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

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


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

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.

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.


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



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

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

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


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 .

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


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.

-


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.


(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) 



- 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) 


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


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


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

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

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

Trích đoạn Một số giải pháp kỹ thuật nâng cao độ tin cậy lưới 22kV huyện Xuân Trường. Sử dụng trạm biến áp có thời gian phục hồi nhanh

---