Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối trung áp giữ vai trò huyết mạch trong hệ thống năng lượng quốc gia khi trực tiếp cung cấp điện cho người sử dụng cuối cùng. Theo các số liệu thống kê chuyên ngành, thời gian ngừng cấp điện do lưới phân phối trung áp chiếm tỷ lệ cao nhất trong toàn bộ hệ thống điện với mức xấp xỉ 69,0%, tương đương 67,8 phút mỗi năm. Trong khi đó, chi phí đầu tư xây dựng lưới phân phối chiếm tới 50% tổng vốn đầu tư toàn ngành điện, và tổn thất điện năng tại lưới phân phối chiếm từ 65% đến 70% tổng tổn thất của toàn hệ thống. Đối với thành phố Quy Nhơn, một đô thị loại I ven biển thuộc tỉnh Bình Định có tốc độ tăng trưởng nhu cầu phụ tải điện bình quân đạt khoảng 12% mỗi năm, việc đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện là yêu cầu cấp thiết để phục vụ phát triển kinh tế, dịch vụ du lịch và công nghiệp.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện với đề tài "Đánh giá độ tin cậy lưới điện phân phối thành phố Quy Nhơn" do học viên Tô Thanh Tùng thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Lê Tuấn Hộ tại Trường Đại học Quy Nhơn đã giải quyết bài toán định lượng hóa độ tin cậy của mạng điện phân phối khu vực. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng mô hình tính toán, phân tích thực trạng vận hành và xác định các chỉ số gián đoạn cung cấp điện, từ đó đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật tối ưu. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ hệ thống lưới trung áp 22kV thuộc Điện lực Quy Nhơn nhận nguồn từ ba trạm biến áp 110/22kV trọng điểm gồm Quy Nhơn 2 (E20), Quy Nhơn 1 (E21) và Nhơn Hội (ENH) trong giai đoạn từ năm 2015 đến năm 2018 cùng số liệu thực tế 5 tháng đầu năm 2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc giảm thiểu thời gian mất điện, nâng cao chất lượng điện áp và tối ưu hóa chi phí vận hành cho doanh nghiệp điện lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết độ tin cậy hệ thống điện (Power System Reliability) kết hợp với lý thuyết xác suất thống kê và quá trình ngẫu nhiên. Mô hình toán học áp dụng hàm phân bố mũ cho thời gian làm việc không sự cố và phân bố Gamma cho thời gian phục hồi của các phần tử điện lực.

Hệ thống khái niệm và chỉ tiêu trọng tâm bao gồm:

  1. Độ tin cậy và hệ số sẵn sàng: Xác suất để hệ thống hoặc phần tử duy trì khả năng làm việc bình thường trong một khoảng thời gian xác định, được mô tả qua cường độ hỏng hóc và cường độ phục hồi trạng thái.
  2. Tần suất mất điện trung bình của hệ thống SAIFI (System Average Interruption Frequency Index): Đo lường số lần mất điện trung bình của một khách hàng trong chu kỳ một năm.
  3. Thời gian mất điện trung bình của hệ thống SAIDI (System Average Interruption Duration Index): Xác định tổng thời gian gián đoạn cấp điện bình quân tính trên mỗi khách hàng.
  4. Thời gian mất điện trung bình của khách hàng bị gián đoạn CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index) và tần suất mất điện thoáng qua MAIFI.
  5. Chỉ số điện năng không cung cấp ENS (Energy Not Supplied), điện năng thiếu hụt trung bình AENS và hệ số sẵn sàng phục vụ trung bình ASAI.

Khung lý thuyết phân tích trạng thái phần tử phục hồi được thiết lập theo ba chế độ vận hành riêng biệt: trạng thái làm việc tốt, trạng thái bảo dưỡng định kỳ và trạng thái sự cố ngừng vận hành.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật thực tế từ Công ty Điện lực Bình Định và Điện lực Quy Nhơn, bao gồm sơ đồ nguyên lý 11 xuất tuyến trung áp 22kV, thông số kỹ thuật đường dây, dung lượng các trạm biến áp phân phối và nhật ký ghi nhận sự cố giai đoạn 2015-2018 cùng 5 tháng đầu năm 2019.

Phương pháp chọn mẫu là khảo sát toàn diện 100% các xuất tuyến 22kV nhận điện từ trạm 110kV E20 với công suất 2x40 MVA, trạm E21 với công suất 1x25 MVA cộng 1x40 MVA và trạm Nhơn Hội với công suất 1x40 MVA. Toàn bộ các nút phụ tải với tổng số hàng chục nghìn khách hàng sinh hoạt và kinh doanh được đưa vào tập dữ liệu tính toán.

Về phương pháp phân tích, tác giả kết hợp phương pháp đồ thị giải tích và công cụ mô phỏng phần mềm chuyên dụng PSS/ADEPT (Power System Simulator for Distribution Engineering). Lý do lựa chọn phương pháp này là vì PSS/ADEPT cho phép mô phỏng chính xác cấu trúc lưới điện hình tia phức tạp, hỗ trợ thuật toán tính toán tối ưu hóa điểm mở TOPO và phân bố trào lưu công suất theo thời gian thực. Timeline nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt qua ba bước: thu thập số liệu vận hành quá khứ, mô hình hóa sơ đồ lưới trên phần mềm PSS/ADEPT và chạy các kịch bản so sánh đối chứng để đánh giá mức độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, qua thống kê diễn biến chỉ tiêu độ tin cậy giai đoạn 2015-2018 tại Điện lực Quy Nhơn, các chỉ số gián đoạn cấp điện đã ghi nhận sự cải thiện rõ rệt nhưng vẫn tiềm ẩn nhiều áp lực vận hành. Chỉ số SAIFI giảm từ 8,63 lần/khách hàng vào năm 2015 xuống còn 0,41 lần/khách hàng vào năm 2018 (đạt mức giảm 95,2%). Chỉ số SAIDI giảm từ 1680 phút/khách hàng năm 2015 xuống còn 35,73 phút/khách hàng năm 2018 (giảm 97,8%). Chỉ số MAIFI giảm từ 3,09 lần/khách hàng xuống còn 0,16 lần/khách hàng. Tỷ lệ tổn thất điện năng trên toàn lưới phân phối duy trì trong ngưỡng kiểm soát từ 3,0% đến 4,0%.

Thứ hai, số liệu thống kê 28 vụ sự cố trong 5 tháng đầu năm 2019 cho thấy sự cố phần trạm biến áp chiếm tỷ lệ cao nhất với 13 vụ (tương đương 46,4%), sự cố đường dây trung hạ áp chiếm 4 vụ (14,3%) và sự cố do nguyên nhân khách quan hoặc thiết bị khác là 11 vụ (39,3%). Các xuất tuyến có tần suất sự cố cao nhất gồm xuất tuyến 481-E20 với 5 vụ, xuất tuyến 483-E20 với 5 vụ và xuất tuyến 473-E20 với 4 vụ. Điển hình, sự cố hỏng aptomat tổng tại trạm biến áp Mai Xuân Thưởng 2 đã gây mất điện 275 phút cho 268 khách hàng, làm tăng chỉ số SAIDI thêm 1,0815 phút. Sự cố đứt chì pha A nhánh rẽ Biên Cương thuộc xuất tuyến 473 làm gián đoạn cấp điện 51 phút cho 2222 khách hàng, làm chỉ số SAIDI tăng 2,751 phút.

Thứ ba, kết quả mô phỏng trên phần mềm PSS/ADEPT đối với các cấu hình lưới điện đã định lượng rõ rệt sự vượt trội của giải pháp phân đoạn và mạch vòng. Đối với sơ đồ hình tia không phân đoạn, chỉ số SAIFI là 2,20 lần/khách hàng, SAIDI là 6,00 giờ/khách hàng và điện năng không cung cấp ENS lên tới 84,0 kWh. Khi lắp đặt dao cách ly và cầu chì tự rơi FCO trên các nhánh rẽ, chỉ số SAIDI giảm xuống còn 2,58 giờ/khách hàng (giảm 57,0%) và ENS giảm xuống 35,2 kWh. Đặc biệt, khi chuyển sang cấu hình mạch vòng kín vận hành hở có điểm phân đoạn bằng máy cắt, SAIFI giảm chỉ còn 0,77 lần/khách hàng, SAIDI rút ngắn xuống 1,80 giờ/khách hàng và ENS chỉ còn 25,0 kWh (giảm hơn 70,2% tổn thất điện năng gián đoạn so với lưới không phân đoạn).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự cố tập trung nhiều ở trạm biến áp và các nhánh rẽ xuất phát từ điều kiện tự nhiên đặc thù của thành phố biển Quy Nhơn. Môi trường ven biển có độ ẩm cao, hơi muối bốc lên gây nhiễm bẩn bề mặt cách điện sứ, dẫn đến hiện tượng phóng điện cục bộ và ăn mòn nhanh các chi tiết kim loại, ngàm kẹp của cầu chì FCO và dao cách ly. Bên cạnh đó, sự tăng trưởng phụ tải dịch vụ khách sạn, nhà hàng với tốc độ khoảng 12% mỗi năm tạo ra tình trạng mang tải cao vào các khung giờ cao điểm mùa du lịch nắng nóng.

Trong báo cáo kỹ thuật, dữ liệu so sánh có thể được trình bày một cách trực quan qua biểu đồ hình cột thể hiện mức giảm dần của SAIDI và SAIFI từ năm 2015 đến năm 2018. Đồng thời, cấu trúc các dạng sự cố được minh họa hiệu quả bằng biểu đồ tròn phân chia tỷ trọng giữa trạm biến áp, đường dây và yếu tố thời tiết. Bảng ma trận so sánh 5 cấu hình vận hành (từ hình tia đơn giản đến mạch vòng kín vận hành hở) giúp làm nổi bật mối tương quan tỷ lệ nghịch giữa mức độ tự động hóa phân đoạn và lượng điện năng thiếu hụt ENS.

So sánh với các nghiên cứu về hệ thống điện khu vực miền Trung, kết quả nghiên cứu này hoàn toàn tương thích và làm sáng tỏ thêm luận điểm: việc đầu tư thiết bị phân đoạn tự động kết hợp liên kết đa nguồn là phương thức kinh tế nhất để thu hẹp vùng ảnh hưởng khi xảy ra sự cố, rút ngắn thời gian cô lập điểm hỏng hóc từ 4 giờ xuống dưới 0,5 giờ.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm không ngừng củng cố độ tin cậy cung cấp điện cho thành phố Quy Nhơn, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý vận hành mang tính hành động cao:

  1. Tái cấu trúc lưới điện và xây dựng các mạch vòng liên kết cấp điện hai nguồn: Tiến hành hoàn thiện kết nối mạch vòng kiểu kín vận hành hở giữa các xuất tuyến của trạm 110kV E20 với trạm E21 và trạm cắt Phú Tài (như liên kết xuất tuyến 483-E20 qua phân đoạn Đường Sắt, liên kết xuất tuyến 484-E20 qua phân đoạn C112). Mục tiêu là nâng cao hệ số sẵn sàng vận hành ASAI đạt mức trên 0,9998, do Công ty Điện lực Bình Định phối hợp cùng phòng Kỹ thuật điều độ thực hiện định kỳ trong kế hoạch đầu tư lưới điện hàng năm.
  2. Lắp đặt thiết bị phân đoạn tự động thông minh bằng máy cắt Recloser: Bố trí các máy cắt Recloser có tích hợp điều khiển từ xa và dao cắt phụ tải có tải LBFCO tại các điểm phân đoạn nút giao trọng yếu trên trục chính 22kV. Mục tiêu là rút ngắn thời gian cách ly phân đoạn sự cố xuống dưới 15 phút, kéo giảm chỉ số SAIDI của toàn hệ thống xuống dưới 30 phút/năm trong lộ trình từ năm 2020 đến năm 2023 do Điện lực Quy Nhơn trực tiếp triển khai.
  3. Hoàn thiện hệ thống bảo vệ chống sét lan truyền: Thực hiện lắp đặt hệ thống chống sét van phía sau cầu chì tự rơi FCO tại 100% các trạm biến áp phân phối và các vị trí đường dây đi qua địa hình đồi núi, bờ biển trống trải. Giải pháp này giúp giảm thiểu trên 50% số vụ sự cố do giông sét trong mùa mưa bão, hoàn thành lắp đặt đồng loạt trong giai đoạn 2020-2022.
  4. Hiện đại hóa công tác quản lý vận hành và ứng dụng công nghệ sửa chữa nóng (Live-line Working): Đẩy mạnh việc giám sát thời gian thực qua hệ thống Mini-SCADA và triển khai sửa chữa, bảo dưỡng đường dây đang mang điện bằng xe cẩu chuyên dụng cách điện. Giải pháp giúp giảm thiểu tối đa các lần cắt điện kế hoạch, duy trì tỷ lệ tổn thất điện năng ổn định dưới 3,5%, do các đội quản lý vận hành đường dây và trạm biến áp thực hiện liên tục 24/7.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho nhiều nhóm độc giả chuyên ngành:

  1. Kỹ sư quản lý vận hành và điều độ lưới điện phân phối: Tiếp cận phương pháp phân tích thực tế trên 11 xuất tuyến 22kV, sử dụng làm tài liệu hướng dẫn quy trình chuyển đổi phương thức cấp điện tối ưu khi xảy ra sự cố nguồn tại các trạm biến áp 110kV E20 hoặc ENH.
  2. Cán bộ quy hoạch và thiết kế hệ thống điện đô thị: Nắm bắt cơ sở dữ liệu định lượng về chỉ số tin cậy để lựa chọn tọa độ tối ưu khi lắp đặt máy cắt Recloser, dao cách ly và tụ bù, giúp nâng cao hiệu quả kinh tế trên mỗi đồng vốn đầu tư hạ tầng năng lượng.
  3. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện (mã số 8520201): Sử dụng như một công trình mẫu mực về việc ứng dụng đại số Boole, lý thuyết xác suất và phần mềm PSS/ADEPT để giải quyết bài toán phức tạp trong lưới điện phân phối thực tế.
  4. Lãnh đạo và nhà quản lý doanh nghiệp điện lực: Tham khảo khung đánh giá chi phí thiệt hại do ngừng cung cấp điện, từ đó xây dựng các cam kết định lượng về chất lượng dịch vụ cấp điện phục vụ thu hút đầu tư nước ngoài và phát triển đô thị thông minh.

Câu hỏi thường gặp

Độ tin cậy lưới điện phân phối được đo lường bằng những tiêu chuẩn cốt lõi nào?

Độ tin cậy được định lượng qua hệ thống chỉ số quốc tế gồm SAIFI (tần suất mất điện trung bình hệ thống), SAIDI (thời gian mất điện trung bình), CAIDI (thời gian mất điện của khách hàng bị gián đoạn) và ASAI (hệ số sẵn sàng phục vụ). Các chỉ số này phản ánh trực tiếp chất lượng liên tục của dòng điện cung cấp đến phụ tải.

Vì sao lưới điện trung áp chiếm tới 69% thời gian mất điện của toàn hệ thống?

Lưới trung áp có phạm vi trải rộng trên nhiều địa bàn phức tạp, sử dụng nhiều đường dây trên không tiếp xúc trực tiếp với thời tiết và cây cối. Đồng thời, đây là cấp điện áp chuyển tiếp khối lượng thiết bị đóng cắt và biến áp rất lớn, khiến xác suất xuất hiện sự cố cao hơn hệ thống truyền tải.

Việc lắp đặt máy cắt Recloser đem lại lợi ích vượt trội gì so với dao cách ly thông thường?

Máy cắt Recloser có khả năng tự động cắt dòng sự cố lớn và tự động đóng lặp lại để loại trừ sự cố thoáng qua mà không cần nhân công thao tác tại chỗ. Trong mô phỏng tại Quy Nhơn, Recloser giúp giảm SAIFI từ 1,15 lần xuống 0,77 lần/khách hàng và giảm SAIDI xuống chỉ còn 1,80 giờ/năm.

Phần mềm PSS/ADEPT đóng vai trò thế nào trong nghiên cứu độ tin cậy lưới điện?

PSS/ADEPT là công cụ tính toán chuyên dụng cho phép nhập số liệu các xuất tuyến, mô phỏng chế độ xác lập, tính toán dòng ngắn mạch và phân bố các chỉ số tin cậy tại từng nút tải. Phần mềm giúp so sánh chính xác mức độ cắt giảm tổn thất năng lượng ENS giữa các phương án kết dây khác nhau.

Đặc thù khí hậu ven biển Quy Nhơn tác động ra sao đến các phần tử trên lưới điện?

Thành phố Quy Nhơn có môi trường gió biển mang hàm lượng muối khoáng cao kết hợp nhiệt độ mùa khô gay gắt. Hơi muối bám vào chuỗi cách điện polyme và đầu cosse thiết bị gây phóng điện bề mặt, là nguyên nhân dẫn đến 13 vụ sự cố trạm biến áp trong 5 tháng đầu năm 2019.

Kết luận

  • Luận văn đã chuẩn hóa toàn diện phương pháp luận và công thức tính toán các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện theo tiêu chuẩn quốc tế cho lưới điện phân phối đô thị.
  • Đánh giá định lượng thành công thực trạng vận hành lưới điện 22kV thành phố Quy Nhơn giai đoạn 2015-2018, ghi nhận bước tiến lớn khi hạ chỉ số SAIDI từ 1680 phút xuống còn 35,73 phút mỗi năm.
  • Phân tích chi tiết nguyên nhân gốc rễ của 28 vụ sự cố trong 5 tháng đầu năm 2019, chỉ rõ điểm nghẽn tại 13 trạm biến áp và các xuất tuyến trọng điểm 481, 483 trạm E20.
  • Ứng dụng phần mềm PSS/ADEPT chứng minh giải pháp mạch vòng kín vận hành hở giúp cắt giảm trên 70% lượng điện năng không cung cấp ENS so với lưới hình tia không phân đoạn.
  • Đề xuất đồng bộ 4 nhóm giải pháp kỹ thuật bao gồm xây dựng mạch vòng đa nguồn, lắp đặt Recloser tự động, bổ sung chống sét van và ứng dụng công nghệ sửa chữa nóng.

Kế hoạch tiếp theo đòi hỏi đơn vị quản lý lưới điện cần khẩn trương số hóa toàn bộ sơ đồ phân đoạn, tích hợp hệ thống điều khiển tự động DAS trong giai đoạn 2020-2025. Quý độc giả, kỹ sư và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác toàn văn công trình nghiên cứu này để áp dụng hiệu quả vào công tác thiết kế, quy hoạch và tối ưu hóa hệ thống điện phân phối tại các đô thị trên cả nước.