Tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện phân phối mạch vòng kín – vận hành hở bằng phương pháp trạng thái

26 Nguyễn Hữu Hiếu, Trịnh Trung Hiếu, Trần Tấn Vinh 
TÍNH TOÁN CÁC CHỈ TIÊU ĐỘ TIN CẬY CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI MẠCH 
VÒNG KÍN – VẬN HÀNH HỞ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẠNG THÁI 
CALCULATING RELIABILITY INDICES OF OPEN - LOOP DISTRIBUTION NETWORKS 
BASED ON THE STATE METHOD 
Nguyễn Hữu Hiếu, Trịnh Trung Hiếu, Trần Tấn Vinh 
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; nhhieu@dut.udn.vn 
Tóm tắt - Lưới điện phân phối cấu trúc mạch vòng kín – vận hành 
hở ngày càng được phát triển nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp 
điện cho các phụ tải. Để tính toán độ tin cậy của lưới phân phối 
mạch vòng, bài báo đề xuất sử dụng phương pháp trạng thái kết 
hợp với phân tích ảnh hưởng hỏng hóc của các phần tử đến phụ 
tải. Mỗi trạng thái của phần tử sẽ tương ứng với một trạng thái cấp 
điện của phụ tải (có điện hoặc mất điện), và việc phân loại các 
trạng thái này được thực hiện thông qua phân tích các đường nối 
từ nguồn đến phụ tải. Bằng cách hợp nhất các trạng thái sẽ tính 
được các thông số trạng thái cung cấp điện của các phụ tải. Từ đó 
tính được các chỉ tiêu độ tin cậy lưới phân phối theo tiêu chuẩn 
IEEE-1366. Trên cơ sở thuật toán đề xuất, bài báo trình bày kết 
quả tính toán minh họa cho một sơ đồ lưới phân phối mạch vòng 
15 phụ tải, 2 nguồn cung cấp bằng chương trình tính toán Matlab. 
Abstract - The open-loop power distribution networks have been 
increasingly developing to improve the reliability of power supply to 
the load. This research proposes a new scheme to calculate the 
reliability of the loop distribution networks. The proposed scheme 
is developed by combining the use of the state method and the 
analysis of the components’ failure effect on the loads. Each state 
of a component corresponds to a supply state of the loads (live or 
outage) and the classification of these states will be carried out by 
analyzing the path from the source to the load. By combining the 
states, the supply state parameters of the loads are calculated. 
From this, the distribution network’s reliability indices are 
calculated according to the IEEE-1366 standard. With the 
proposed algorithm, the author has developed a Matlab-based 
program to calculate the reliability indices of a sample open-loop 
distribution network consisting of 15 loads, 2 sources. Calculation 
results are also presented in this article. 
Từ khóa - độ tin cậy; lưới điện phân phối mạch vòng; thao tác đổi 
nối; phương pháp trạng thái; phân tích ảnh hưởng hỏng hóc. 
Key words - reliability; open-loop distribution networks; switching 
operation; state method; analyse effects of component failures. 
1. Đặt vấn đề 
Để nâng cao độ tin cậy, lưới điện phân phối có cấu 
trúc mạch vòng kín – vận hành hở ngày càng được phát 
triển. Ở chế độ làm việc bình thường, mạch vòng vận hành 
ở chế độ hở nên lưới phân phối mạch vòng vận hành như 
các xuất tuyến hình tia, mỗi xuất tuyến được cung cấp từ 
một nguồn riêng biệt. Độ tin cậy của LPP hình tia có thể 
được tính toán bằng phương pháp cấu trúc nối tiếp – song 
song hoặc phương pháp trạng thái khi xét đến các trạng 
thái đổi nối, bảo quản định kỳ [1, 2, 3]. Đối với lưới điện 
dạng mạch vòng, khi một phần tử bị sự cố, để hạn chế 
phạm vi mất điện có thể phải thực hiện thao tác đổi nối 
sau khi sự cố bị cắt ra do tác động của bảo vệ rơ le. Sau 
đổi nối một số phụ tải bị mất điện của xuất tuyến này có 
thể sẽ được cung cấp điện trở lại nhờ chuyển sang nhận 
điện từ xuất tuyến khác. Vì vậy, việc tính toán độ tin cậy 
của lưới phân phối mạch vòng sẽ phức tạp hơn lưới hình 
tia. Bài báo sẽ trình bày phương pháp tính toán các chỉ 
tiêu độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối 
mạch vòng, khi sự cố các phần tử bằng phương pháp trạng 
thái kết hợp với việc phân tích ảnh hưởng hỏng hóc các 
phần tử đến phụ tải thông qua trạng thái của các đường 
nối từ nguồn đến phụ tải. 
2. Lưới điện phân phối mạch vòng và thao tác đổi nối 
Xét sơ đồ lưới điện phân phối gồm: 15 phụ tải, 2 nguồn 
cung cấp, 2 xuất tuyến XT1 và XT2 được liên kết với nhau 
theo dạng mạch vòng như Hình 1. Bình thường mạch vòng 
vận hành hở: Tất cả các máy cắt và dao cách ly phân đoạn 
của các xuất tuyến đóng; riêng hai dao cách ly liên lạc là 
(31) và (32) mở. 
Nếu các xuất tuyến không có liên kết vòng, khi sự cố 
phần tử đường dây (12), máy cắt (1) đầu nguồn N1 sẽ cắt 
ra; tất cả các phụ tải trên xuất tuyến XT1 (nhận điện từ N1) 
bị mất điện. Để hạn chế phạm vi mất điện, thực hiện thao 
tác cắt dao cách ly (11) và đóng lại MC (1), như vậy trong 
thời gian sửa chữa đường dây sự cố (12) thì các phụ tải 
PT4, PT7, PT8 và PT9 bị mất điện. 
Hình 1. Sơ đồ lưới điện phân phối dạng mạch vòng – vận hành 
hở, có 15 phụ tải, 2 nguồn cung cấp [4] 
Tuy nhiên, do lưới có khép mạch vòng nên có thể 
tiếp tục thao tác đổi nối như sau: Cắt dao cách ly (13), 
cắt MC (19), đóng dao liên lạc (32) và đóng lại MC (19). 
Lúc này các phụ tải PT7, PT8 và PT9 được cung cấp 
điện trở lại, chỉ còn PT4 mất điện. Như vậy, trong thời 
gian đổi nối, các phụ tải trên xuất tuyến XT1 mất điện, 
nhưng khi sửa chữa đường dây (12) chỉ có phụ tải PT 4 
mất điện. 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 27 
3. Tính toán độ tin cậy của phụ tải và lưới phân phối 
3.1. Mô hình trạng thái của các phần tử 
Hình 2. Mô hình hai (a) và ba trạng thái (b) của các phần tử 
Mỗi phần tử của lưới phân phối có thể được biểu diễn 
bằng mô hình 2 trạng thái (trạng thái bình thường N và 
trạng thái hỏng R), hoặc bằng mô hình 3 trạng thái (trạng 
thái bình thường N, trạng thái đổi nối S và trạng thái sửa 
chữa R) nếu khi sự cố phần tử này có thực hiện thao tác đổi 
nối để giảm phạm vi mất điện trong quá trình sửa chữa [3]. 
Đối với những phần tử có mô hình 2 trạng thái như 
Hình 2.a, xác suất các trạng thái [2, 3]: 
+

==
NRR
PTP ; 
+

=
N
P (1) 
Tần suất các trạng thái: 
=

==
N
R
NR
R
R
R
P
T
PT
T
P
f (2) 
Trong đó: λ và μ là cường độ sự cố và cường độ phục 
hồi của phần tử; TN và TR là thời gian làm việc an toàn và 
thời gian sửa chữa (phục hồi) trung bình của phần tử. 
Đối với những phần tử có mô hình 3 trạng thái như 
Hình 2.b. Xác suất các trạng thái [2, 3]: 
NSN
S
S
PTP
1
P =

= ; NRNR PTP
1
P =

= 
  1
SRN
)TT(1P
−
++= 
(3) 
Tần suất các trạng thái: 
==
N
S
S
S
P
T
P
f ; ==
N
R
R
R
P
T
P
f (4) 
Với TS là thời gian đổi nối trung bình của phần tử. 
Mỗi trạng thái của phần tử tương ứng với một trạng thái 
của nút phụ tải: còn được cung cấp điện (gọi là trạng thái 
tốt TTT) hoặc bị mất điện (gọi là trạng thái hỏng TTH). 
Ảnh hưởng của các trạng thái của các phần tử đến trạng 
thái của nút phụ tải trong LPP mạch vòng được trình bày ở 
Mục 4. 
3.2. Các chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện phân phối 
Các chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện phân phối theo tiêu 
chuẩn IEEE-1366 được tính dựa vào các thông số trạng thái 
của các nút phụ tải theo các biểu thức sau [5]: 


=
pt
pt
pt
ptmđpt
C
fC
SAIFI (1/năm) (5) 


=
pt
pt
pt
ptmđptmđpt
C
TfC
SAIDI (h) (6) 
)h(
SAIFI
SAIDI
fC
TfC
CAIDI
pt
ptmđpt
pt
ptmđptmđpt
==


 (7) 
Trong đó: Cpt, fmđ pt, Tmđ pt lần lượt là số lượng khách 
hàng, tần suất mất điện, thời gian trung bình mỗi lần mất 
điện của các nút phụ tải (pt). 
3.3. Thuật toán tính toán độ tin cậy của lưới phân phối 
mạch vòng 
Độ tin cậy của lưới điện phân phối mạch vòng được tính 
toán từ các chỉ tiêu độ tin cậy của các nút phụ tải. Thuật 
toán tính như Hình 3. 
Hình 3. Thuật toán tính toán độ tin cậy LPP mạch vòng 
Khi lưới phân phối có N phần tử, gồm N1 phần tử 2 
trạng thái và N2 phần tử 3 trạng thái như Hình 2 thì sơ 
đồ trạng thái của lưới phân phối sẽ có [1+N1+2N2] trạng 
thái. 
Nếu xét thêm mất điện do bảo quản định kỳ các phần 
tử thì sơ đồ sẽ có thêm N trạng thái kM (với k = 1: N). Xác 
suất trạng thái N của hệ thống sẽ bằng: 
 
++++
=
21 Nj Nk
MkMkRjjSjj
Ni
Rii
N
T)TT(T1
1
P 
(8) 
Thông số các trạng thái iR, jR, jS, kM được tính theo 
các biểu thức (1)→ (4). Hợp nhất các trạng thái mất điện 
(TTH) cho phép tính được xác suất Pmđpt, tần suất fmđpt và 
thời gian trạng thái mất điện Tmđpt của từng nút phụ tải. Sử 
dụng các biểu thức (5) - (7) sẽ tính được các chỉ tiêu SAIFI, 
SAIDI, CAIDI của lưới phân phối mạch vòng. 
a) b) 
28 Nguyễn Hữu Hiếu, Trịnh Trung Hiếu, Trần Tấn Vinh 
4. Thuật toán phân tích ảnh hưởng trạng thái các phần 
tử đến các phụ tải 
Mỗi phần tử khi thay đổi trạng thái sẽ tương ứng với 
một trạng thái phụ tải: có điện hoặc mất điện. Để phục vụ 
công tác vận hành, cũng như phục vụ cho bài toán tính toán 
độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện phân phối cần phải 
đánh giá ảnh hưởng đó. Đối với những lưới điện đơn giản, 
có thể phân tích trực quan trên sơ đồ. Tuy nhiên, trong các 
đồ phức tạp, kích thước lớn thì phương pháp để phân tích 
ảnh hưởng trạng thái của các phần tử đến trạng thái cấp 
điện của các phụ tải là dựa vào trạng thái của các đường 
nối từ nguồn đến phụ tải. Trong lưới phân phối mạch vòng 
thì mỗi một phụ tải có thể có nhiều đường nối từ các nguồn 
khác nhau. Phụ tải sẽ còn được cung cấp điện khi còn ít 
nhất một đường nối kín mạch, và ngược lại phụ tải bị mất 
điện khi mọi đường nối đều bị đứt ra. 
Hình 4. Thuật toán phân tích ảnh hưởng trạng thái S của 
phần tử đến trạng thái cấp điện của phụ tải 
Thuật toán phân tích ảnh hưởng của trạng thái S của các 
phần tử đến tình trạng cung cấp điện cho phụ tải trong lưới 
điện phân phối có cấu trúc mạch vòng kín – vận hành hở 
như Hình 4. 
Thuật toán cũng được dùng để phân tích các trạng thái 
R, M của các phần tử, chỉ khác là dùng vùng sửa chữa hoặc 
vùng bảo quản thay cho vùng bảo vệ. 
4.1. Đường nối từ nguồn đến phụ tải 
Trong thực tế lưới phân phối mạch vòng được vận hành 
ở chế độ hở, các xuất tuyến có dạng hình tia. Phương thức 
thao tác các thiết bị liên lạc và phân đoạn (như dao cách ly, 
recloser, LBS,) khi có sự cố của nguồn hoặc các phần tử 
của LPP được tính toán trên cơ sở đảm bảo được yêu cầu 
giảm phạm vi mất điện đến mức nhỏ nhất, và đảm bảo các 
ràng buộc về an toàn lưới điện. Mỗi phương thức thao tác 
sơ đồ vận hành các thiết bị liên lạc và phân đoạn sẽ tương 
ứng với một sơ đồ vận hành hình tia. Vì vậy các đường nối 
trong mỗi sơ đồ được tính như lưới hình tia theo thuật toán 
ở Hình 5. 
Hình 5. Thuật toán tìm đường nối từ nguồn đến các nút phụ tải 
của lưới điện phân phối 
Ví dụ sơ đồ Hình 1, phụ tải PT4 có 4 đường nối là: D1 
= {1, 2, 3, 11,12}; D2 = {1, 2, 3, 4, 5, 10, 31, 20, 25, 24, 23, 
22, 27, 28, 29, 30 ,32, 18, 17, 14, 13}; D3 = {19, 20, 21, 27, 
28, 29, 30 ,32, 18, 17, 14, 13}; D4 = {19, 20, 21, 22, 23, 24, 
25, 26, 31, 10, 5, 4, 11, 12}. 
4.2. Vùng bảo vệ 
Vùng bảo vệ (VBV) của một phần tử là tập hợp các 
nhánh (phần tử) của LPP bị cắt ra khỏi lưới điện do tác 
động của BVRL khi phần tử đó bị sự cố. Ở chế độ bình 
thường LPP mạch vòng vận hành hở nên VBV được xác 
định giống như lưới điện hình tia [3]. 
Trong sơ đồ Hình 1, bình thường các dao liên lạc (31) 
và (32) thường mở nên vùng bảo vệ của các phần tử trên 
xuất tuyến XT1 (nhận điện từ nguồn N1) là toàn bộ XT1 
và vùng bảo vệ của các phần tử trên xuất tuyến XT2 (nhận 
điện từ nguồn N2) là toàn bộ XT2. 
Ví dụ, vùng bảo vệ của phần tử (12) và (22) là : 
VBV(12) = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 
15, 16, 17, 18}; 
VBV(22) = {19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 
29, 30}. 
4.3. Vùng sửa chữa 
Vùng cắt điện sửa chữa (VCĐ) của một phần tử là tập 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 29 
hợp các phần tử bị cắt ra khỏi LPP trong quá trình sửa chữa 
phần tử sự cố. Đối với lưới điện hình tia một nguồn cung 
cấp, thì vùng sửa chữa được xác định là tập hợp các nhánh 
nằm sau thiết bị phân đoạn được cắt ra sau khi máy cắt đầu 
tuyến bị cắt ra do BVRL. Trong lưới mạch vòng, theo 
phương thức thao tác đổi nối sẽ có một phần xuất tuyến 
được chuyển tải sang nguồn khác. Vì vậy vùng sửa chữa sẽ 
được thu hẹp hơn so với hình tia và xác định phức tạp hơn. 
Hình 6. Thuật toán tìm vùng sửa chữa trong lưới phân phối 
mạch vòng – vận hành hở 
Ví dụ, xét sự cố phần tử (12) trên XT1, vùng mất điện 
sau khi mở dao cách ly (11) là VCĐ1 = {11, 12, 13, 14, 15, 
16, 17, 18}, được xác định giống như lưới hình tia. Sau khi 
thao tác đổi nối thì dao cách ly phân đoạn thứ hai là DCL 
(13) cắt, MC2 và DCL liên lạc (32) đóng thì vùng được 
khôi phục cấp điện trở lại là VKP = {14, 15, 16, 17, 18}. Do 
đó, vùng cắt điện để sửa chữa phần tử (12) sẽ là VCĐ2 = 
VCĐ1 – VKP = {11, 12, 13}. 
Tổng quát, thuật toán tìm vùng sửa chữa sau thao tác 
đổi nối của LPP khi một phần tử sự cố được trình bày trong 
Hình 6. 
5. Tính toán áp dụng 
Dựa vào thuật toán đã trình bày, tác giả đã xây dựng 
chương trình Matlab để tính toán độ tin cậy của lưới điện 
phân phối mạch vòng kín – vận hành hở và sử dụng sơ đồ 
Hình 1 để tính toán minh họa với kết quả như sau. 
5.1. Dữ liệu 
5.1.1. Các nhánh đường dây của lưới phân phối 
Bảng 1. Số liệu các nhánh đường dây 
Nhánh 
số 
Nút 
đầu 
Nút 
cuối 
Chiều dài 
(km) 
2 2 3 2.00 
4 4 5 1.00 
7 7 8 3.00 
9 9 10 3.00 
10 6 11 2.00 
12 12 13 3.00 
14 15 16 3.00 
16 16 17 2.00 
18 18 19 1.00 
20 21 22 5.00 
22 23 24 2.00 
24 25 26 4.00 
26 27 28 3.00 
28 30 31 2.00 
30 31 32 3.00 
5.1.2. Phương thức thao tác đổi nối 
Phương thức thao tác các thiết bị đóng cắt và liên lạc 
trong lưới phân phối mạch vòng kín vận hành hở được tính 
toán trên nguyên tắc giảm thiểu phạm vi mất điện và đảm 
bảo an toàn vận hành nguồn và lưới điện [4]. Giả thiết khả 
năng tải của lưới điện và công suất các nguồn đều đảm bảo 
cung cấp cho toàn bộ các phụ tải, phương thức thao tác đổi 
nối khi có sự cố các phần tử như Bảng 2. 
Bảng 2. Phương thức thao tác đổi nối khi sự cố các phần tử 
Nhánh 
sự cố 
DCL cắt 
thứ nhất 
 DCL cắt 
Thêm 
DCL liên lạc 
đóng 
1, 2 - 3 11 31 32 
3 - 5 11 31 32 
4 3 5 11 31 32 
5 3 11 32 
6 5 - - 
7, 8 6 - - 
 9 8 - - 
10 5 - - 
11 3 5 13 31 32 
12 11 13 32 
13 11 17 32 
14 13 17 32 
15 13 17 32 
16 15 - - 
17 13 - - 
18 17 - - 
19 - 21 27 31 32 
20 - 21 27 31 32 
21 - 23 27 31 32 
22 21 23 27 31 32 
30 Nguyễn Hữu Hiếu, Trịnh Trung Hiếu, Trần Tấn Vinh 
23 21 25 27 31 32 
24 23 25 31 
25 23 - - 
26 25 - - 
27 21 23 29 31 32 
28 
29 
30 
31 
32 
27 
27 
29 
5 
17 
29 
- 
- 
25 
29 
32 
- 
- 
- 
- 
5.1.3. Số liệu độ tin cậy của các phần tử 
Cường độ sự cố: đường dây λ0 = 0,2 (1/năm.km), thiết 
bị đóng cắt λ0 = 0,04 (1/năm). Thời gian sửa chữa: đường 
dây TR = 2 h, thiết bị đóng cắt TR = 2 h. Cường độ bảo quản 
định kỳ (BQĐK): của đường dây λ0M = 0,3 (1/năm.km), 
của thiết bị đóng cắt: λ0M = 0,5 (1/năm). Thời gian BQĐK 
trung bình của đường dây: TM = 4 h; của thiết bị đóng cắt 
TM = 4 h. Thời gian đổi nối: TS = 0,5 h. 
Số lượng khách hàng của các phụ tải: 50. 
5.2. Kết quả 
Bảng 4. Các chỉ tiêu độ tin cậy của các nút phụ tải 
Phụ tải số Xác suất 
mất điện 
(10-3) 
Tần suất 
mất điện 
(1/năm) 
Thời gian 
mất điện 
(phut/năm) 
1 0,000362 4,43 190,34 
2 0,000326 4,43 171,19 
3 0,000371 4,43 195,13 
4 0,000408 4,43 214,28 
5 0,000517 4,43 271,74 
6 0,000654 4,43 343,57 
7 0,000417 4,43 219,07 
8 0,000508 4,43 266,95 
9 0,000326 4,43 171,19 
10 0,000476 4,03 250,20 
11 0,000348 4,03 183,16 
12 0,00043 4,03 226,25 
13 0,000376 4,03 197,52 
14 0,000339 4,03 178,37 
15 0,000376 4,03 197,52 
Kết quả các chỉ tiêu độ tin cậy của LPP mạch vòng: 
 SAIFI(1/năm) SAIDI(phút) CAIDI(phút) 
Sự cố 4,27 218,4 51,2 
Sự cố và 
BQĐK 
14,47 1.056,0 73,0 
Nếu là LPP hình tia không có liên kết vòng: 
 SAIFI(1/năm) SAIDI(phút) CAIDI(phút) 
Sự cố 4,27 328,1 76,8 
Sự cố và 
BQĐK 
14,47 1.781,7 123,0 
Nhận thấy khi lưới phân phối có liên kết mạch vòng thì 
độ tin cậy của lưới điện cao hơn so với lưới hình tia. 
6. Kết luận 
Bằng phương pháp không gian trạng thái kết hợp với 
phân tích ảnh hưởng các trạng thái phần tử đến trạng thái 
đường nối từ nguồn đến phụ tải, có thể tính toán được các 
chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện phân phối mạch vòng kín 
– vận hành hở khi xét đến các trường hợp mất điện do sự 
cố hay cắt điện kế hoạch để bảo quản định kỳ các phần tử 
trên lưới. Thuật toán và chương trình tính toán Matlab đã 
xây dựng có thể được sử dụng để tính toán độ tin cậy cho 
các lưới điện phân phối mạch vòng trong thực tế, phục vụ 
cho công tác vận hành cũng như những bài toán tối ưu hóa 
nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. 
Lời cảm ơn 
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển Khoa 
học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng trong đề tài mã số 
B2016-DNA-47-TT. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Trần Bách, Lưới điện và Hệ thống điện, tập II, NXB Khoa học và 
Kỹ thuật, 2000. 
[2] J. Endrenyi, Reliability Modelling in Electric Power Systems, John 
Wiley & Sons, 1978. 
[3] Trần Tấn Vinh, “Tính toán các chỉ tiêu độ tin cậy hệ thống điện phân 
phối dựa trên trạng thái các phần tử”, Tạp chí Khoa học và Công 
nghệ ĐHĐN, Số 05(90), 2015. 
[4] Ali A. Chowdhury, Don O.Koval, “Power Distribution System 
Reliability, Practical Methods and Applications”, Wiley & Sons, 
2009. 
[5] IEEE Std 1366-1998, IEEE Trial-Use Guide for Electric Power 
Distribution Reliability Indices, Institute of Electrical and 
Electronics Engeneers, Inc, 1999. 
(BBT nhận bài: 12/11/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/11/2018)