Độ tin cậy của lưới điện trung áp nghiên cứu các biện pháp nâng cao độ tin cậy lưới điện trung áp thành phố hà giang

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM NGỌC THẮNG

ĐỘ TIN CẬY CỦA LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP. NGHIÊN CỨU CÁC
BIỆN PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
THÀNH PHỐ HÀ GIANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

THÁI NGUYÊN – NĂM 2014


2

LỜI MỞ ĐẦU
Điện năng có vai trò rất quan trọng trong công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá
và phát triển kinh tế, xã hội của đất nước. Do đó ngành điện cần phải được quan tâm, phát
triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu về điện năng ngày càng cao của đất nước. Phụ tải điện
ngày càng cao và quan trọng do đó vấn đề phát triển thêm các nhà máy điện hoặc nhà
máy thuỷ điện và hoàn thành lưới điện đang được tiến hành một cách nhanh chóng cấp
thiết, sao cho đáp ứng được sự phát triển không ngừng theo thời gian của phụ tải và ngày
càng đòi hỏi cao về chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện. Đảm bảo cho có
được các phương án dự phòng hợp lý và tối ưu trong chế độ làm việc bình thường cũng
như khi xảy ra sự cố. Để đáp ứng yêu cầu cung cấp điện cho khách hàng về chất lượng
điện năng, mới có thể phát triển kinh tế xã hội trong tương lai ngày càng cao.
Lưới điện phân phối thường có cấp điện áp là 6kV, 10kV, 22kV, 35 kV phân phối
cho các trạm phân phối trung áp, hạ áp và phụ tải trung áp. Các hộ phụ tải nhận điện trực

tiếp thông qua các trạm biến áp phân phối, nên khi xảy ra bất kỳ sự cố nào trong lưới điện
và trạm biến áp phân phối đều ảnh hưởng trực tiếp đến các hộ tiêu thụ. Để nâng cao được
độ tin cậy, tính liên tục cung cấp điện cũng như chất lượng điện năng đảm bảo cho các
phụ tải điện, luận văn tập trung chủ yếu vào nghiên cứu các phương pháp nâng cao độ tin
cậy cung cấp điện của lưới phân phối nhằm phân tích, tính toán độ tin cậy của lưới điện
phân phối, từ kết quả tính toán được đưa ra các biện pháp giảm thiệt hại về kinh tế và thời
gian mất điện đối với hộ phụ tải.
Tên đề tài: Độ tin cậy của lưới điện trung áp. Nghiên cứu các biện pháp nâng
cao độ tin cậy lưới điện trung áp Thành phố Hà Giang.
Mục đích của đề tài: Nêu cơ sở lý thuyết về lưới phân phối, các phương pháp
đánh giá độ tin cậy cung cấp điện, các giải pháp nâng cao độ tin cậy của lưới phân phối và
áp dụng các phương pháp vào lưới điện cụ thể của Thành phố Hà Giang.
Đối tượng nghiên cứu: Các đường dây phân phối cấp điện áp trung áp, sự ảnh
hưởng của các đường dây đến chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện cho các hộ
phụ tải.
Đối tượng nghiên cứu mà đề tài đặt ra là hệ thống cung cấp điện Thành phố Hà
Giang.
Đề tài đi sâu vào khai thác hiệu quả và các biện pháp nâng cao độ tin cậy đánh giá
độ tin cậy lưới điện trung áp Thành phố Hà Giang - Tỉnh Hà Giang.


3

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về độ tin cậy, kết hợp với
khảo sát đánh giá thực trạng của lưới điện phân phối. Trên cơ sở lý thuyết và kết quả khảo
sát thực tế đề ra các giải pháp kỹ thuật để nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối.
Sử dụng phần mềm ngôn ngữ lập trình Visual Basic áp dụng tính toán cho lưới điện
trung áp Thành phố Hà Giang. Công cụ nghiên cứu là máy tính và các phần mềm.
Bố cục luận văn: Luận văn thực hiện bố cục nội dung như sau:
Lời mở đầu

Chương 1. Tổng quan về độ tin cậy của lưới điện phân phối.
Chương 2. Các phương pháp nghiên cứu độ tin cậy của hệ thống điện và các
biện pháp nâng cao độ tin cậy.
Chương 3. Sử dụng phần mềm chương trình tính toán độ tin cậy lưới điện
trung áp
Chương 4. Đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối. Áp dụng tính toán cho
lưới phân phối Thành phố Hà giang.
Chương 5. Kết luận và kiến nghị.
Do điều kiện thực hiện luận văn có hạn, khối lượng công việc lớn nên luận văn
không thể tránh khỏi sai sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy
cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!


4

Chương 1
Tổng quan về độ tin cậy của lưới điện phân phối

1.1. Tổng quan về lưới phân phối.
1.1.1. Định nghĩa và phân loại.
Lưới phân phối điện là một bộ phận của hệ thống điện làm nhiệm vụ phân phối điện
năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện
cho phụ tải.
Nhiệm vụ của lưới phân phối là cấp điện cho phụ tải đảm bảo chất lượng điện năng
và độ tin cậy cung cấp điện trong giới hạn cho phép. Tuy nhiên do điều kiện kinh tế và kỹ
thuật, độ tin cậy của lưới phân phối cao hay thấp phụ thuộc vào yêu cầu của phụ tải và
chất lượng của lưới điện phân phối.
Lưới phân phối gồm lưới phân phối trung áp và lưới phân phối hạ áp. Cấp điện áp
thường dùng trong lưới phân phối trung áp là 6, 10, 15, 22 và 35kV. Cấp điện áp thường

dùng trong lưới phân phối hạ áp là 380/220V hay 220/110V.
Lưới phân phối có tầm quan trọng cũng như có ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu kinh tế,
kỹ thuật của hệ thống điện như:
- Trực tiếp cấp điện và đảm bảo chất lượng điện năng cho phụ tải (chủ yếu là điện


5

áp).
- Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải. Tỷ
lệ điện năng bị mất (điện năng mất/tổng điện năng phân phối) do ngừng điện được thống
kê như sau:
+ Do ngừng điện lưới 110kV trở lên

-4

:

(0,1 - 0,3)x10 .

+ Do sự cố lưới điện trung áp

:

-4

4,5x10 .

-4

+ Do ngừng điện kế hoạch lưới trung áp: 2,5x10 .
+ Do sự cố lưới điện hạ áp
+ Do ngừng điện kế hoạch lưới hạ áp

:

-4

2,0x10 .
-4

: 2,0x10 .

Điện năng bị mất do sự cố và ngừng điện kế hoạch trong lưới phân phối chiếm 98%.
Ngừng điện (sự cố hay kế hoạch) trên lưới phân trung áp có ảnh hưởng rất lớn đến các
hoạt động kinh tế xã hội.


- Chi phí đầu tư xây dựng lưới phân phối chiếm tỷ lệ lớn khoảng 50% của hệ thống
điện (35% cho nguồn điện, 15% cho lưới hệ thống và lưới truyền tải).
- Tổn thất điện năng trong lưới phân phối lớn gấp 2-3 lần lưới truyền tải và chiếm
(65-70)% tổn thất toàn hệ thống.
- Lưới phân phối gần với người sử dụng điện do đó vấn đề an toàn điện cũng rất
quan trọng.
Người ta thường phân loại lưới trung áp theo 3 dạng:
- Theo đối tượng và địa bàn phục vụ:
+ Lưới phân phối thành phố.
+ Lưới phân phối nông thôn.
+ Lưới phân phối xí nghiệp.
- Theo thiết bị dẫn điện:

+ Lưới phân phối trên không.
+ Lưới phân phối cáp ngầm.
- Theo cấu trúc hình dáng:
+ Lưới phân phối hở (hình tia) có phân đoạn, không phân đoạn.
+ Lưới phân phối kín vận hành hở.
+ Hệ thống phân phối điện.
Tóm lại, do tầm quan trọng của lưới điện phân phối nên lưới phân phối được quan
tâm nhiều nhất trong quy hoạch cũng như vận hành. Các tiến bộ khoa học thường được áp
dụng vào việc điều khiển vận hành lưới phân phối trung áp. Sự quan tâm đến lưới phân
phối trung áp còn được thể hiện trong tỷ lệ rất lớn các công trình nghiên cứu khoa học
được công bố trên các tạp chí khoa học.
Để làm cơ sở xây dựng cấu trúc lưới phân phối về mọi mặt cũng như trong quy
hoạch và vận hành lưới phân phối người ta đưa ra các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lưới
phân phối. Chất lượng lưới phân phối được đánh giá trên 3 mặt:
- Sự phục vụ đối với khách hàng.
- Ảnh hưởng tới môi trường.
- Hiệu quả kinh tế đối với cách doanh nghiệp cung cấp điện.



Các tiêu chuẩn đánh giá như sau:
- Chất lượng điện áp.
- Độ tin cậy cung cấp điện.
- Hiệu quả kinh tế (giá thành tải điện nhỏ nhất).
- Độ an toàn (an toàn cho người, thiết bị phân phối, nguy cơ hoả hoạn).
- Ảnh hưởng đến môi trường (cảnh quan, môi sinh, ảnh hưởng đến đường dây thông
tin).
Trong các tiêu chuẩn trên, tiêu chuẩn thứ nhất và thứ hai liên quan trực tiếp đến điện
năng gọi chung là chất lượng phục vụ của lưới điện phân phối.
1.1.2. Phần tử của lưới điện phân phối.

Các phần tử của lưới điện phân phối bao gồm:
- Máy biến áp trung gian và máy biến áp phân phối.
- Thiết bị dẫn điện: Đường dây điện (dây dẫn và phụ kiện).
- Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét van, áp tô mát,
hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch.
- Thiết bị điều chỉnh điện áp: Thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị thay đổi đầu phân áp
ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị lọc sóng hài bậc cao.
- Thiết bị đo lường: Công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản kháng, đồng hồ
đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lường...
- Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù.
- Thiết bị nâng cao độ tin cậy: Thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn dự
trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đường dây, kháng điện
hạn chế ngắn mạch,...
- Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo xa, thiết bị
truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị thực hiện,...
Mỗi phần tử trên lưới điện đều có các thông số đặc trưng (công suất, điện áp định
mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức, khả
năng đóng cắt, ...) được chọn trên cơ sở tính toán kỹ thuật.


Những phần tử có dòng công suất đi qua (máy biến áp, dây dẫn, thiết bị đóng cắt,
máy biến dòng, tụ bù, ...) thì thông số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến thông số chế độ
(điện áp, dòng điện, công suất) nên được dùng để tính toán chế độ làm việc của lưới điện
phân phối.
Nói chung các phần tử chỉ có 2 trạng thái: Làm việc và không làm việc. Một số ít
phần tử có nhiều trạng thái như: Hệ thống điều áp, tụ bù có điều khiển, mỗi trạng thái ứng
với một khả năng làm việc.
Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dưới tải) như: Máy
cắt, áp tô mát, các thiết bị điều chỉnh dưới tải. Một số khác có thể thay đổi khi cắt điện
như: Dao cách ly, đầu phân áp cố định. Máy biến áp và đường dây nhờ các máy cắt có thể

thay đổi trạng thái dưới tải.
Nhờ các thiết bị phân đoạn, đường dây điện được chia thành nhiều phần tử của hệ
thống điện.
Không phải lúc nào các phần tử của lưới phân phối cũng tham gia vận hành, một số
phần tử có thể nghỉ vì lý do sự cố hoặc lý do kỹ thuật, kinh tế khác. Ví dụ tụ bù có thể bị
cắt lúc phụ tải thấp để giữ điện áp, một số phần tử lưới không làm việc để lưới phân phối
vận hành hở theo điều kiện tổn thất công suất nhỏ nhất.
1.1.3. Cấu trúc và sơ đồ của lưới điện phân phối.
Lưới điện phân phối bao gồm:
- Các phần tử tạo thành lưới điện phân phối.
- Sơ đồ lưới điện phân phối.
- Hệ thống điều khiển lưới điện phân phối.
Cấu trúc lưới điện phân phối bao gồm: Cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành.
+ Cấu trúc tổng thể: Bao gồm tất cả các phần tử và sơ đồ lưới đầy đủ. Muốn lưới
điện có độ tin cậy cung cấp điện cao thì cấu trúc tổng thể phải là cấu trúc thừa. Thừa về số
phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về khả năng lập sơ đồ. Ngoài ra trong vận
hành còn phải dự trữ các thiết bị thay thế và vật liệu để sửa chữa.
Trong một chế độ vận hành nhất định chỉ cần một phần của cấu trúc tổng thể là đủ
đáp ứng nhu cầu, ta gọi phần đó là cấu trúc vận hành. Một cấu trúc vận hành gọi là một
trạng thái của lưới điện.


Có cấu trúc vận hành bình thường gồm các phần tử tham gia vận hành và các sơ đồ
vận hành do người vận hành lựa chọn. Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều
kiện kỹ thuật, người ta phải chọn cấu trúc vận hành tối ưu theo điều kiện kinh tế (tổn thất
nhỏ nhất). Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận hành bị hỏng thì cấu trúc vận
hành bị rối loạn, người ta phải nhanh chóng chuyển qua cấu trúc vận hành sự cố bằng
cách thay đổi các trạng thái phần tử cần thiết. Cấu trúc vận hành sự cố có chất lượng vận
hành thấp hơn so với cấu trúc vận hành bình thường. Trong chế độ vận hành sau sự cố có
thể xảy ra mất điện phụ tải. Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng

thao tác thuận lợi.
+ Cấu trúc tĩnh: Trong cấu trúc này lưới điện phân phối không thể thay đổi sơ đồ
vận hành. Ở cấu trúc này khi cần bảo dưỡng hay sự cố thì toàn lưới phân phối hoặc một
phần lưới phân phối phải ngừng điện. Đó là lưới phân phối hình tia không phân đoạn và
hình tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt.
+ Cấu trúc động không hoàn toàn: Trong cấu trúc này lưới điện phân phối có thể
thay đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức là trong khi lưới phân phối cắt điện để thao tác. Đó
là lưới điện phân phối có cấu trúc kín vận hành hở.
+ Cấu trúc động hoàn toàn: Trong cấu trúc này lưới điện phân phối có thể thay đổi
sơ đồ vận hành ngay cả khi đang làm việc, đó là hệ thống phân phối điện.
Cấu trúc động được áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung cấp
điện. Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh tế lưới điện phân phối, trong đó cấu
trúc động không hoàn toàn và cấu trúc động hoàn toàn mức thấp cho phép vận hành kinh
tế lưới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải thay đổi đáng kể. Cấu trúc động ở mức cao cho
phép vận hành lưới điện trong thời gian thực, lưới phân phối trong cấu trúc này phải được
thiết kế sao cho có thể vận hành kín trong thời gian ngắn trong khi thao tác sơ đồ.
- Theo quy hoạch cấu trúc lưới điện phân phối có thể chia thành:
+ Cấu trúc phát triển: Đó là lưới phân phối cấp điện cho phụ tải đang còn tăng
trưởng theo thời gian và trong không gian. Khi thiết kế quy hoạch lưới này sơ đồ của nó
được chọn theo tình huống cụ thể và tính đến sự phát triển trong tương lai.
+ Cấu trúc bão hoà: Đó là lưới phân phối hoặc bộ phận của nó cấp điện cho phụ tải
bão hoà, không tăng thêm theo thời gian và không gian.
Đối với lưới phân phối bão hoà thường có sơ đồ thiết kế chuẩn, mẫu đã được tính
toán tối ưu. Khi lưới phân phối bắt đầu hoạt động, có thể phụ tải của nó chưa bão hoà mà


còn tăng trưởng, nhưng khi thiết kế đã tính cho phụ tải cuối cùng của trạng thái bão hoà.
Lưới phân phối phát triển luôn có các bộ phận bão hoà.
1.1.4. Đặc điểm của lưới điện phân phối miền Bắc.
Mạng lưới điện phân phối hiện nay bao gồm nhiều cấp điện áp: 35kV, 22kV, 10kV,

6kV bao gồm đường dây trên không và cấp ngầm. Trong đó lưới điện 22kV chỉ mới được
xây dựng tại một số tỉnh với khối lượng nhỏ. Mạng lưới điện 35kV, 10kV, 6kV được sử
dụng cả hai dạng: đường dây cáp ngầm, đường dây trên không ( đường dây cáp ngầm chủ
yếu xây dựng trong các thành phố lớn). Cả 3 hệ thống lưới điện 35kV, 10kV, 6kV đều
thuộc loại lưới điện trung tính không nối đất trực tiếp, đa số thiết kế theo mạng hình tia,
liên kết các đường dây còn yếu, độ linh hoạt kém, khi xẩy ra sự cố mất điện kéo dài.
- Mạng lưới điện 35kV hiện có được thiết kế, sử dụng các thiết bị theo tiêu chuẩn
của Liên Xô cũ. Cấp điện áp 35kV vừa làm nhiệm vụ truyền tải điện thông qua các trạm
trung gian 35/6-10kV vừa đóng vai trò phân phối cho các phụ tải qua các trạm 35/0,4kV.
Từ năm 1994, Bộ Năng lượng ra quyết định không xây dựng mới các trạm trung gian
35/6-10kV thì lưới 35kV làm nhiệm vụ phân phối phát triển mạnh ở các tỉnh miền núi:
Nghệ An, Cao Bằng, Lai Châu, Hà Giang....Lưới 35kV phù hợp với các vùng có bán kính
lớn, phụ tải rải rác ( vùng sâu, xa, miền núi...), sử dụng chủ yếu đường dây trên không
loại AC-35 đến AC-150 với đặc điểm là bán kính cấp điện tương đối dài (100 - 120km),
nhiều đường dây 35kV là đường cấp điện độc đạo nên độ tin cậy cung cấp điện không cao.
- Mạng lưới điện 10kV xuất hiện ở miền Bắc sau năm 1954, hiện nay cùng với lưới
35kV. Lưới 10kV phát triển rộng khắp các xã, huyện, thành phố ở miền Bắc, tập trung
chủ yếu ở miền đồng bằng, trung du. Hiện tại, lưới điện 10kV có đường dây phát triển
tương đối dài, dây dẫn chắp vá, dây dẫn chủ yếu sử dụng AC-35, AC-50, AC-70 gây tổn
thất công suất, tổn thất điện áp lớn. Tương lai lưới 10kV sẽ được xoá bỏ, cải tạo sang lưới
22kV.
- Mạng lưới 6kV tồn tại từ thời Pháp thuộc và phát triển trong những thời kỳ đầu của
mạng lưới điện Việt Nam và được sử dụng tại các thành phố lớn như Hà Nội, Hải Phòng,
Nam Định...(cách đây 30- 40 năm). Ngoài ra lưới điện 6kV còn phát triển tương đối mạnh
ở Bắc Giang, Hà Tây cũ, Phú Thọ, Quảng Ninh, Tuyên Quang...chủ yếu tập trung ở các
thị xã, thị trấn. Lưới 6kV hiện nay đã trở nên cũ nát, chắp vá không đủ khả năng truyền
tải công suất tới các hộ tiêu thụ điện, tỷ lệ tổn thất trên lưới cao, mức độ an toàn thấp. Dây
dẫn chủ yếu sử dụng loại AC-35 đến AC-120, có bán kính cấp điện lớn. Lưới 6kV không

phù hợp với sự gia tăng phụ tải, nhất là các thành phố lớn, trong tương lai lưới 6kV sẽ
được xoá bỏ và cải tạo sang lưới 22kV.
- Trạm biến áp phân phối miền Bắc: Trạm biến áp phân phối sử dụng các cấp điện
áp 35-10-6/0,4kV sử dụng các loại máy 3 pha với công suất đặt: 50, 100, 160, 180, 250,
320, 560, 630, 1000kVA....Các tỉnh có lưới điện phát triển sớm ở miền Bắc hầu như đều
sử dụng các máy biến áp ba pha đặt trong trạm xây hoặc sử dụng trạm bệt, có công suất
đặt lớn: 320, 400, 560kVA, các lưới mới xây dựng sử dụng các máy biến áp có công suất
nhỏ 50, 75, 100kVA...sử dụng kết cấu trạm treo trên hai cột bê tông ly tâm. Các trạm biến
áp này có bán kính phụ tải lớn, thường xuyên xẩy ra quá tải, gây sự cố mất điện. Các trạm
biến áp đa số được cấp điện theo mạng hình tia, thiết bị cũ nát, ít được duy tu bảo dưỡng
nên khi xẩy ra sự cố thì thời gian mất điện thường kéo dài.
1.2. Tổng quan về độ tin cậy cung cấp điện.
1.2.1. Các khái niệm 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 [1].
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 luôn gắn với việc hoàn thành nhiệm vụ trong khoảng thời gian
xác định và xác suất này được gọi là độ tin cậy của hệ thống 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 hay phần tử.
Đối với hệ thống hay 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.
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 hỏng.


1.2.2. Độ tin cậy của hệ thống.
Như đã giới thiệu ở phần trên, hệ thống điện là một hệ thống phức tạp, gồm nhiều
phần tử, các phần tử liên kết với nhau theo những sơ đồ phức tạp. Hệ thống điện thường
nằm trên địa bàn rộng của một quốc gia hay vùng lãnh thổ. Khi các phần tử của hệ thống
hư hỏng có thể dẫn đến ngừng cung cấp điện cho từng vùng hoặc toàn hệ thống. Có thể
chia thành 4 nhóm nguyên nhân gây mất điện như sau:
- Do thời tiết: Giông sét, lũ lụt, mưa, bão, lốc xoáy, ...
- Do hư hỏng các phần tử của hệ thống điện.
- Do hoạt động của hệ thống:
+ Do trạng thái của hệ thống: Độ ổn định, tần số, điện áp, quá tải, ...
+ Do nhân viên vận hành hệ thống điện.
- Các nguyên nhân khác: Do động vật, cây cối, phương tiện vận tải, đào đất, hoả
hoạn, phá hoại, ....
Khi xảy ra sự cố hệ thống sẽ gây mất điện trên diện rộng, một số sự cố nguy hiểm và
lan rộng do lụt, bão, khi đó các đơn vị điện lực không đủ người, phương tiện, máy móc,
thiết bị để phục hồi nhanh lưới điện trên một vùng địa lý rộng lớn và phức tạp.
1.2.3. Độ tin cậy của phần tử.
Độ tin cậy của 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 nghiên cứu kỹ những
khái niệm cơ bản về độ tin cậy của phần tử là điều rất cần thiết. Ở đây sẽ xét cụ thể độ tin
cậy của phần tử phục hồi và phần tử không phục hồi.
1.2.3.1. Phần tử không phục hồi.
Phần tử phục hồi chỉ làm việc đến phần 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 T là đại
lượng ngẫu nhiên, vì thời điểm hỏng của phần tử là ngẫu nhiên không biết trước.
Ta có hàm phân bố là FT(t) 1 :
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) 1 :


lim

fT (t )

t

0

1
t

P(t T

t

(1.2)

t)

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

F

T

(t )

0

f T (t) .dt

dF

f T (t )

T

(1.3)

(t )

dt

Hàm phân bố và hàm mật độ là hai đặc trưng cơ bản của mỗi đại lượng ngẫu nhiên.
Bây giờ ta xét các đại 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)
P (T > t) là xác
suất để thời gian phục vụ lớn hơn t, cũng tức là hỏng hóc xảy ra ở sau thời điểm t.
So sánh (1.1) và (1.4) ta có:
R(t) = 1 - FT(t)

(1.5)

Hàm tin cậy R(t) có tính chất biến thiên từ 1 đến 0 (Hình 1.1).

FT(t)
R(t)

1

F(t)
R(t)

0

Hình 1.1

t


- Cường độ hỏng hóc (t).
Cường độ hỏng hóc được định nghĩa như sau: Với t đủ nhỏ thì chính là xác suất để

phần tử đã phục vụ đến thời điểm (t). t sẽ hỏng trong khoảng tiếp theo [3].

f


f (t)
F (t)

(t)

T

(t)

T

R(t)

1

(1.6)

T

Công thức (1.6) cho quan hệ giữa các đại lượng: Hàm phân bố, hàm mật độ, độ tin
cậy và cường độ hỏng hóc.
Nếu lấy logarit của R(t) rồi đạo hàm theo t, sẽ được [1].
(1.7)
( t ) dt
t

R(t) e

0

Công thức (1.7) 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 được xác định nhờ thống kê quá
trình hỏng trong quá khứ của phần tử.
Trong hệ thống điện thường sử dụng điều kiện đầu:
(t) =

= hằng số.

Do đó:
R(t) = e

- t

;

FT(t) = 1 - e

- t

;

fT(t) = .e

- t

(1.8)

Luật phân bố này gọi là luật phân bố mũ.
Thời gian làm việc trung bình [1]:

T

t.

t. fT (t).dt

LV
0

dt
0

Với (t) = hằng số; R(t) = e

T

- t

R(t).dt
0

dt

do đó:

1
LV

dR(t )

(1.9)

Công thức (1.9) cho quan hệ giữa thời gian làm việc và cường độ hỏng hóc của các
phần tử có luật phân bố mũ.
Với phần tử không phục hồi, độ tin cậy được mô tả nhờ hoặc là (t) hoặc là R(t).
Trong thực tế, các phần tử không phục hồi, (t) có dạng hình chậu (Hình 1.2a), có
thể chia làm 3 miền theo các thời kỳ sau:


- Thời kỳ I: Thời kỳ phần tử mới bắt đầu làm việc hay xảy ra hỏng do các khuyết tật
khi lắp ráp, (t) giảm dần (thời kỳ chạy roda).
- Thời kỳ II: Thời kỳ làm việc bình thường của phần tử: (t) là hàng số.
- Thời kỳ III: Thời kỳ già cỗi, (t) tăng dần.


(t)

(t)

I

II

II

tb

t

(a)

Thời điểm
bảo dưỡng

t

(b)

Hình 1.2: Hàm cường độ hỏng hóc (t)
Đối với các phần tử phục hồi như hệ thống điện, các phần tử này có các bộ phận
luôn bị già hóa, do đó (t) luôn là hàm tăng, bởi vậy người ta phải áp dụng biện pháp bảo
dưỡng định kỳ làm cho cường độ hỏng hóc có giá trị quanh một giá trị trung bình
tb(Hình 1.2b),
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.
1.2.3.2. Phần tử phục hồi.
a. Sửa chữa sự cố lý tưởng, có thời gian phục hồi = 0
Trong thực tế, đây là các phần tử hỏng được thay thế rất nhanh bằng phần tử mới (ví
dụ như MBA). Phần tử được xem như luôn ở trong trạng thái tốt. Đại lượng đặc trưng cho
hỏng hóc của loại phần tử này là:
Thông số của dòng hỏng hóc (t) [1]:
()
t

lim

t

0

1 P
t

(hỏng xảy ra trong khoảng (t, t + t)

(1.10)


So với định nghĩa (t), ở đây không đòi hỏi điều kiện phần tử phải làm việc tốt từ
đầu cho đến t, mà chỉ cần thời điểm t nó đang làm việc, điều kiện này luôn đúng vì phần
tử luôn làm việc, khi hỏng nó được phục hồi tức thời.
Tương tự như (t) đại lượng (t). t là xác suất để hỏng hóc xảy ra trong khoảng (t, t
+ t).
Với luật phân bố mũ, thông số dòng hỏng hóc
hỏng hóc của phần tử: (t) = [1].

(t) là hằng số và bằng cường độ

Vì lý do này mà cường độ hỏng hóc và thông số của dòng hỏng hóc thường hiểu là
một, trừ các trường hợp riêng khi thời gian làm việc không tuân theo luật mũ thì phải
phân biệt.
b. Sửa chữa sự cố thực tế, thời gian phục hồi .
Phần tử chịu một quá trình ngẫu nhiên hai trạng thái: Trạng thái làm việc và trạng
thái hỏng (Hình 1.3).
Nếu khởi đầu phần tử ở trạng thái làm việc, thì sau thời gian làm việc TLV, phần tử
phần tử bị hỏng và chuyển sang trạng thái hỏng phải sửa chữa. Sau thời gian sửa chữa

xong , phần tử trở lại trạng thái làm việc.
Trạng thái
LV

LV

µ

TLV

TLV

TLV

H
H

t

a)
b)
Hình 1.3: Mô hình và giản đồ chuyển trạng thái (LV-làm việc, H-hỏng)
Ta cũng giả thiết rằng sau khi sửa chữa sự cố, phần tử được phục hồi như mới. Ở
đây cần hai hàm phân bố xác suất: Hàm phân bố thời gian phần tử ở trạng thái làm việc
FLV(t) và hàm phân bố thời gian phần tử ở trạng thái hỏng FH(t). Đó là sự khác nhau cơ
bản giữa phần tử không phục hồi và phần tử phục hồi (Đối với phần tử không phục hồi
chỉ cần một hàm phân bố thời gian là đủ). Để đánh giá về lượng độ tin cậy của phần tử
phục hồi cần có hai đại lượng. Các đại lượng và chỉ tiêu cần thiết để mô tả hành vi của
phần tử phục hồi gồm:

- Xác suất phần tử ở trạng thái làm việc ở thời điểm t (ở mỗi thời điểm phần tử có
thể ở một trong hai trạng thái: Làm việc hoặc hỏng hóc) gọi là xác suất trạng thái làm việc
PLV(t).
- Xác suất phần tử ở trạng thái hỏng ở thời điểm t là Ph(t).
- Thông số dòng hỏng hóc:


lim

()
t

lim]
t

0

t

1

0

t

hỏng xảy ra trong khoảng (t, t + t) =

1 P
t

P X (t

t)

H

X (t ) L V

Theo lý thuết xác suất: P(A B) = P(A/B)P(B), từ đây ta có:
P(A/B) = P(A B)/P(B)
Áp dụng cho cường độ chuyển trạng thái và thông số dòng hỏng hóc ta được:

q

LV H

(t ). t

t H
P) X (t

P X (t

X (t )
L
LV V

)

Hay:

(t) = qLV-H(t).PLV(t)

).
(
t
P X (t ) L
t
V

( ). t
PtLV (t )

(1.11)

- Thời gian làm việc trung bình là TLV.
- Thời gian hỏng trung bình là .
- Thời gian trung bình một chu kỳ làm việc-hỏng là: TCK = TLV + .
- Hệ số sẵn sàng:
A

T
T

LV
CK

- Hệ số không sẵn sàng:
A 1 A

T
T

LV

LV

T

LV

Giả thiết TLV và đều tuân theo luật phân bố mũ (trong thực tế tuân theo luật
chuẩn, song giả thiết trên giúp ta có thể áp dụng mô hình Markov, hơn nữa theo kinh
nghiệm kết quả tính toán là chấp nhận được), ta có [1]:


- t

(phân bố xác suất của thời gian làm việc).

- t

(phân bố xác suất của thời gian hỏng hóc).

FT(t) = 1 - e
F (t) = 1 - e
Trong đó

1

là cường độ phục hồi, là thời gian hỏng hóc trung bình.

Áp dụng quá trình Markov cho sơ đồ (Hình 1.3), trong đó và chính là cường độ
chuyển trạng thái, sẽ tính được xác suất của trạng thái làm việc PLV(t) và xác suất trạng
thái hỏng PH(t).

P

LV

(t )

e

(

)t


P

H

(t )

e

Q(t )

)t

(

Ở đây và chính là cường độ chuyển trạng thái của phần tử vì mỗi hỏng hóc hoặc
phục hồi làm phần tử chuyển trạng thái.
Thông số dòng hỏng hóc (t) theo (1.11) là:

(t) P

2
LV

e

(t ).

(

)t

Ở chế độ dừng (khi t = ), PLV(t) = PLV trở thành độ sẵn sàng A còn PH(t) = Q(t) = Q
trở thành độ không sẵn sàng A của phần tử.
(1.12a)
TLV

P

Q

A

LV

A

Khi đó:

TLV

.

TLV

1
TLV

(khi TLV >> ,

<< )

(1.12b)

.PLV

(1.13)

TCK = TLV + gọi là chu kỳ xảy ra hỏng hóc, đó là thời gian trung bình giữa hai lần
hỏng kế tiếp. Công thức (1.13) cho mối quan hệ giữa thông số dòng hỏng hóc và cường
độ hỏng hóc của các phần tử thực tế. Tuy nhiên với hệ thống điện, PLV thường có giá trị

xấp xĩ 1, nên có thể coi gần đúng
.


Đối với phần tử phục hồi thường thống kê được:
- Số lần hỏng

trong một đơn vị thời gian, từ đó tính ra:

T

1
LV

- Thời gian sửa chữa sự cố trung bình , từ đó tính ra
1

c. Sửa chữa sự cố thực tế và bảo dưỡng định kỳ.
Bảo dưỡng định kỳ được thực hiện vì nó làm giảm cường độ hỏng hóc, tăng thời
gian làm việc trung bình của phần tử mà chi phí lại ít hơn nhiều so với sửa chữa sự cố.
Nếu giả thiết thời gian bảo dưỡng định kỳ ĐK cũng tuân theo luật mũ thì có thể áp
dụng mô hình trên (Hình 1.4). Trong đó có ba trạng thái:
T: Tốt - là trạng thái làm việc.
ĐK: Trạng thái bảo dưỡng định kỳ.
H: Hỏng và các thông số.
: Cường độ hỏng hóc.
: Cường độ phục hồi.
ĐK:

Cường độ xảy ra bảo dưỡng đinh kỳ.

ĐK:

Cường độ bảo dưỡng định kỳ.

ĐK

ĐK

T

H

µĐK

µ

Hình 1.4: Mối liên hệ giữa các trạng thái của phần tử
Ta thấy khi phần tử đang bảo dưỡng định kỳ thì không thể xảy ra hỏng hóc, còn bảo
dưỡng định kỳ không thể bắt đầu khi phần tử ở trạng thái hỏng.
Nếu giả thiết thêm rằng, thời gian giữa hai lần bảo dưỡng định kỳ TĐK cũng tuân
theo luật mũ, thì có thể tìm được xác suất trạng thái bằng mô hình markov. Giả thiết này
không đúng thực tế, vì bảo dưỡng định kỳ được thực hiện theo kế hoạch tiền định, tuy