Tổng quan nghiên cứu

Độ tin cậy cung cấp điện là thước đo sống còn đối với hiệu quả vận hành của hệ thống năng lượng và sự phát triển kinh tế xã hội. Tại khu vực Quận 2 và Quận 9 thuộc Thành phố Hồ Chí Minh, tốc độ đô thị hóa nhanh chóng cùng sự hình thành của Khu đô thị mới Thủ Thiêm, Khu công nghiệp Cát Lái và Khu Công nghệ cao với các tập đoàn toàn cầu đặt ra yêu cầu khắt khe về tính liên tục của nguồn điện. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện của tác giả Lâm Minh Khánh, thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Hoàng Lĩnh tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM vào tháng 8 năm 2019, tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Tính toán, đánh giá nâng cao độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối trên địa bàn Công ty Điện lực Thủ Thiêm.

Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ hệ thống lưới điện phân phối do Công ty Điện lực Thủ Thiêm quản lý, với khối lượng kỹ thuật gồm 785,970 km đường dây trung thế (trong đó có 482,628 km cáp ngầm và 303,342 km đường dây nổi), 1.717,754 km đường dây hạ thế, cùng hệ thống 7 trạm biến áp trung gian 110kV đến 220kV như trạm Cát Lái (2x63 MVA), trạm An Khánh (1x63 MVA và 1x40 MVA). Mục tiêu cụ thể của công trình là lượng hóa các chỉ số gián đoạn cung cấp điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEEE 1366, ứng dụng công cụ chuyên dụng PSS/ADEPT để mô phỏng lưới điện thực tế và đề xuất các giải pháp kỹ thuật tối ưu. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quyết định trong việc giảm thiểu thời gian mất điện trung bình của hệ thống (SAIDI) từ mức hàng trăm phút/năm xuống mục tiêu kỹ thuật thấp hơn, đồng thời hạn chế tần suất mất điện trung bình (SAIFI), trực tiếp nâng cao năng lực cạnh tranh và đảm bảo an ninh năng lượng đô thị.

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 hiện đại, phân loại thành hai khía cạnh chủ đạo: đáp ứng hệ thống ở trạng thái tĩnh và an ninh hệ thống ở trạng thái động. Về mặt phân tích định lượng, mô hình trạng thái làm việc của phần tử có phục hồi được xác lập qua chu trình làm việc trung bình bao gồm thời gian vận hành an toàn bình quân (MTBF) và thời gian sửa chữa trung bình (MTTR). Khả năng sẵn sàng làm việc của thiết bị được xác định thông qua hệ số sẵn sàng và hệ số ngừng vận hành cưỡng bức (FOR).

Hệ thống chỉ tiêu cốt lõi của luận văn dựa trên tiêu chuẩn quốc tế IEEE 1366 ban hành và chuẩn hóa qua các năm 1998, 2003 và 2012, bao gồm 12 chỉ số đặc trưng: SAIFI (tần suất mất điện trung bình hệ thống), SAIDI (thời gian mất điện trung bình hệ thống), CAIFI, CAIDI, ASAI (chỉ số khả năng sẵn sàng phục vụ trung bình), MAIFI (tần suất mất điện thoáng qua trung bình), ENS và AENS. Đồng thời, nghiên cứu tuân thủ nghiêm ngặt khung pháp lý của Thông tư số 39/2015/TT-BCT ngày 18/11/2015 do Bộ Công Thương ban hành, quy định việc áp dụng bắt buộc 3 chỉ số then chốt là SAIDI, SAIFI và MAIFI trong công tác quản lý và đánh giá lưới điện phân phối tại Việt Nam.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập từ hiện trạng vận hành kỹ thuật và thống kê sự cố năm 2018 tại Công ty Điện lực Thủ Thiêm, nơi có cơ cấu tổ chức 369 cán bộ nhân viên thuộc 9 phòng chuyên môn và 2 đội vận hành. Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm toàn bộ lưới trung thế 22kV cấp điện cho hơn 100.000 khách hàng, phân bố qua các lộ phát tuyến tiêu biểu như tuyến Thủ Thiêm, Bình Trưng (111 trạm, dung lượng 84.850 kVA, bán kính 5,500 km, dung lượng tụ bù 2.400 kVAr), Thạnh Mỹ Lợi (57 trạm, dung lượng 43.083 kVA, bán kính 7,634 km) và Phước Lai (174 trạm, 58.628 kVA).

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích tập trung vào các tuyến phát tuyến mang tải trọng yếu, có chiều dài và cấu trúc hình tia điển hình. Về công cụ phân tích, tác giả lựa chọn phần mềm PSS/ADEPT phiên bản 5.0 của hãng Shaw Power Technologies Inc. Lý do lựa chọn phần mềm này là khả năng mô phỏng không giới hạn số nút trên nền tảng Windows, tích hợp module chuyên dụng DRA (Distribution Reliability Analysis) để tính toán tự động các chỉ số độ tin cậy, kết hợp module tính toán trào lưu công suất (Load Flow) và tính dòng ngắn mạch (All Fault). Toàn bộ quá trình nghiên cứu, xử lý số liệu và mô phỏng được thực hiện tập trung từ tháng 5/2019 đến tháng 8/2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu thực tế và mô phỏng trên phần mềm PSS/ADEPT đã chỉ ra các phát hiện cốt lõi về lưới điện phân phối khu vực nghiên cứu:

Thứ nhất, cơ cấu lưới điện trung thế có tỷ lệ ngầm hóa cao đạt 61,4% (482,628 km cáp ngầm so với tổng số 785,970 km đường dây). Tỷ lệ ngầm hóa vượt trội tại các khu đô thị mới giúp triệt tiêu phần lớn các sự cố do thời tiết và cây cối va quẹt, tuy nhiên thời gian sửa chữa trung bình (MTTR) khi xảy ra sự cố cáp ngầm lại kéo dài từ 3 đến 5 giờ cho mỗi điểm hư hỏng, cao hơn 2 đến 3 lần so với sự cố đường dây nổi.

Thứ hai, kết quả mô phỏng trên mô hình phát tuyến hình tia cơ bản (giả định cường độ sự cố trung bình 0,2 lần/km.năm và thời gian sửa chữa 3 giờ) cho thấy khi chưa có thiết bị phân đoạn, chỉ số SAIFI của hệ thống đạt 3,2 lần/khách hàng.năm và SAIDI lên tới 9,6 giờ/khách hàng.năm, tương ứng hệ số sẵn sàng cung cấp điện ASAI đạt 99,89%. Khi gặp sự cố tại bất kỳ nhánh nào, toàn bộ phụ tải trên tuyến đều bị cô lập.

Thứ ba, khảo sát thuộc tính của các phát tuyến cho thấy sự chênh lệch lớn về bán kính cấp điện và mật độ phụ tải. Tuyến Thạnh Mỹ Lợi có bán kính lên tới 7,634 km với 57 trạm biến thế, tuyến Lâm Viên dài 8,628 km với 99 trạm biến áp, trong khi tuyến An Lợi Đông chỉ dài 3,075 km với 5 trạm biến áp. Bán kính cấp điện càng dài thì xác suất sự cố tích lũy càng tăng, đòi hỏi cấu trúc phân đoạn bảo vệ phải được tính toán nghiêm ngặt.

Thứ tư, thống kê sự cố năm 2018 phản ánh nguyên nhân ngừng cung cấp điện không chỉ xuất phát từ đường dây mà còn chịu ảnh hưởng bởi chất lượng máy biến áp phân phối (với tổng số hơn 1.000 trạm biến áp công cộng và chuyên dùng) và các thao tác đóng cắt của con người trong quá trình cải tạo lưới điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến gián đoạn điện năng tại địa bàn xuất phát từ áp lực thi công hạ tầng đô thị đồng loạt tại Quận 2 gây va chạm cơ giới vào tuyến cáp ngầm, cùng với việc một số lộ đường dây dài chưa được trang bị đầy đủ thiết bị đóng cắt tự động.

Các phát hiện này có thể được biểu diễn trực quan thông qua bảng so sánh chỉ số độ tin cậy giữa các nút phụ tải và biểu đồ phân tích độ nhạy của SAIDI theo từng phương án đặt thiết bị phân đoạn. Khi đưa dữ liệu vào module DRA của PSS/ADEPT, việc thay thế dao cách ly đóng cắt bằng tay bằng các máy cắt tự đóng lại (Recloser) hoặc cầu chì tự rơi (FCO) tại các nhánh rẽ cấp 1 đã thu hẹp đáng kể vùng ảnh hưởng sự cố.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành điện lực đô thị, kết quả của luận văn khẳng định quy luật: việc chuyển đổi từ lưới hình tia hở sang lưới hình tia kín vận hành hở kết hợp thiết bị phân đoạn thông minh có thể giúp giảm từ 25% đến 35% giá trị SAIDI toàn tuyến, đồng thời tối ưu hóa chi phí đầu tư so với chi phí tổn thất do mất điện kỳ vọng gây ra cho các hộ tiêu thụ công nghiệp và thương mại.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán mô phỏng, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trên địa bàn:

  1. Lắp đặt bổ sung và nâng cấp thiết bị phân đoạn thông minh: Thay thế toàn bộ các dao cách ly phân đoạn thủ công trên các trục đường dây chính (như tuyến Thủ Thiêm, Bình Trưng, Thạnh Mỹ Lợi) bằng máy cắt tự đóng lại (Recloser) và cầu dao phụ tải (LBS) có tích hợp chức năng đo lường, giám sát từ xa. Mục tiêu là giảm chỉ số SAIFI xuống dưới 2,0 lần/khách hàng.năm và rút ngắn thời gian khoanh vùng sự cố dưới 5 phút. Lộ trình triển khai thực hiện trong giai đoạn 2020 – 2022 do Phòng Kỹ thuật và Đội Quản lý lưới điện Công ty Điện lực Thủ Thiêm chủ trì.

  2. Triển khai ứng dụng hệ thống tự động hóa lưới điện phân phối (DAS): Tích hợp hệ thống SCADA hiện hữu với các thiết bị đầu cuối thông minh (RTU/FRTU) và hệ thống quản lý sự cố (OMS). Giải pháp cho phép tự động phát hiện vị trí sự cố, tự động cô lập phân đoạn lỗi và chuyển tải khôi phục cấp điện cho các phân đoạn không bị sự cố trong thời gian dưới 3 phút. Mục tiêu giảm chỉ số MAIFI xuống dưới 1,5 lần/khách hàng.năm và giảm 30% giá trị SAIDI. Lộ trình thực hiện từ năm 2020 đến 2023, do Ban Kỹ thuật Tổng Công ty Điện lực TP.HCM phối hợp cùng Công ty Điện lực Thủ Thiêm vận hành.

  3. Tối ưu hóa cấu hình lưới điện và vị trí điểm dừng (TOPO) kết hợp bù công suất phản kháng (CAPO): Ứng dụng thuật toán tối ưu hóa điểm mở của mạng vòng kín vận hành hở và tối ưu hóa vị trí tụ bù trên phần mềm PSS/ADEPT nhằm cân bằng tải giữa các trạm biến áp 110/22kV (như An Khánh, Thảo Điền, Cát Lái). Giải pháp đặt mục tiêu giảm tổn thất điện năng kỹ thuật xuống dưới 3,5% và hạn chế quá tải cục bộ khi chuyển phương thức vận hành. Thời gian thực hiện định kỳ hàng năm do Phòng Kế hoạch Kỹ thuật đảm nhiệm.

  4. Tăng cường công tác kiểm tra, chẩn đoán cách điện và bảo trì phòng ngừa định kỳ: Sử dụng các thiết bị đo phóng điện cục bộ (PD), camera ảnh nhiệt hồng ngoại để kiểm tra định kỳ 597 trạm biến áp phân phối 3 pha 22kV và toàn bộ 482,628 km cáp ngầm. Mục tiêu giảm tỷ lệ sự cố máy biến áp và đầu cáp ngầm xuống dưới 0,02 sự cố/km.năm. Lộ trình duy trì liên tục hàng quý do Đội Quản lý Vận hành và Thí nghiệm thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

  1. Kỹ sư quy hoạch và thiết kế hệ thống điện: Cung cấp phương pháp luận và kỹ năng ứng dụng phần mềm PSS/ADEPT trong việc tính toán phân bố công suất, dòng ngắn mạch và phân tích độ tin cậy lưới điện thực tế theo tiêu chuẩn IEEE 1366.
  2. Cán bộ quản lý kỹ thuật và điều độ tại các Công ty Điện lực đô thị: Nắm bắt giải pháp cải thiện các chỉ số SAIDI, SAIFI, MAIFI và quy trình triển khai hệ thống tự động hóa lưới phân phối (DAS) nhằm đáp ứng các chỉ tiêu khắt khe của Tập đoàn Điện lực Việt Nam và Bộ Công Thương.
  3. Giảng viên, học viên sau đại học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện: Nguồn tài liệu tham khảo chuẩn mực với đầy đủ cơ sở toán học về lý thuyết độ tin cậy, dữ liệu vận hành thực tế tại đô thị lớn và mô hình đánh giá lưới điện hình tia phân đoạn.
  4. Các đơn vị tư vấn phát triển hạ tầng khu công nghiệp và đô thị thông minh: Tham khảo mô hình cấp điện an toàn, giải pháp ngầm hóa cáp trung thế và cấu hình trạm biến áp phân phối đạt độ tin cậy cao cho các trung tâm tài chính và công nghệ cao.

Câu hỏi thường gặp

Chỉ số SAIDI và SAIFI có ý nghĩa như thế nào trong đánh giá chất lượng điện năng?
SAIFI đo lường tần suất mất điện trung bình của mỗi khách hàng trong một năm, phản ánh mức độ ổn định của thiết bị và tần suất phát sinh sự cố. Trong khi đó, SAIDI biểu thị tổng thời gian mất điện trung bình tính bằng phút hoặc giờ/khách hàng.năm, phản ánh năng lực ứng phó, cô lập sự cố và khôi phục lưới điện của đơn vị vận hành.

Tại sao phần mềm PSS/ADEPT được ưu tiên lựa chọn để tính toán độ tin cậy lưới điện?
Phần mềm PSS/ADEPT do hãng Shaw Power Technologies phát triển sở hữu giao diện đồ họa trực quan trên Windows, xử lý được số nút không giới hạn và tích hợp sẵn module DRA chuyên sâu. Công cụ này cho phép tính toán đồng thời trào lưu công suất, ngắn mạch và tự động xuất các chỉ số độ tin cậy theo tiêu chuẩn IEEE 1366 sang các định dạng Excel, Access.

Việc ngầm hóa 61,4% đường dây trung thế tại Thủ Thiêm tác động ra sao đến độ tin cậy?
Tỷ lệ ngầm hóa đạt 482,628 km giúp loại bỏ hầu hết các sự cố do giông sét, gió bão và dị vật, từ đó giảm đáng kể chỉ số SAIFI. Tuy nhiên, khi xảy ra sự cố ngầm, việc dò tìm điểm hỏng và đào đường sửa chữa phức tạp khiến thời gian khôi phục cấp điện kéo dài từ 3 đến 5 giờ, tác động trực tiếp làm tăng SAIDI nếu không có mạch vòng dự phòng.

Hệ thống tự động hóa lưới điện phân phối (DAS) giúp cải thiện độ tin cậy bằng cách nào?
Hệ thống DAS sử dụng các thiết bị Recloser và LBS thông minh kết nối SCADA/OMS để tự động nhận diện đoạn đường dây bị sự cố, thực hiện thao tác đóng cắt cô lập vùng lỗi và tự động đóng nguồn mạch vòng cấp điện lại cho các phụ tải bình thường trong thời gian dưới 3 phút, giúp chỉ số SAIDI giảm từ 20% đến 40%.

Khung pháp lý nào tại Việt Nam quy định việc áp dụng các chỉ số độ tin cậy lưới điện?
Thông tư số 39/2015/TT-BCT ngày 18/11/2015 của Bộ Công Thương là văn bản pháp lý quy định hệ thống điện phân phối tại Việt Nam bắt buộc phải theo dõi, tính toán và báo cáo định kỳ 3 chỉ số độ tin cậy cơ bản bao gồm SAIDI, SAIFI và MAIFI theo các chuẩn mực kỹ thuật quốc tế tương đương IEEE 1366.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện hiện trạng độ tin cậy của 785,970 km lưới điện trung thế và 1.717,754 km lưới điện hạ thế thuộc Công ty Điện lực Thủ Thiêm theo tiêu chuẩn IEEE 1366 và Thông tư 39/2015/TT-BCT.
  • Ứng dụng thành công phần mềm chuyên dụng PSS/ADEPT 5.0 để mô phỏng chính xác chế độ vận hành lưới điện phân phối Quận 2, tính toán chi tiết các chỉ số SAIFI, SAIDI, CAIDI và ASAI.
  • Chỉ rõ mối quan hệ giữa tỷ lệ ngầm hóa 61,4%, cấu trúc phát tuyến hình tia và thời gian sửa chữa trung bình đối với mức độ gián đoạn cung cấp điện.
  • Đề xuất hệ sinh thái 4 giải pháp kỹ thuật đồng bộ, nổi bật là lắp đặt thiết bị phân đoạn Recloser thông minh, tối ưu hóa mạch vòng kín vận hành hở và triển khai tự động hóa lưới điện phân phối (DAS).
  • Cung cấp mô hình tính toán có độ chính xác cao, tạo tiền đề để các công ty điện lực đô thị xây dựng phương án giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2020 đến năm 2025, việc mở rộng mô hình tính toán cho toàn bộ lưới điện khu vực Thành phố Thủ Đức và hoàn thiện hệ thống DAS là bước đi tất yếu. Hãy tham khảo và khai thác toàn văn luận văn thạc sĩ của tác giả Lâm Minh Khánh để áp dụng hiệu quả các phương pháp phân tích độ tin cậy vào thực tiễn quản lý và quy hoạch lưới điện phân phối.