BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM VŨ LONG

PHẠM VŨ LONG

KỸ THUẬT ðIỆN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN
ðÁNH GIÁ ðỘ TIN CẬY HỆ THỐNG ðIỆN VIỆT NAM
SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE-CARLO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ðIỆN

2008 - 2010
Hà Nội – 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM VŨ LONG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN
ðÁNH GIÁ ðỘ TIN CẬY HỆ THỐNG ðIỆN VIỆT NAM
SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE-CARLO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành : HỆ THỐNG ðIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TSKH. TRẦN KỲ PHÚC

Hà Nội – 2011


Luận văn thạc sỹ khoa học

LỜI CAM ðOAN
Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa ñược công bố
trên bất kỳ một tài liệu khoa học nào.

Tác giả thực hiện

Phạm Vũ Long

1


Luận văn thạc sỹ khoa học

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam ñoan

1


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

4

Danh mục các bảng

5

Danh mục các hình vẽ, ñồ thị

6

MỞ ðẦU

8

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ ðÁNH GIÁ ðỘ TIN CẬY HỆ THỐNG
ðIỆN
1.1 Lý thuyết và công cụ tính toán

10

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

15

1.3 ðặt vấn ñề nghiên cứu

17


1.4 Kết luận

18

Chương 2 – NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÁC TIÊU CHÍ ðÁNH GIÁ
ðỘ TIN CẬY ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG ðIỆN VIỆT NAM
2.1 Các tiêu chí tiền ñịnh

19

2.2 Các tiêu chí xác suất

21

2.3 Nghiên cứu lựa chọn các tiêu chí ñánh giá ñộ tin cậy áp dụng cho hệ
thống ñiện Việt Nam

24

2.4 Kết luận

24

Chương 3 – XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CÔNG CỤ TÍNH TOÁN ðỘ
TIN CẬY HỆ THỐNG ðIỆN
3.1 Một số vấn ñề về mô phỏng Monte-Carlo

26

3.2 Mô hình tổ máy


27

3.3 Mô hình phụ tải
3.4 Xây dựng thuật toán ñánh giá ñộ tin cậy hệ thống ñiện sử dụng phương
pháp mô phỏng Monte-Carlo

41

3.5 Kết luận

55

2


Luận văn thạc sỹ khoa học

Chương 4 – KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM CÔNG CỤ TÍNH TOÁN VÀ
MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ðỘ TIN CẬY HỆ THỐNG ðIỆN
VIỆT NAM
4.1 Tính toán theo bộ số liệu của IEEE

56

4.2 Tính toán theo bộ số liệu của A0 cho hệ thống ñiện Việt Nam năm 2010

61

4.3 Một số giải pháp nâng cao ñộ tin cậy hệ thống ñiện Việt Nam


62

4.4 Kết luận

68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

69

TÀI LIỆU THAM KHẢO

71

3


Luận văn thạc sỹ khoa học

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
HTð: Hệ thống ñiện.
PM (Plant Margin): Dự trữ công suất ñặt.
LOLP (Loss of Load Probability): Xác suất thiếu công suất.
LOLE (Loss of Load Expectation): Kỳ vọng thiếu công suất.
EUE (Expected Unserved Energy): Kỳ vọng ñiện năng thiếu hụt.
FOR (Forced Outage Rate): Tỷ lệ ngừng máy bắt buộc.
TTF (Time to Failure): Thời gian làm việc.
MTTF (Mean Time to Failure): Thời gian làm việc trung bình.
TTR (Time to Repair): Thời gian sửa chữa.

MTTR (Mean Time to Repair): Thời gian sửa chữa trung bình.
DPLVC (Daily Peak Load Variation Curve): ðường cong biến ñổi phụ tải ñỉnh
ngày.
LDC (Load duration Curve): ðường cong khoảng thời gian phụ tải.
FOI (Frequency of Interruption): Tần số gián ñoạn cung cấp.
DOI (Duration of Interruption): ðộ dài gián ñoạn.
ENSI (Energy not Supplied per Interruption): ðiện năng không cung cấp ñược trung
bình cho mỗi lần gián ñoạn.
LCI (Load Curtailed per Interruption): Công suất bị cắt trung bình cho mỗi lần gián
ñoạn.
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers): Viện các kỹ sư ñiện và
ñiện tử.
A0: Trung tâm ñiều ñộ hệ thống ñiện quốc gia.
Nð: Nhiệt ñiện; Tð: Thủy ñiện.
EVN (VietNam Electricity): Tập ñoàn ñiện lực Việt Nam.
SCADA/ EMS (Supervisory Control And Data Acquisition/ Energy Management
System): Hệ thống giám sát, ñiều khiển và thu thập dữ liệu/ Hệ thống quản lý năng
lượng.

4


Luận văn thạc sỹ khoa học

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
1. Bảng 4.1: Bảng thông số ñộ tin cậy các nguồn phát

56


2. Bảng 4.2: Bảng phần trăm phụ tải ñỉnh tuần theo phụ tải ñỉnh năm

57

3. Bảng 4.3: Bảng phần trăm phụ tải ñỉnh ngày theo phụ tải ñỉnh tuần

57

4. Bảng 4.4: Bảng phần trăm phụ tải ñỉnh giờ theo phụ tải ñỉnh ngày

58

5


Luận văn thạc sỹ khoa học

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ

Trang
1. Hình 1.1: Sơ ñồ cấu trúc các cấp ñộ nghiên cứu ñộ tin cậy HTð

17

2. Hình 3.1: Mô hình tổ máy phát 2 trạng thái

29

3. Hình 3.2: Qúa trình trình tự “lên”-“xuống” của tổ máy có 2 trang thái


30

4. Hình 3.3: Mô hình tổ máy phát 3 trạng thái

31

5. Hình 3.4: Qúa trình trình tự của tổ máy có 3 trạng thái

31

6. Hình 3.5: Mô phỏng Monte-Carlo mô hình tổ máy không theo thứ tự

32

7. Hình 3.6: Sơ ñồ khối thuật toán mô hình tổ máy không theo thứ tự

32

8. Hình 3.7: Mô phỏng Monte-Carlo mô hình tổ máy theo thứ tự

33

9. Hình 3.8: Sơ ñồ khối thuật toán mô hình tổ máy theo thứ tự

34

10. Hình 3.9: ðường cong phụ tải tích lũy

35


11. Hình 3.10: Phụ tải không theo thứ tự chia thành các mức phụ tải

36

12. Hình 3.11: Mô phỏng Monte-Carlo mô hình phụ tải theo thứ tự ngày

38

13. Hình 3.12: Sơ ñồ khối thuật toán mô hình phụ tải theo thứ tự ngày

38

14. Hình 3.13: Mô phỏng Monte-Carlo mô hình phụ tải theo thứ tự giờ

39

15. Hình 3.14: Sơ ñồ khối thuật toán mô hình phụ tải theo thứ tự giờ

39

16. Hình 3.15: Mô phỏng Monte-Carlo mô hình phụ tải không theo thứ tự

40

17. Hình 3.16: Sơ ñồ khối thuật toán mô hình phụ tải không theo thứ tự

40

18. Hình 3.17: Mô hình HTð tính toán sử dụng trong mô phỏng Monte-Carlo 41

19. Hình 3.18: Mô phỏng Monte-Carlo không trình tự sử dụng mô hình tổ
máy và mô hình phụ tải DPLVC không theo thứ tự thời gian

43

20. Hình 3.19: Sơ ñồ khối thuật toán mô phỏng Monte-Carlo không trình tự
sử dụng mô hình tổ máy và phụ tải DPLVC không theo thứ tự thời gian

45

21. Hình 3.20: Mô phỏng Monte-Carlo không trình tự sử dụng mô hình tổ
máy và mô hình phụ tải LDC không theo thứ tự thời gian

47

22. Hình 3.21: Sơ ñồ khối thuật toán mô phỏng Monte-Carlo không trình tự
sử dụng mô hình tổ máy và phụ tải LDC không theo thứ tự thời gian

6

49


Luận văn thạc sỹ khoa học

23. Hình 3.22: Mô phỏng Monte-Carlo trình tự sử dụng mô hình tổ
máy và mô hình phụ tải cơ sở ngày theo thứ tự thời gian

51


24. Hình 3.23: Sơ ñồ khối thuật toán mô phỏng Monte-Carlo trình tự
sử dụng mô hình tổ máy và phụ tải cơ sở ngày theo thứ tự thời gian

53

25. Hình 3.24: Mô phỏng Monte-Carlo trình tự sử dụng mô hình tổ
máy và mô hình phụ tải cơ sở giờ theo thứ tự thời gian

55

26. Hình 4.1: Biểu ñồ thể hiện mối quan hệ giữa giá trị LOLED và số
lần mô phỏng Ns

59

27. Hình 4.2: Biểu ñồ thể hiện mối quan hệ giữa giá trị LOLEH và số
lần mô phỏng Ns

59

28. Hình 4.3: Biểu ñồ thể hiện mối quan hệ giữa giá trị LOLED và số
lần mô phỏng Ns

60

29. Hình 4.4: Biểu ñồ thể hiện mối quan hệ giữa giá trị LOLEH và số
lần mô phỏng Ns

60


30. Hình 4.5: Biểu ñồ thể hiện mối quan hệ giữa giá trị LOLED và số
lần mô phỏng Ns

61

7


Luận văn thạc sỹ khoa học

MỞ ðẦU

M.1. Lý do chọn ñề tài
Trong những năm gần ñây, việc vận hành hệ thống ñiện Việt Nam gặp rất
nhiều khó khăn do áp lực cung cấp ñiện ngày càng lớn cho sự nghiệp công nghiệp
hóa – hiện ñại hóa ñất nước. ðánh giá nhu cầu ñiện giai ñoạn 2006 – 2009 cho thấy
sản lượng ñiện thương phẩm cung cấp cho các ngành kinh tế và sinh hoạt của nhân
dân không ngừng tăng lên, tốc ñộ tăng trưởng bình quân trong giai ñoạn này là
13,6%/năm. Trong khi ñó tổng công suất ñưa vào vận hành trong 4 năm 2006 –
2009 là 6440 MW, ñạt 66,9% so với 9621 MW trong quyết ñịnh phê duyệt Tổng sơ
ñồ VI của Thủ tướng. Một số dự án về nguồn ñiện lớn như Quảng Ninh (600 MW),
Hải Phòng (600 MW), Cẩm Phả (300 MW), Sơn ðộng (220 MW) vận hành không
ổn ñịnh, chỉ ñóng góp ñược một sản lượng rất ít cho hệ thống. Ngoài ra, còn có các
yếu tố thời tiết không thuận lợi, hạn hán vẫn tiếp tục diễn ra trên cả nước, ñặc biệt là
ở miền Bắc lưu lượng nước về tương ñương năm ít nước, gây thiếu nước ñể phục vụ
phát ñiện.
ðứng trước thách thức nan giải ñó, vấn ñề ñặt ra là phải nghiên cứu các ñặc
ñiểm của hệ thống ñiện Việt Nam ñể ñưa ra các tiêu chí ñánh giá ñộ tin cậy ñồng
thời trên cơ sở các tiêu chí ñó xây dựng một công cụ tính toán trong ñó có xét ñược
nhiều yếu tố bất ñịnh ảnh hưởng ñến các phần tử của hệ thống nhằm mục ñích ñánh

giá ñộ tin cậy của hệ thống ñiện Việt Nam một cách chính xác nhất. ðó cũng chính
là nội dung cơ bản của luận văn tác giả lựa chọn và thực hiện.
M.2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Với hướng nghiên cứu ñã xác ñịnh như trên, luận văn lựa chọn phương pháp
mô phỏng Monte-Carlo, sử dụng phương pháp ñó xây dựng thuật toán cho các mô
hình nguồn và phụ tải, kết hợp chúng ñể hình thành thuật toán ñánh giá ñộ tin cậy
cho hệ thống ñiện.

8


Luận văn thạc sỹ khoa học

M.3. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 4 chương. Lý do chọn ñề tài ñược giới thiệu trong phần Mở
ñầu. Chương 1 nêu lên tổng quan về ñánh giá ñộ tin cậy hệ thống ñiện, lý thuyết và
các công cụ tính toán hiện ñang sử dụng phổ biến trên thế giới, tình hình nghiên cứu
trong và ngoài nước. Cuối chương, luận văn ñặt vấn ñề về phạm vi và phương pháp
nghiên cứu sẽ ñược sử dụng. Chương 2 trình bày các tiêu chí ñánh giá ñộ tin cậy,
trên cơ sở ñó ñề xuất các tiêu chí ñộ tin cậy áp dụng cho hệ thống ñiện Việt Nam.
Chương 3 tập trung phân tích, xây dựng thuật toán cho các mô hình nguồn và phụ
tải, qua ñó xây dựng thuật toán chung về ñánh giá ñộ tin cậy hệ thống ñiện theo
phương pháp mô phỏng Monte-Carlo. Các thử nghiệm về phần mềm ñược xây dựng
trên cơ sở thuật toán ở chương 3 và ñề xuất một số giải pháp nâng cao ñộ tin cậy hệ
thống ñiện từ các góc ñộ quy hoạch, thiết kế và vận hành ñược trình bày trong
chương 4. Phần kết luận nêu tóm lược những kết quả tổng hợp, nghiên cứu của luận
văn.
M.4. Lời cảm ơn
ðể hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực của bản thân tôi xin chân thành cảm ơn
các ñồng nghiệp, bạn bè ñã tạo ñiều kiện giúp ñỡ, quan tâm, chia sẻ, ñộng viên tinh

thần.
Một lời cảm ơn từ tận ñáy lòng dành cho gia ñình và những người thân.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn ñặc biệt ñến TSKH. Trần Kỳ Phúc, người
trực tiếp hướng dẫn và bạn ñồng nghiệp Vũ Toàn Thắng, người trao ñổi, chia sẻ
kiến thức trong quá trình tôi làm luận văn.

9


Luận văn thạc sỹ khoa học

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ðÁNH GIÁ ðỘ TIN CẬY HỆ THỐNG ðIỆN

1.1. Lý thuyết và công cụ tính toán
1.1.1. Lý thuyết
Chức năng của hệ thống ñiện là cung cấp một nguồn ñiện tin cậy cho khách
hàng. ðánh giá ñộ tin cậy hệ thống là ñể xác ñịnh xem hệ thống có ñủ tin cậy hay
không thông qua các chỉ tiêu, tiêu chí ñộ tin cậy. Các cách tiếp cận tiền ñịnh và xác
suất ñược nghiên cứu, ứng dụng ñể tính toán các chỉ tiêu và tiêu chí này.
Cách tiếp cận tiền ñịnh [4]: dựa trên việc kiểm tra xem trong một số lượng
xác ñịnh các tình huống ràng buộc (như tình trạng phụ tải, sự cố một/một số phần
tử) hệ thống ñiện (nguồn, lưới hay cả hai) có ñảm bảo chức năng cung cấp ñiện liên
tục, an toàn và chất lượng hay không.
ðối với nguồn ñiện tiêu chí ñộ tin cậy theo cách tiếp cận tiền ñịnh là: công
suất dự trữ, sự cố tổ máy lớn nhất vào thời gian phụ tải ñỉnh trong năm,… ðối với
lưới truyền tải ñó là: kiểm tra các trường hợp sự cố khác nhau (bảo dưỡng và / hoặc
sự cố một hay một số phần tử của hệ thống) trong các chế ñộ phụ tải khác nhau.
Cách tiếp cận tiền ñịnh có các ưu ñiểm sau:
-


số các trường hợp cần kiểm tra là có giới hạn, thường là không nhiều;

-

có thể phân tích hệ thống chi tiết hơn vì số các trường hợp là giới hạn.

Nhược ñiểm của cách tiếp cận tiền ñịnh là ở chỗ các tình huống ñưa ra phân
tích thường phụ thuộc vào kinh nghiệm của người quy hoạch, nhiều khi không tính
hết các khả năng xảy ra trong quá trình vận hành có thể dẫn ñến sự cố quy mô lớn,
thậm chí tan rã hệ thống.
Cách tiếp cận xác suất [4]: có thể xem là tổng quát hoá của cách tiếp cận
tiền ñịnh, với nghĩa rằng cách tiếp cận xác suất yêu cầu xem xét tối ña các tình
huống. ðó chính là ưu ñiểm cơ bản của cách tiếp cận xác suất. Ví dụ của cách tiếp
cận xác suất là các tiêu chí xác xuất như: công suất thiếu hụt, ñiện năng thiếu hụt,

10


Luận văn thạc sỹ khoa học

… Các tiêu chí này ñược tính toán cho hầu hết các tình huống, sau ñó tính trung
bình trọng số theo xác suất xảy ra của từng tình huống.
Cách tiếp cận xác suất không phải lúc nào cũng hiệu quả, ñặc biệt trong các
trường hợp sau:
-

khi ñộ bất ñịnh liên quan ñến dự báo phụ tải trong tương lai là ñáng kể
(khi ñó nên sử dụng phương pháp kịch bản);


-

khi các phần tử thêm vào hệ thống có quy mô lớn hơn nhiều so với các
phần tử hiện hữu;

-

khi các phần tử hệ thống có ñộ tin cậy cao, tức là khi chỉ tiêu ñộ tin cậy
của chúng rất gần với 1 ñơn vị; ñó là các trường hợp ñường dây ngắn,
lưới ñiện có mật ñộ dày,…

-

khi có các sự cố nhiều phần tử ñồng thời, rất hiếm xảy ra nhưng tổ hợp
của các sự cố ñó có thể dẫn ñến tan rã hệ thống.

Theo cách tiếp cận xác suất, các phương pháp phổ biến hiện dùng ñể ñánh
giá ñộ tin cậy của hệ thống ñiện là:
-

Phương pháp ñồ thị-giải tích;

-

Phương pháp không gian trạng thái;

-

Phương pháp cây hỏng hóc;


-

Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo.

Mỗi phương pháp ñều có ñiểm mạnh và ñiểm yếu riêng, tùy từng trường hợp
bài toán mà sử dụng cho phù hợp. Dưới ñây sẽ xem xét nội dung các phương pháp
này:
a. Phương pháp ñồ thị-giải tích
a1. Nội dung phương pháp:
Phương pháp này bao gồm việc lập sơ ñồ ñộ tin cậy, áp dụng phương pháp
giải tích bằng ñại số Boole và lý thuyết xác suất các tập hợp ñể tính toán ñộ tin cậy.
Sơ ñồ ñộ tin cậy của hệ thống xây dựng trên cơ sở phân tích ảnh hưởng của
hỏng hóc phần tử ñến hỏng hóc hệ thống [1].
a2. Ưu, nhược ñiểm của phương pháp:

11


Luận văn thạc sỹ khoa học

Phương pháp có ưu ñiểm là: thích hợp ñối với các hệ thống ñiện có cấu trúc
ñơn giản và ñặc biệt hiệu quả trong việc phân tích ñánh giá ñộ tin cậy của hệ thống
không phục hồi [3].
Nhược ñiểm của phương pháp là: ñối với các hệ thống ñiện có cấu trúc phức
tạp, việc xây dựng sơ ñồ ñộ tin cậy, tính toán ñẳng trị các phần tử hệ thống thành
các phần tử tương ñương gặp nhiều khó khăn. Hơn nữa, sơ ñồ ñộ tin cậy chỉ lập
ñược với giả thiết phần tử chỉ có hai trạng thái là hỏng và tốt, do ñó ñánh giá ñộ tin
cậy hệ thống cũng chỉ có hai trạng thái là hỏng và tốt.
b. Phương pháp không gian trạng thái
b1. Nội dung phương pháp:

Trong phương pháp này hệ thống ñược diễn tả bởi các trạng thái hoạt ñộng
và khả năng chuyển giữa các trạng thái ñó.
Trạng thái hệ thống ñược xác ñịnh bởi tổ hợp các trạng thái của các phần tử.
Mỗi tổ hợp trạng thái của phần tử cho một trạng thái của hệ thống. Phần tử có thể có
nhiều trạng thái khác nhau như: trạng thái tốt, trạng thái hỏng, trạng thái bảo dưỡng
ñịnh kỳ… Do ñó mỗi sự thay ñổi trạng thái của phần tử ñều làm cho hệ thống
chuyển sang một trạng thái mới.
Tất cả các trạng thái có thể của hệ thống tạo thành không gian trạng thái. Hệ
thống luôn ở một trong các trạng thái này.
Với giả thiết thời gian làm việc và thời gian phục hồi của các phần tử tuân
theo luật phân bố mũ, thì thời gian hệ thống ở các trạng thái và cường ñộ chuyển
trạng thái không phụ thuộc thời gian cũng sẽ tuân theo luật phân bố mũ, có thể áp
dụng phương pháp quá trình Markov ñồng nhất một cách hiệu quả ñể tính các chỉ
tiêu ñộ tin cậy của hệ thống [1].
b2. Ưu, nhược ñiểm của phương pháp:
Ưu thế của phương pháp là có thể xét các phần tử có nhiều trạng thái khác
nhau, tính ñược xác suất và tần suất trạng thái.
Phương pháp có nhược ñiểm là:
-

tính toán phức tạp;

12


Luận văn thạc sỹ khoa học

-

trong hầu hết các bài toán ñánh giá ñộ tin cậy, phương pháp phải giả

thiết thời gian làm việc và thời gian phục hồi của các phần tử tuân
theo luật phân bố mũ ñể có thể áp dụng quá trình Markov;

-

thường chỉ thích hợp cho các hệ thống ñiện nhỏ và vừa [3].

Phương pháp không gian trạng thái phối hợp với phương pháp ñồ thị-giải
tích áp dụng có hiệu quả cho các bài toán ñộ tin cậy lưới ñiện. Riêng các bài toán về
ñộ tin cậy của công suất nguồn ñiện, phương pháp chủ yếu là phương pháp không
gian trạng thái [1].
c. Phương pháp cây hỏng hóc
c1. Nội dung phương pháp:
Cây hỏng hóc mô tả bằng ñồ thị quan hệ nhân quả giữa các dạng hỏng hóc
trong hệ thống, giữa hỏng hóc hệ thống và các hỏng hóc thành phần trên cơ sở hàm
ñại số Boole. Cơ sở cuối cùng ñể tính toán là các hỏng hóc cơ bản của các phần tử.
Hỏng hóc cơ bản là nguyên nhân của các hỏng hóc cao hơn gọi là các hỏng
hóc trung gian. Các hỏng hóc này là nguyên nhân của hỏng hóc ñỉnh tức hỏng hóc
hệ thống mà ta quan tâm.
Cây hỏng hóc cho phép ñánh giá hệ thống về chất lượng cũng như về số
lượng trên quan ñiểm ñộ tin cậy. Về mặt chất lượng, cây hỏng hóc cho hình ảnh rõ
ràng về nguyên nhân, cách thức xảy ra hỏng hóc và các hành vi của hệ thống [1].
c2. Ưu, nhược ñiểm của phương pháp:
Phương pháp có ưu ñiểm là: hiệu quả ñể nghiên cứu ñộ tin cậy của các hệ
thống phức tạp. Qúa trình thành lập cây hỏng hóc cho thấy những hỏng hóc và các
ñiểm yếu nhất của hệ thống. Cây hỏng hóc cũng giúp phát hiện ra các sự kết hợp
hỏng hóc mà có thể không nhận ra như là nguyên nhân của hỏng hóc hệ thống [1].
Nhược ñiểm của phương pháp:
-


việc thành lập cây hỏng hóc ñòi hỏi nhiều thời gian phân tích, xem
xét cẩn thận cấu tạo, chức năng hoạt ñộng của từng phần tử hệ thống
và ảnh hưởng của chúng ñến hỏng hóc hệ thống;

13


Luận văn thạc sỹ khoa học

-

tương tự như phương pháp ñồ thị giải tích, phương pháp cây hỏng
hóc giả thiết phần tử chỉ có hai trạng thái là hỏng và tốt, do ñó ñánh
giá ñộ tin cậy hệ thống cũng chỉ có hai trạng thái là hỏng và tốt.

Phương pháp cây hỏng hóc thích hợp với ñộ tin cậy của nhà máy ñiện.
d. Phương pháp Monte-Carlo
d1. Nội dung của phương pháp:
Monte-Carlo là phương pháp mô phỏng hoạt ñộng của các phần tử trong hệ
thống như một quá trình ngẫu nhiên, dùng ñể ñánh giá ñộ tin cậy dựa trên cơ sở tiến
hành hàng loạt các thí nghiệm về ñộ tin cậy của các phần tử trong hệ thống. Trong
mỗi loạt thí nghiệm, ñộ tin cậy của từng phần tử ñược ñánh giá theo trị số ngẫu
nhiên P (hoặc Q) ñặc trưng cho xác suất làm việc (hoặc hỏng hóc) của phần tử. Số
ngẫu nhiên ñược hình thành nhờ một bộ phận phát số ngẫu nhiên có giá trị trong
khoảng [0,1]. Nó tạo ra lịch sử hoạt ñộng (lịch sử ñồ) của phần tử và của hệ thống
một cách nhân tạo trên máy tính ñiện tử, sau ñó sử dụng các phương pháp ñánh giá
thống kê ñể phân tích rút ra các kết luận ñộ tin cậy của phần tử và hệ thống [1].
d2. Ưu, nhược ñiểm của phương pháp:
Ưu ñiểm của phương pháp [1]:
-


dễ sử dụng, có thể áp dụng cho các hệ thống rất phức tạp mà các
phương pháp khác không áp dụng ñược;

-

trong trường hợp các thông số ñộ tin cậy là bất ñịnh, tức là biến thiên
trong một miền nào ñó với hàm phân bố cho trước, thì phương pháp
Monte-Carlo là phương pháp duy nhất không thể thay thế;

-

tính ñược phân bố xác suất của các chỉ tiêu ñộ tin cậy cần tính toán,
trong khi ñó các phương pháp giải tích chỉ tính ñược giá trị trung
bình của chúng;

-

tính ñược ảnh hưởng của các hoạt ñộng vận hành ñến ñộ tin cậy của
hệ thống;

-

tính ñược ảnh hưởng của ñiều kiện thủy văn (chế ñộ nước của các hồ
chứa) ñến ñộ tin cậy.

14


Luận văn thạc sỹ khoa học


Nhược ñiểm của phương pháp là: ñòi hỏi khối lượng tính toán lớn, tuy nhiên
bất lợi này ngày càng ñược khắc phục nhờ khả năng xử lý với tốc ñộ cao của các
máy tính hiện nay.
1.1.2. Công cụ tính toán
Về công cụ tính toán, các phần mềm hiện có phổ biến sử dụng phương pháp
xác suất trong ñánh giá ñộ tin cậy là:
-

TRELSS (Transmission Reliability Evaluation of Large Scale
System) của EPRI;

-

CREAM (Composite Reliability Assessment by Monte-Carlo ) của
EPRI;

-

MARS (Multi-Area Reliability Simulation) của GE;

-

COMREL (COMposite RELiability) của Powertech Lab’s

-

STAREL (STAtion RELiability) của University of Saskatchewan,
Canada


-

MECORE

(Monte-Carlo

Evaluation

of

COmposite

system

Reliability) của University of Saskatchewan.
Một số phần mềm phục vụ quy hoạch hệ thống ñiện như PDPAT,
STRATEGIST cũng có chứa các module tính toán liên quan ñến phân tích ñộ tin
cậy. Tuy nhiên, các module này thường chỉ phục vụ ñánh giá các ràng buộc về ñộ
tin cậy trong bài toán tối ưu hoá nên năng lực của chúng là giới hạn.
Trừ PDPAT và STRATEGIST ñang ñược sử dụng ở Viện Năng lượng, ở
Việt Nam hiện nay chưa có thông tin về việc tiếp nhận và khai thác một trong các
phần mềm nói trên.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trên cơ sở các ñề tài nghiên cứu ñánh giá ñộ tin cậy hệ thống ñiện Việt Nam
ñã công bố, nhiều phương pháp và cách tiếp cận khác nhau ñã ñược các tác giả sử
dụng ñể giải bài toán ñộ tin cậy, cụ thể một vài phương pháp như sau:

15



Luận văn thạc sỹ khoa học

+ Sử dụng mô hình Graph, thuật toán Ford – Fulkerson ñể ñánh giá và xác
ñịnh khả năng tải lớn nhất của hệ thống ứng với mỗi trạng thái xác suất làm việc
của lưới và mức tiêu thụ ñiện năng của phụ tải, từ ñó tính toán ñược kỳ vọng thiếu
hụt ñiện năng trung bình cũng như kỳ vọng thiếu hụt theo thời gian trong ngày của
hệ thống cung cấp ñiện [5];
+ Sử dụng phương pháp không gian trạng thái ñể nghiên cứu, ñánh giá ñộ tin
cậy của nguồn ñiện (thông qua các chỉ số LOLP, kỳ vọng ñiện năng thiếu hụt) [6];
+ Sử dụng phương pháp mô phỏng dãy Monte-Carlo bằng việc sử dụng gần
ñúng các trạng thái chuyển ñổi hệ thống ñể ñánh giá ñộ tin cậy hệ thống ñiện [7].
Các công trình nêu trên về cơ bản chưa ñưa ra ñược các phương pháp tiếp
cận khả thi ñể có thể xây dựng các thuật toán và phần mềm tính toán ñộ tin cậy cho
hệ thống ñiện phức tạp Việt Nam.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước [3]
Như ñã biết, chỉ tiêu dự trữ công suất ñặt là chỉ tiêu ñầu tiên ñược sử dụng ñể
ñánh giá ñộ tin cậy hệ thống ñiện. Sau ñó vào những năm 60 thế kỷ trước, phương
pháp xác suất sử dụng quá trình Markov ñược nghiên cứu ñể phân tích ñánh giá ñộ
tin cậy các hệ thống ñiện phức tạp.
Việc nghiên cứu ñộ tin cậy hệ thống ñiện (các phương pháp và tiêu chí) có
bước tiến lớn vào năm 1965 khi xảy ra sự cố mất ñiện diện rộng trong vài giờ tại
ðông Bắc nước Mỹ và phía ðông Canada.
Trong nhiều năm qua, hầu như mọi khía cạnh của ñộ tin cậy hệ thống ñiện
ñều ñã ñược nghiên cứu kỹ. Ở giai ñoạn ñầu, nước Mỹ vẫn tiếp tục với cách tiếp
cận giải tích còn Châu Âu lại phát triển phương pháp mô phỏng Monte-Carlo ñể
ñánh giá ñộ tin cậy hệ thống. Ngày nay với sự phát triển của công nghệ máy tính,
phương pháp mô phỏng Monte-Carlo ñược kỳ vọng là sẽ nghiên cứu, phát triển và
áp dụng sâu rộng hơn.


16


Luận văn thạc sỹ khoa học

1.3. ðặt vấn ñề nghiên cứu
1.3.1. ðặt vấn ñề
Hệ thống ñiện thường ñược chia thành phần nguồn phát ñiện, phần truyền tải
ñiện và phần phân phối ñiện, gọi là 3 vùng chức năng của HTð. Vì vậy, xem xét
cấu trúc phân loại các cấp ñộ nghiên cứu ñộ tin cậy như hình 1.1. Theo ñó, có 3
mức nghiên cứu ñộ tin cậy hệ thống ñiện [4]:
-

Mức 1: Nghiên cứu riêng phần phát ñiện;

-

Mức 2: Nghiên cứu phần phát ñiện kết hợp với phần truyền tải (gọi là hệ
thống tổng hợp nguồn-truyền tải);

-

Mức 3: Nghiên cứu kết hợp cả 3 phần: phát ñiện, truyền tải và phân phối.
Mức 1
Phần phát ñiện
Mức 2
Phần truyền tải
Mức 3
Phần phân phối


Hình 1.1: Sơ ñồ cấu trúc các cấp ñộ nghiên cứu ñộ tin cậy hệ thống ñiện
Như vậy, theo cách phân loại ở ñây, luận văn chỉ giới hạn xem xét ở mức 1,
tức nghiên cứu ñánh giá ñộ tin cậy của nguồn ñiện.
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở các phương pháp ñã trình bày tại mục 1.1.1 - Phần 1.1, với ưu
ñiểm nổi bật của phương pháp là cho phép xét ñến nhiều yếu tố bất ñịnh nhất, luận
văn sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo ñể nghiên cứu xây dựng thuật
toán ñánh giá ñộ tin cậy của nguồn công suất hệ thống.

17


Luận văn thạc sỹ khoa học

1.4. Kết luận
ðể ñánh giá ñộ tin cậy hệ thống ñiện có hai cách tiếp cận ñược sử dụng ñó
là: Cách tiếp cận tiền ñịnh và cách tiếp cận xác suất. Trong khi cách tiếp cận tiền
ñịnh dựa trên việc kiểm tra xem trong một số lượng xác ñịnh các tình huống ràng
buộc hệ thống ñiện có ñảm bảo chức năng cung cấp ñiện liên tục, an toàn và chất
lượng hay không thì cách tiếp cận xác suất có thể xem là tổng quát hóa của cách
tiếp cận tiền ñịnh với nghĩa rằng cách tiếp cận xác suất yêu cầu xem xét tối ña các
tình huống. Có bốn phương pháp phổ biến hiện dùng trong cách tiếp cận xác suất ñể
ñánh giá ñộ tin cậy hệ thống ñiện là: phương pháp ñồ thị-giải tích, phương pháp
không gian trạng thái, phương pháp cây hỏng hóc, phương pháp mô phỏng MonteCarlo. Mỗi phương pháp ñều có ñiểm mạnh và ñiểm yếu riêng, tùy từng trường hợp
bài toán mà sử dụng cho phù hợp.
Trên cở sở những ưu ñiểm nổi trội của phương pháp mô phỏng Monte-Carlo
kết hợp với các mức nghiên cứu ñộ tin cậy hệ thống ñiện, luận văn ñề xuất hướng
nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo ñể xây dựng thuật toán
ñánh giá ñộ tin cậy của nguồn ñiện.


18


Luận văn thạc sỹ khoa học

Chương 2
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÁC TIÊU CHÍ ðÁNH GIÁ ðỘ TIN CẬY
ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG ðIỆN VIỆT NAM

2.1. Các tiêu chí tiền ñịnh [1], [4]
Tiêu chí tiền ñịnh ñặc trưng nhất là dự trữ công suất ñặt, dự trữ công suất
tự do và dự trữ công suất vận hành.
Dự trữ công suất ñặt (Plant margin - PM) là hiệu số giữa công suất ñặt của
nguồn ñiện và nhu cầu phụ tải ñỉnh hàng năm:
RΣ = Nñ – Lmax

(2.1)

Nñ là công suất ñặt của nguồn ñiện; Lmax là phụ tải cực ñại năm.
Dự trữ công suất ñặt là tiêu chí dài hạn và thường dùng trong quy hoạch hệ
thống ñiện. Có thể nói dự trữ công suất ñặt là một chỉ tiêu thường niên (annual
indice). Dự trữ công suất ñặt có thể tính bằng giá trị % theo phụ tải ñỉnh. PM có thể
dùng như một chỉ tiêu ñộ tin cậy sơ cấp hoặc ñược tính từ các chỉ tiêu khác (khi ñó
người ta gọi nó là chỉ tiêu phái sinh).
Các yếu tố ảnh hưởng ñến tiêu chuẩn dự trữ công suất ñặt là:
-

tỉ số công suất tổ máy lớn nhất /công suất ñặt của hệ thống;

-


tỉ số công suất tổ máy trung bình /công suất ñặt của hệ thống.

Dự trữ công suất ñặt là một chỉ tiêu truyền thống sử dụng trong quy hoạch
nguồn ñiện nói riêng và hệ thống ñiện nói chung. Tuy nhiên, hiện nay còn rất ít
nước chỉ sử dụng mỗi tiêu chuẩn PM trong quy hoạch nguồn ñiện. Nhiều nước (Úc,
Phần Lan, Rumani) ñánh giá các chỉ tiêu xác suất về ñộ tin cậy của nguồn ñiện, từ
ñó tính ra giá trị PM.
Mức dự trữ công suất ñặt PM có thể xác ñịnh trực tiếp như sau:
Dự trữ công suất ñặt

= Dự trữ công suất kỹ thuật + Dự trữ công suất

kinh tế
Trong ñó:

19


Luận văn thạc sỹ khoa học

Dự trữ công suất kỹ thuật = Dự trữ phụ tải + Dự trữ sự cố + Dự trữ bảo
dưỡng + Dự trữ công nghệ.
Dự trữ phụ tải: ñể dự phòng sự tăng bất ngờ của phụ tải, dự trữ này có giá trị
từ 1 ñến 4% phụ tải ñỉnh.
Dự trữ sự cố: là hiệu giữa công suất khả dụng của hệ thống và phụ tải cực
ñại ở thời ñiểm nằm hoặc trong khoảng thời gian xét T, cần thiết ñể bù vào công
suất thiếu do sự cố ngẫu nhiên các tổ máy phát ñiện hoặc ñường dây hệ thống, dự
trữ này vào khoảng 4 ñến 8% phụ tải ñỉnh. Tổng của 2 loại dự trữ (dự trữ phụ tải +
dự trữ sự cố) gọi là Dự trữ thao tác.

Dự trữ bảo dưỡng: là hiệu giữa công suất khả phát của nguồn ñiện và công
suất công suất khả dụng ở thời ñiểm cực ñại năm, ñể thay cho các tổ máy phải
ngừng ñể bảo dưỡng ñịnh kỳ, dự trữ này vào khoảng 1,5 ñến 7% phụ tải ñỉnh.
Dự trữ công nghệ: là phần dự trữ nhằm mục ñích bù vào sự thiếu công suất
phát do thiếu nước cho thuỷ ñiện, do các sự cố kỹ thuật của các tổ máy nhiệt ñiện
hoặc do nhiên liệu xấu hơn mức thiết kế.
Bốn thành phần trên hợp thành Dự trữ kỹ thuật.
Dự trữ kinh tế là sự vượt trước của công suất nguồn so với ñộ tăng phụ tải
tối ña, thường vào khoảng 1-2% phụ tải ñỉnh.
Giá trị của PM dao ñộng tuỳ vào hệ thống ñiện từng nước và cho từng giai
ñoạn, ví dụ từ 10% (Tây Ban Nha) ñến 35% (Ireland và Romania) phụ tải tối ña.
Thậm chí một số nước ví dụ Malaysia có PM ñạt ñến trên 40%.
Riêng Brazil ñã sử dụng PM ñến năm 1982 cùng với tiêu chuẩn dự trữ ñiện
năng. ðiều này xuất phát từ tỉ lệ lớn thuỷ ñiện trong hệ thống của Brazil.
Dự trữ công suất tự do tại một thời ñiểm nào ñó là hiệu giữa công suất khả
phát của hệ thống và phụ tải tại thời ñiểm ñó:
Rtd = Nkp – L

(2.2)

Nkp là công suất khả phát của nguồn ñiện; L là phụ tải tại một thời ñiểm.

20


Luận văn thạc sỹ khoa học

Dự trữ công suất vận hành là phần công suất dự trữ tự do có thể sử dụng
ñược trong các tình huống sự cố cụ thể có tính ñến khả năng tải của thiết bị và sơ ñồ
lưới ñiện:

Rvh < Rtd

(2.3)

Dự trữ công suất vận hành gồm hai phần: dự trữ nóng và dự trữ lạnh. Dự
trữ nóng thường vào khoảng 1 ñến 3% tổng công suất của các tổ máy làm việc và
không nhỏ hơn công suất tổ máy lớn nhất hoặc công suất mất do sự cố ñường dây
liên lạc hệ thống.
Dự trữ công suất tự do và dự trữ công suất vận hành thường ñược dùng
trong các bài toán vận hành hệ thống. Trong quy hoạch phát triển nguồn ñiện người
ta thường sử dụng tiêu chí dự trữ công suất ñặt. ðối với hệ thống hỗn hợp thuỷ ñiện
- nhiệt ñiện như nước ta, cùng với tiêu chí PM nên dùng thêm tiêu chí dự trữ ñiện
năng (energy criteria).
2.2. Các tiêu chí xác suất
Các tiêu chí xác suất thống kê dùng ñể ñánh giá ñộ phù hợp của công suất
nguồn ñiện là:
-

Xác suất thiếu công suất (xác suất mất tải) (LOLP - Loss of Load
Probability)

-

Kỳ vọng thiếu công suất (kỳ vọng mất tải) (LOLE - Loss of Load
Expectation)

-

Kỳ vọng ñiện năng thiếu hụt (EUE - Expected Unserved Energy)


2.2.1. Xác suất thiếu công suất LOLP
Xác suất thiếu công suất LOLP là chỉ tiêu quan trọng ñể ñánh giá ñộ tin cậy
của nguồn ñiện. ðó là xác suất toán học của trạng thái khi công suất khả phát của
nguồn ñiện nhỏ hơn công suất phụ tải.
Có nhiều cách tính LOLP tùy thuộc mô hình nguồn và phụ tải ñang xét, cụ
thể như sau:
a. Tính LOLP theo xác suất trạng thái nguồn P(C = Cj) và xác suất phụ tải
lớn hơn công suất nguồn P(L > Cj),[1]:

21


Luận văn thạc sỹ khoa học

LOLP = ∑ P (C = C j ).P ( L > C j )

(2.4)

j

j: chỉ số trạng thái nguồn.
Cách tính này ñược áp dụng ñể tính LOLP trong bài toán ñánh giá ñộ tin cậy
hệ thống ñiện theo phương pháp mô phỏng Monte-Carlo kiểu lấy mẫu trình tự trong
ñó các mô hình nguồn và phụ tải xây dựng theo thứ tự thời gian.
b. Tính LOLP theo xác suất trạng thái phụ tải P(L = Lj) và xác suất công
suất nguồn nhỏ hơn công suất phụ tải P(C < Lj), [1]:
LOLP = ∑ P ( L = L j ).P (C < L j )

(2.5)


j

j: chỉ số trạng thái phụ tải.
Cách tính này ñược áp dụng ñể tính LOLP trong bài toán ñánh giá ñộ tin cậy
hệ thống ñiện khi mô hình nguồn có bảng xác suất trạng thái nguồn ñiện.
c. Tính LOLP theo xác suất trạng thái nguồn P(C = Cj) và xác suất trạng
thái phụ tải P(L = Li).
LOLP = ∑
i

∑ P(C = C

j

).P ( L = Li ).1( Li > C j )

(2.6)

j

Trong ñó:
1, Li > C j
0, Li < C j

1(Li > Cj) = 

j: chỉ số trạng thái nguồn;
i: chỉ số trạng thái phụ tải.
Cách tính này ñược áp dụng ñể tính LOLP trong bài toán ñánh giá ñộ tin cậy
hệ thống ñiện theo phương pháp mô phỏng Monte-Carlo kiểu lấy mẫu không theo

trình tự trong ñó các mô hình nguồn và phụ tải xây dựng không theo thứ tự thời
gian.
2.2.2. Kỳ vọng thiếu công suất LOLE
Kỳ vọng thiếu công suất LOLE là “số ngày kỳ vọng trong năm khi công suất
nguồn không ñủ ñáp ứng phụ tải ñỉnh của ngày” hoặc là “số giờ kỳ vọng trong năm
khi công suất nguồn không ñủ ñáp ứng phụ tải giờ”.

22


Luận văn thạc sỹ khoa học

LOLE tính bằng số ngày/năm khi nó thể hiện sự so sánh giữa giá trị phụ tải
ñỉnh của từng ngày với công suất khả dụng của nguồn. Khi ñó người ta thường ký
hiệu là LOLE(D). Theo kết quả thử nghiệm thống kê, cứ Ni lần thử nghiệm thì có ni
lần thiếu công suất (LOLP = ni/Ni). Như vậy, trong 1 năm có 365 ngày thì có
365.LOLP ngày thiếu công suất [4].
LOLE(D) tính như sau:
LOLE ( D ) = LOLP.365

(2.7)

LOLE tính bằng số giờ/năm khi nó thể hiện sự so sánh giữa giá trị phụ tải
từng giờ (trong năm) với công suất khả dụng của nguồn. Khi ñó người ta thường ký
hiệu là LOLE(H).
LOLE(H) tính như sau:
LOLE ( H ) = LOLP.8760

(2.8)


LOLE và LOLP là các tiêu chí ñộ tin cậy hệ thống ñiện của phương pháp xác
suất thống kê nên cho phép tính ñến ảnh hưởng bất ñịnh của các yếu tố như sự cố
các phần tử của hệ thống ñiện, nhu cầu phụ tải, ñiều kiện thủy văn, công suất khả
dụng của các tổ máy ñiện,… ñến khả năng ñáp ứng phụ tải của các nguồn ñiện.
Người ta thường dùng LOLE hơn các tiêu chí khác (chẳng hạn dự trữ công
suất PM) ñể ñánh giá ñộ tin cậy công suất nguồn vì tiêu chí này có tính ñến các yếu
tố sau ñây:
a. Phụ tải ñỉnh từng ngày hoặc từng giờ của năm;
b. ðộ sẵn sàng các tổ máy;
c. Số lượng và quy mô các tổ máy (Nhiều tổ máy với công suất nhỏ thì tin
cậy hơn là ít tổ máy với công suất lớn, nếu các ñiều kiện khác là như nhau).
Tiêu chí LOLE có giá trị khá khác nhau giữa các nước. Ví dụ, LOLE(D): 0,1
ngày/năm ñối với USA, Canada, Tây Ban Nha; 6,0 ngày/năm ñối với Nam Phi,
riêng Nhật- 0,3 ngày/ tháng; Brazil: 2,5 ngày/năm; LOLE(H): từ 2h/năm (Pháp)
ñến 35h/năm (Liên Xô cũ). Hàn Quốc và Malaysia chọn 12h/năm. Việt Nam, Thái
Lan hiện nay chọn LOLE(H)=24h/năm làm tiêu chuẩn quy hoạch [9].

23