 1.1 cho các trạng thái của hệ
thống điện tức là các trạng thái không hoàn thành nhiệm vụ gồm:
-

Phụ tải bị mất điện.

-

Hoặc nặng nề hơn khi hệ thống bị sụp đổ mất điện một phần hoặc toàn phần
hệ thống .

Các nguyên nhân trức tiếp khiến phụ tải mất điện gồm:
-

Thiếu công suất phát.
10

-

Nút tải bị cô lập do sự cố đường dây cấp điện trực tiếp.

-

Đường dây bị quá tải hoặc điện áp nút không đạt yêu cầu.

-

Hệ thống điện bị phân rã
Trạng thái hư hỏng của máy phát điện và đường dây tải điện có gây ra các

trạng thái hư hỏng của hệ thống hay không còn tùy thuộc vào cấu trúc hệ thống
điện, độ dư thừa công suất phát độ dư thưa khả năng tải của lưới điện. Sơ đồ quan
hệ trạng thái này cho thấy cần phải tác động như thế nào để tăng độ tin cậy ung cấp
điện của hệ thống điện.

Hỏng máy phát điện

HT thiếu công

Mất công suất phát

suất phát

Nút nguồn bị cô
lập
Đường dây quá tải hoặc

Hỏng đường dây

Độ dư thừa của

điện áp nút giảm

lưới giảm

Nút tải bị cô lập

Hệ thông phân rã

Phụ tải mất điện

Hệ thống suy sụp

Sự cố lan tràn

Hình 1.1: Mối quan hệ giữa trạng thái hỏng và trạng thái làm việc của hệ thống

11


I.1.3 Tổn thất kinh tế do mất điện
Điện năng là động lực chính thúc đẩy toàn bộ nền kinh tế quốc dân. Việc mất điện
sẽ gây ra các hậu quả về kinh tế và xã hội rất lớn. Trên quan điểm phân loại hậu quả
mất điện, người ta phân phụ tải thành 2 loại :
- Loại phụ tải mà khi mất điện thì gây ra các hậu quả mang tính chính trị, xã hội.
- Loại phụ tải mà khi mất điện gây ra các hậu quả về kinh tế.
Đối với loại phụ tải thứ nhất phụ tải cần được cấp điện với độ tin cậy cao nhất. Còn

đối với loại thứ hai là bài toán kinh tế - kỹ thuật, trên cơ sở cân nhắc giữa vốn đầu
tư vào hệ thống điện và tổn thất kinh tế do mất điện.
Tổn thất kinh tế do mất điện được nhìn nhận từ hai góc độ:
1.Tổn thất kinh tế cho cơ sở sản xuất kinh doanh cụ thể. Đó là tổn thất kinh
tế mà các cơ sở này phải chịu khi mất điện đột ngột hay theo kế hoạch.
Khi mất điện đột ngột, các sản phẩm bị hư hỏng, sản xuất bị ngừng trệ gây ra
tổn thất kinh tế. Tổn thất này phụ thuộc vào số lần mất điện và thời gian mất điện.
Khi mất điện theo kế hoạch tổn thất kinh tế sẽ nhỏ hơn do cơ sơ sản xuất đã được
chuẩn bị trước.
Tổn thất này được tính toán cho từng loại xí nghiệp cụ thể hoặc cơ sở kinh
doanh cụ thể để phục vụ việc thiết kế cấp điện cho các cơ sơ này.
2. Tổn thất kinh tế nhìn từ quan điểm hệ thống. Tổn thất này được tính toán
từ các tổn thất thật ở phụ tải theo quan điểm hệ thống. Nó nhằm phục vụ cho công
tác thiết kế quy hoạch hệ thống điện sao cho thoả mãn nhu cầu độ tin cậy của phụ
tải, đồng thời đảm bảo hiệu quả kinh tế của hệ thống điện .
Tổn thất này được tính cho lưới phân phối, lưới truyền tải và nguồn điện một
tính riêng. Nó cũng được tính cho từng loại phụ tải cho một lần mất điện, cho 1kW
(1kWh) tổn thất và cũng được tính cho độ dài thời gian mất điện.
Sau đây là giá tiền 1kWh điện năng mất :
-

Ở Australia (Power distribution technologies & design standards for Vietnam
Hanoi 1993 ) Tính bằng tiền Australia.

Thứ tự

Loại phụ tải

Ngừng

12

điện

kế Ngừng điện do sự


1

Phụ tải dân dụng
Phụ tải doang nghiệp

2

bình thường
Phụ tải doanh nghiệp

3

nhạy cảm

hoạch

cố

0,5

1,5

2,5

7,5

5

15

- Ở Pháp năm 1998 sử dụng giá mất điện như sau: Ở lưới phân phối: 14,5 F/kWh
chung, không phân biệt theo phụ tải; Lưới truyền tải có hai cấp giá là : 7,5 F/kWh
nếu công suất mất nhỏ hơn 8%, 14,5F/kWh nếu công suất mất lớn hơn 8%. ( EDF
Interrnational – Hanoi 1990 ).
- Ở Canada sử dụng bảng giá sau đây cho quy hoạch thiết kế hệ thống điện
Thời

gian Hộ tiêu thụ Công

Thương mại Nông

Dân dụng

mất điện

lớn

nghiệp

nghiệp

1 phút

0.073

0.46

0.129

0.027

0.0004

20 phút

0.111

1.332

1.014

0.155

0.044

1 giờ

0.163

2.990

2.951

2.245

1.143

4 giờ

0.291

8.899

10.922

1.027

2.235

8 giờ

0.060

18.156

28.020

2.134

6.778

Tổn thất về kinh tế do mất điện rất lớn, đồng thời về mặt chính trị xã hội
cũng đòi hỏi độ tin cậy ngày càng cao, vì vậy hệ thống điện ngày càng phải hoàn

thiện về cấu trúc, cải tiến về phương thức vận hành đề không ngừng nâng cao độ tin
cậy cung cấp điện.
Yếu tố độ tin cậy có ảnh hưởng quan trọng đến cấu trúc hệ thống điện:
- Cấu trúc nguồn điện: Độ tin cậy ảnh hưởng đến độ dự trữ công suất, các tổ
máy dự phòng lạnh ...

13


- Cấu trúc lưới: Độ tin cậy ảnh hưởng đến sơ đồ lưới điện như: Mạch vòng
kín, nhều lộ song song, trạm nhiều máy biến áp sơ đồ trạm biến áp và nhà máy điện
phức tạp.
- Cấu trúc hệ thống điều khiển: Thiết bị bảo vệ, thiết bị chống sự cố, hệ
thống thông tin, hệ thống điều khiển tự động, phương thức vận hành.
- Cấu trúc hệ thống quản lý: Hệ thống sẵn sàng can thiệp khi sự cố, dự trữ
thiết bị, phương tiện đi lại, tổ chức bảo dưỡng định kỳ và sửa chữa khắc phục sự cố
...
Để nâng cao độ tin cậy đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, do đó độ tin cậy được nâng
cao bằng mọi giá. Đầu tư vào nâng cao độ tin cậy chỉ có hiệu quả khi mức giảm tổn
thất kinh tế do nâng cao độ tin cậy lớn hơn chi phí để nâng cao độ tin cậy.
Trong hàm mục tiêu của các bài toán xác định cấu trúc nguồn điện cũng như
lưới điện đều có thành phần tổn thất do độ tin cậy được tính theo tổn thất kinh tế đã
nói trên. Tuy nhiên việc tính toán như vậy cũng gặp rất nhiều khó khăn. Do đó
người ta còn có thể tính toán với yếu tố độ tin cậy như là điều kiện biên của bài
toán, tức là dùng chỉ tiêu gián tiếp về độ tin cậy như:
- Xác suất không sảy ra mất điện (độ tin cậy) phải bằng hoặc lớn hơn một giá
trị nào đó.
- Xác suất sảy ra mất điện (độ rủi ro) phải nhỏ hơn giá trị nào đó.
Các chỉ tiêu này được xác định trên cơ sở phân tích kinh tế - kỹ thuật của hệ
thống điện .

I.1.4 Đặc điểm của hệ thống điện về măt độ tin cậy và các biện pháp nâng cao độ
tin cậy cung cấp điện .
Quan điểm độ tin cậy cung cấp điện hệ thống điện có những đặc điểm sau:
1.Có nhiều phần tử, các phần tử thì đa dạng, có nhiều trạng thái làm việc và
có thể phục hồi.
2.Mối liên hệ giữa các phần tử rất phức tạp.
3.Hê thống điện là hệ thống có dự phòng về công suất, năng lượng sơ cấp, số
phần tử và khả năng phục hồi chúng, sơ đồ nối dây.

14


4.Hệ thống điện có khả năng phục hồi do các phần tử của chúng có khả năng
phục hồi.
5.Hệ thống điện có nhiều trạng thái làm việc, mỗi trạng thái tương ứng với
mức độ hoàn thành công việc khác nhau.
6.Hệ thống điện có bảo dưỡng định kỳ, tiểu tu, trung tu và đại tu. Khi phần tử
hết hạn sử dụng sẽ được loại bỏ bằng cách thay phần tử mới, do đó hệ thống điện
luôn ở trạng thái làm việc bình thường với cường độ hư hỏng trung bình là hằng số.
7.Tác động vận hành phức tạp.
Từ các đặc điểm trên ta thấy hệ thống điện là hệ thống rất phức tạp về mặt độ
tin cậy. Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện có thể áp dụng các biện pháp sau:
8.Sử dụng hợp lý các loại dự trữ: Dự trữ năng lượng sơ cấp; dự trữ công suất nguồn,
công suất máy biến áp, khả năng tải của lưới điện về mặt phát nóng, tổn thất điện
áp, về ổn định tĩnh và ổn định động, dự trữ thiết bị thay thế.
9.Hoàn thiện cấu trúc lưới điện để chúng trở nên linh hoạt, có độ dự trữ cao và khả
năng thích ứng nhanh với mọi tình huống trong vận hành. (sử dụng sơ đồ có cấu
trúc linh hoạt và năng động).
1.

Sử dụng các thiết bị bảo vệ, thiết bị điều khiển tự động chống sự cố và điều
chỉnh chế độ ngày càng hoàn thiện.

2.

Sử dụng thiết bị điện có chất lượng cao.

3.

Tổ chức tốt hệ thống quản lý vận hành.

4.

Không ngừng nâng cao trình độ của đội ngũ cán bộ, công nhân làm công
tác kỹ thuật vận hành.

Ngoài ra để giảm bớt tổn thất kinh tế cho mất điện khi sự cố cần thực hiện các biện
pháp sa thải phụ tải hợp lý và tổ chức tốt công tác sa thải phụ tải khi sảy ra thiếu
điện để hạn chế thiệt hại.
I.1.5 Bài toán độ tin cậy và các phương pháp giải.
Bài toán độ tin cậy được phân chia thành các bài toán nhỏ theo cấu trúc độ tin cậy
như hình 1.2.

15


Nguồn

Lưới hệ

Lưới

Lưới phân

điện

thống

truyền tải

phối

Phụ tải

Hệ thống phát

Hệ thống điện

Lưới điện

Hình I.2 Bài toán độ tin cậy và phương pháp giải
Bài toán độ tin cậy của hệ thống điện được chia làm bốn loại :
1. Bài toán về độ tin cậy của hệ thống phát điện, chỉ xét riêng nguồn điện.
2. Bài toán về độ tin cậy của hệ thống điện, xét cả nguồn điện đến nút tải hệ
thống do lưới hệ thống cung cấp.
3. Bài toán về độ tin cậy của lưới truyền tải và lưới phân phối .
4. Bài toán về độ tin cậy của phụ tải .
Theo nội dung bài toán độ tin cậy được chia thành :
1. Bài toán giải tích, nhằm mục đích tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp
điện của hệ thống điện có cấu trúc cho trước.

2. Bài toán tổng hợp, nhằm xác định trực tiếp thông số của một phần tử nào đó
trên cơ sở cho trước yêu cầu độ tin cậy và các phần tử còn lại . Bài toán tổng
hợp trực tiếp rất phức tạp do đó chỉ có thể áp dụng trong những bài toán nhỏ,
hạn chế.
Các bài toán tổng hợp lớn cho nguồn điện và lưới điện vẫn phải dủng
phương pháp tổng hợp gián tiếp, tức là lập nhiều phương án rồi tính chỉ tiêu độ tin
cậy bằng phương pháp giải tích để so sánh, chọn phương án tối ưu.
Mỗi bài toán về độ tin cậy gồm bài toán quy hoạch và vận hành. Mỗi bài
toán lại bao gồm giải tích và tổng hợp.

16


Phân tích độ tin cậy, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố bên trong và bên
ngoài độ tin cậy của hệ thống điện. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ
thống điện đó là:
-

Độ tin cậy của phần tử :
o Cường độ hỏng hóc, thời gian phục hồi.
o Sửa chữa định kỳ.
o Ngừng điện công tác.

-

Cấu trúc của hệ thống: sự ghép nối giữa các phần tử trong sơ đồ trạm, hình
dáng lưới.

-

Khả năng thao tác và đổi nối trong sơ đồ (tự động hoặc bằng tay).

-

Hệ thống tổ chức quản lý vận hành.

-

Tổ chức và bố trí các bộ phận cơ động xử lý sự cố.
o Tổ chức mạng lưới phục hồi sự cố và sửa chữa định kỳ.
o Dự trữ thiết bị sửa chữa.
o Dự trữ công suất hệ thống .
o Cấu trúc và hoạt động của hệ thống điều khiển vận hành. Sách lược
bảo quản định kỳ thiết bị.

-

Ảnh hưởng của môi trường:
o Phụ tải điện
o Yếu tố thời tiết, khí hậu, nhiệt độ, độ ô nhiễm môi trường.

-

Yếu tố con người: Trình độ của nhân viên vận hành, yếu tố kỹ thuật, tự động
hoá vận hành.
Trong bài toán độ tin cậy các yếu tố trên là yếu tố đầu vào còn đầu ra là độ

tin cậy của hệ thống điện .
Tuy nhiên việc tính đến mọi yếu tố rất phức tạp, cho nên cho đến nay vẫn
chưa có phương pháp nào xét được mọi yếu tố ảnh hưởng. Tuỳ từng phương pháp

mà một số yếu tố được bỏ qua hoặc đơn giản hoá. Tuy nhiên các kết quả nói chung
vẫn sử dụng được trong quy hoạch cũng như vận hành hệ thống điện. Các giả thiết

17


cũng khác nhau trong bài toán về độ tin cậy phục vụ quy hoạch hay phục vụ vận
hành.
Bài toán độ tin cậy phục vụ quy hoạch nhằm xác đinh việc đưa thêm thiết bị
mới, thay đổi cấu trúc hệ thống điện trong các năm tiếp theo. Còn bài toán về độ tin
cậy phục vụ vận hành nhằm kiểm nghiệm hoặc lựa chọn sách lược vận hành hệ
thống điện sẵn có.
Hai loại bài toán trên có phần cơ bản giống nhau, tức là mô hình chung của hệ
thống điện .
Các phương pháp phổ biến hiện dùng để giải tích độ tin cậy của hệ thống điện là :
1.

Phương pháp đồ thị - giải tích, sử dụng sơ đồ độ tin cậy, lý thuyết xác suất
các tập hợp, đại số boole và thuyết graph.

2.

Phương pháp không gian trạng thái trong đó sử dụng quá trình ngẫu nhiên
Markov là chính.

3.

Phương pháp cây hỏng hóc xây dựng trên cơ sở lập cây hỏng hóc cho mối
liên quan giữa hỏng hóc phần tử và hỏng hóc hệ thống, áp dụng đại số
boole.

4.

Phương pháp mô phỏng Monte – carlo.
Mỗi phương pháp đều có ưu thế trong từng loại bài toán. Tuy nhiên phương

pháp Monte – Carlo cho phép xét đến nhiều yếu tố ảnh hưởng hơn cả, cho phép xét
đến tác động vận hành đến chỉ tiêu độ tin cậy. Phương pháp này sử dụng chủ yếu
cho giải tích độ tin của cậy hệ thống điện .
Phương pháp không gian trạng thái phối hợp với phương pháp đồ thị giải tích
áp dụng rất có hiệu quả cho bài toán độ tin cậy của lưới điện. Còn phương pháp cây
hỏng hóc thích hợp với bài toán độ tin cậy của nhà máy điện. Trong bài toán về độ
tin cậy của nguồn điện phương pháp chủ yếu được dùng là phương pháp không gian
trạng thái.
I.2 Độ tin cậy của các phần tử
Độ tin cậy của các phần tử có ý nghĩa quyết định độ tin cậy của hệ thống .
Các khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử cũng đúng cho hệ thống. Do đó

18


nghiên cứu kỹ những khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử là điều rất cần
thiết. Sau đây ta xét cụ thể về độ tin cậy của phần tử phục hồi và không phục hồi.
I.2.1 Phần tử không phục hồi.
Phần tử không phục hồi chỉ làm việc đến lần hỏng đầu tiên. Thời gian làm
việc của phần tử từ lúc bắt đầu làm việc cho đến lúc hỏng còn gọi là thời gian phục
vụ T là đại lượng ngẫu nhiên, vì thời điểm hỏng của phần tử ngẫu nhiên không biết
trước.
Ta có hàm phân bố là :
FT(t) = P(T  t)

(1.1)

P(T  t) là xác suất để phần tử làm việc từ thời điểm 0 đến thời điểm t bất kỳ; t
là biến số. Đó cũng là xác suất để phần tử hỏng trước hoặc đúng thời điểm t.
Hàm mật độ là fT(t) :
f T ( t )  t lim 0

1
P(t  T  t  t)
t

(1.2)

fT(t) .t là xác suất để thời gian phục hồi T nằm trong khoảng (t, t+t) với t đủ nhỏ.
Theo lý thuyết xác suất ta có:
t

FT(t)

FT (t )   f T (t ) .dt

R(t)

0

1

(1.3)
f T (t) 

FT(t)

dFT (t )

R(t)

dt

t

Hàm phân bố và hàm mật độ là hai đặc

Hình I.3

trưng cơ bản của mỗi đại lượng ngẫu nhiên. Bậy giờ ta xét các đaik lượng cơ bản
khác đặc trưng cho độ tin cậy của phần tử.
-- Độ tin cậy R(t) theo định nghĩa độ tin cậy thì hàm tin cậy R(t) có dạng:
R(t) = P(T>t)

(1.4)

So sánh 1.1 và 1.4 ta có:
R(t) = 1 - FT(t) R(t)

(1.5)

Hàm tin cậy R(t) có tính chất biến thiên từ 1 đến 0 ( hình I.3)

19

- Cường độ hỏng hóc (t).
Cường độ hỏng hóc được định nghĩa như sau: Với t đủ nhỏ thì (t).t chính là xác
suất phần tử đã phục vụ đến thời điểm t sẽ hỏng trong khoảng t tiếp theo.
Có thể viết:
 (t )  lim 0
t

lim 0

1
t

P (phần tử hỏng trong khoảng (t,t+t)/làm việc tốt đến t) =

1
P (t  T  t   t / T  t )
t

(1.6)

P (t  T  t  t / T  t ) là xác suất có điều kiện của 2 sự kiện:

o Phần tử hỏng trong khoảng (t,t +t) ( sự kiện A).
o Làm việc tốt đến t ( sự kiện B).
Theo công thức về xác suất của sự kiện giao giữa hai sự kiện A vad B ta có:
P(AB) = P(A).P(B/A) = P(B).P(A/B)
Hay:
P( A / B) 

P( A  B)
P( B)

Nếu sự kiện A bao sự kiện B (xảy ra a đương nhiên xảy ra B, nghĩa là muốn làm
việc trong khoảng ( t, t+t) thì đương nhiên phải làm việc đến t) như trường hợp
đang xét ta có:
P(A/B) = 1 và P(AB) = P(A)
Như vậy :
P(t  T  t  t / T  t ) 

P((t  T  t  t )  (T  t )) P(t  T  t  t ) f T (t ). t


(1.7)
P(T  t )
P(T  t )
R(t )

Thay 1.7 vào 1.6 ta có :
 (t ) 

f T (t )
R (t )



f T (t )

(1.8)

1  FT (t )

Công thức 1.8 cho quan hệ giữa các đại lượng: Hàm phân bố, hàm mật độ, độ tin
cậy và cường độ hỏng hóc.
Nếu ta lấy logarit của R(t) rồi đạo hàm theo t, sẽ được:

20


d
R ' (t )  F T (t )  f T (t )
ln( R(t )) 


dt
R(t )
R(t )
R (t )

So với công thức 1.8 ta được:
d
ln( R (t ))
dt

 (t )  

Hay là:
t

  (t ) dt

(1.9)

R (t )  e 0

Công thức 1.9 là công thức cơ bản cho phép tính được độ tin cậy của phần tử
khi biết cường độ hỏng hóc của nó, còn cường độ hỏng hóc thì được xác định nhờ
thống kê quá trình hỏng hóc của phần tử trong quá khứ.
Trong hệ thống điện thường sử dụng điều kiện :
(t) =  = hằng số.
Do đó:
R(t) = e-t ; FT(t) =1- e-t ; fT(t) = .e-t

(1.10)

Luật phân bố này gọi là luật phân bố mũ.
Thời gian làm việc trung bình


TLV





dR (t )
  t. f T (t ) dt   t.
dt   R (t )dt
dt

0
0
0

Với (t) = hàng số, R(t) = e-t do đó:
TLV = 1/.

(1.11)

Công thức 1.11 rất quan trọng, cho quan hệ giữa thời gian làm việc và cường độ
hỏng hóc của phần tử có luật phân bố mũ.
Với phần tử không phục hồi độ tin cậy được mô tả nhờ hoặc là (t) hoặc R(t).
I.2.2 Mô hình cường độ hỏng hóc .
Trong thực tế , với các phần tử không phục hồi, (t) có dạng hình chậu như
hình 1.4a, có thể chia làm ba miền theo các thời kỳ sau:
Thời kỳ I: Thời kỳ phần tử mới bắt đầu làm việc hay sảy ra hỏng hóc do các
khuyết tật khi lắp ráp, (t) giảm dần (thời kỳ chạy roda).

21


Thời kỳ II: Thời kỳ làm việc bình thường của phần tử , (t) = hằng số.
Thời kỳ III. Thời kỳ già cỗi, (t) tăng dần.

(t)

(t)
Thời điểm bảo dưỡng

tb

I

II

III

a)

b)
Hình 1.4

Đối với các phần tử phục hồi như ở hệ thống điện, các phần tử này có các bộ
phận luôn bị già hoá, do đó (t) luôn là hàm tăng, bởi vậy người ta áp dụng biện
pháp bảo dưỡng định kỳ, để phục hồi độ tin cậy của phần tử. Sau khi bảo dưỡng
định kỳ độ tin cậy của phần tử trở lại vị trí ban đầu (hình 1.4b). Bảo dưỡng định kỳ
làm cho cường độ hỏng hóc có giá trị quanh một giá trị trung bình tb .
Khi xét khoảng thời gian dài, với các phần tử phục hồi có thể xem như (t) là
hằng số và bằng tb để tính toán độ tin cậy.
I.2.3 Phần tử phục hồi.
I.2.3.1. Sửa chữa sự cố lý tưởng có thời gian phục hồi  = 0.
Giả thiết rằng sửa chữa xong, thiết bị như mới. Trong thực tế, đây là các
trường hợp phần tử hỏng được thay thế rất nhanh bằng những phần tử mới (ví dụ
như máy biến áp). Phần tử được xem như luôn ở trong trạng thái tốt. Đại lượng đặc
trưng cho hỏng hóc ở trường hợp này là:
Thông số của dòng hỏng hóc (t):
 (t ) t lim 0

1
P (hong trong khoang(t, t  t))
t

22

(1.12)


So với đinh nghĩa (t), ở đây không đòi hỏi phần tử phải làm việc tốt từ đầu
cho đến t, mà chỉ cần ở thời gian nó đang làm việc, khi hỏng hóc nó được phục hồi
tức thời.
Tương tự như (t) đại lượng (t).t là xác suất hỏng hóc xảy ra trong
khoảng (t, t+t).
Dưới đây thiết lập công thức tính (t):
Ta xét trong khoảng thời gian từ (o,t) trong đó phần tử có thể hỏng 1lần, 2
lần, ... đến k lần. Đặt f1(t) là mật độ xác suất của thời gian làm việc đến lần hỏng
đầu tiên:
f1(t) = fT(t)
f2(t) là mật độ xác suất của thời gian làm việc đến lần hỏng thứ 2... và fk là
mật độ xác suất của thời gian làm việc đến lần hỏng thứ k.
Để tính f2(t) ta giả thiết lần hỏng đầu tiên sảy ra ở  < t, như vậy thời gian
làm việc từ lần hỏng thứ nhất đến lần hỏng thứ 2 là t - .
Xác suất để lần hỏng thứ 2 sảy ra trong khoảng (t, t + t) là :
f2(t) .t = f1()..f1(t-)t.

(1.13)

Cho mọi t ta có :
t

f 2 (t )   f1 ( ). f 1 (t   ).d
0

Tương tự ta có:
t

f k (t )   f ( k 1) ( ). f 1 (t   ).d

(1.14)

0

Xác suất chung để phần tử bị hỏng ở khoảng (t, t+t) là tổng các khả năng sảy ra
hỏng hóc :
P(hỏng hóc trong khoảng ( t, t+t) =  fk(t).t
k=1
So công thức trên với công thức (1.12) ta được:


 (t )   f k (t )

(1.15)

k 1

23


Xét trường hợp fT = e-t khi đó thời gian đế lần hỏng thứ k tuân theo quy luật
Poisson:
f k (t )  k

t k 1 t
e
(k  1)!

và:




 (t )   f k (t )  
k 1

k 1

k t k 1
(k  1)!



e t  .e t 
k 1

( t ) k 1
 e t e t  
(k  1)!

(1.16)

Kết luận:
Với luật phân bố mũ, thông số dòng hỏng hóc (t) là hằng số và bằng cường độ

hỏng hóc của phần tử : (t) = .
Vì lý do này mà thông số hỏng hóc và cường độ hỏng hóc được hiểu là một, trừ các
trường hợp riêng khi các thời gian làm việc không tuân theo quy luật mũ thỉ phải
phân biệt.
I.2.3.2. Sửa chữa sự cố thực tế, thời gian phục hồi .
Phần tự chịu một quá trinh ngẫu nhiên 2 trạng thái: Trạng thái làm việc và trạng thái
hỏng hóc ( hình 1.5a)
Nếu khởi đầu phần tử ở trạng thái làm việc, thì sau thời gian làm việc TLV phần tử
bị hỏng và chuyển sang trang thái hư hỏng phải sửa chữa. Sau thời gian sửa chữa
xong , phần tử trở lại trạng thái làm việc.
Ta cũng giả thiết rằng sau khi sửa chữa sự


cố phần tử được phục hồi như mới. Ở đây
cần 2 hàm phân bố xác suất : Hàm phân bố

a)

LV

H


thời gian phần tử ở trạng thái làm việc
FLV(t) và hàm phân bố thới gian phần tử ở
trạng thái hỏng FH(t). Đó là sự khác nhau

Trạng thái

giữa phần tử phục hồi và không phuc hồi.

Để đánh giá về độ tin cậy của phần tử

TLV

TLV

TLV

LV

phục hồi cần có hai đại lượng thay vì một
H

đối với phần tử không phục hồi.

b)
24





Hình 1.5