Mạng truyền thông thông minh hơn dành cho tự động hóa phân phối điện năng

02/11/2011

Thiệt hại mà các hộ tiêu thụ ở Mỹ phải chịu do mất điện lên tới 150 tỉ USD. Nói cách khác, cứ mỗi USD trả tiền điện, các hộ tiêu thụ phải chi ít nhất là 50 cent cho các hàng hóa và dịch vụ khác để trang trải các chi phí về mất điện.

Trong suốt thế kỷ trước, lĩnh vực phân phối điện ít thấy có sự thay đổi. Đó là quá trình một chiều: Điện năng sản xuất từ nhà máy điện được truyền dẫn qua các đường dây tải điện, tới trạm biến áp, cứ thế tiếp tục và đến người sử dụng cuối cùng. Hệ thống phân phối điện lão hóa dần theo thời gian, còn phụ tải lại cứ tăng dần, nên xác suất gián đoạn cung cấp điện ngày càng cao.

Kết quả là mỗi năm, theo ước tính của công ty Galvin Energy Initiative, thiệt hại mà các hộ tiêu thụ ở Mỹ phải chịu do mất điện lên tới 150 tỉ USD. Nói cách khác, cứ mỗi USD trả tiền điện, các hộ tiêu thụ phải chi ít nhất là 50 cent cho các hàng hóa và dịch vụ khác để trang trải các chi phí về mất điện. Các chi phí này là do tổn thất của các ngành công nghiệp bị ảnh hưởng chuyển sang. Như vậy nếu nhìn từ góc độ đó, độ tin cậy cung cấp điện ở Mỹ tác động đáng kể đến tăng trưởng kinh tế và sự phồn vinh của đất nước này.

Với các công nghệ mới về truyền thông đang nổi lên và mạng thông minh đang hình thành, độ tin cậy của lưới điện sẽ được cải thiện rất nhiều trong những năm tới. Mặc dầu việc triển khai cơ sở hạ tầng đo đếm điện năng tiên tiến (Advanced Metering Infrastructure – AMI) nhiều khi là cột mốc đầu tiên của việc thực hiện công nghệ mạng thông minh, tạo điều kiện nâng cao hiệu quả lưới điện và sự tham gia của hộ tiêu thụ, tuy nhiên việc đặt lệnh và điều khiển theo thời gian thực các thiết bị lưới điện ở cấp cao hơn lại tạo động lực không thua kém – nếu không nói là lớn hơn – thúc đẩy tính hiệu quả và độ tin cậy chung của lưới điện.

Trong tình hình các công ty điện lực tìm kiếm các giải pháp hiệu quả về chi phí nhằm cải thiện việc vận hành lưới điện thì tự động hóa phân phối (distribution automation - DA) là công nghệ then chốt trong việc nâng cao hiệu quả và độ tin cây vận hành. Trong một nghiên cứu mới đây do Viện nghiên cứu Điện lực Mỹ (Electric Power Research Institute – EPRI) tiến hành, thì nâng cao độ tin cậy là động lực chính thúc đẩy đầu tư cho tự động hóa (xem Hình vẽ).

Thay vì triển khai các mạng và hệ thống truyền thông riêng rẽ làm tăng chi phí, các công ty điện lực sẽ ngày càng đầu tư nhiều hơn vào truyền thông AMI để tạo điều kiện triển khai các ứng dụng DA khác nhau, lắp đặt thiết bị của nhiều nhà cung cấp để tích hợp dữ liệu và hỗ trợ các ứng dụng phần mềm tối ưu hóa lưới điện “loại tốt nhất” (best-in-class) để tìm ra giải pháp tiếp cận nhiều người sử dụng, nắm tình hình lưới điện, và độ tin cậy thông qua một mạng có dấu ấn toàn cầu.

Với các công nghệ DA, các công ty điện lực có thể triển khai các điểm đầu dữ liệu (data end-point) cho phép nắm tình hình về hệ thống phân phối với độ chính xác cao hơn về mức chịu tải của các tài sản và quản lý công suất; một vấn đề ngày càng trở nên quan trọng hơn với sự ra đời của xe chạy điện sử dụng điện lưới. Điều này tạo điều kiện “nắm hiểu lưới điện” (grid awareness), và cuối cùng là tối ưu hóa các thành phần, hành vi và tính năng của lưới điện. Nó cũng cho phép các công ty điện lực lường trước, ngăn chặn hoặc phản ứng với các vấn đề, không để sự cố xảy ra, đồng thời tối ưu hóa tính năng của các lộ cấp điện, máy biến áp và các thành phần khác của hệ thống phân phối. Giá trị của mạng mới các điểm dữ liệu này – công tơ cũng như các loại cảm biến khác – là ở chỗ nó mang lại cho các công ty điện lực hàng loạt khả năng cải thiện hệ thống vận hành cũng như sự vững tin để thực hiện nhờ có dòng ổn định các dữ liệu hỗ trợ việc ra quyết định. Vậy những kiểu ứng dụng và sức mạnh tổng hợp nào được tạo ra nhờ áp dụng kết hợp công tơ thông minh, tự động hóa, và một kiến trúc mạng chung?

Các ứng dụng tự động hóa phân phối

Trong số các năng lực tự động hóa phân phối (DA) cụ thể mà các công ty điện lực muốn có, phải kể đến theo dõi điện áp và cân bằng phụ tải; cách ly sự cố, phân đoạn và đóng cắt điểm mở; và tối ưu hóa vôn/vôn-ampe phản kháng.

1. Theo dõi điện áp và cân bằng phụ tải. DA mang lại cho các công ty điện lực khả năng theo dõi từ xa điện áp của lộ cấp điện, cho phép nhân viên công ty điện lực nhận được thông báo sớm về sụt áp đường dây do mức phụ tải cao. Ngoài ra, dữ liệu ghi được về điện áp của lộ cấp điện cho họ biết về cách sử dụng điện thực tế. Nếu có thêm phương tiện theo dõi cân bằng phụ tải máy biến áp, công ty điện lực có thể tiếp cận được từ xa các thông tin gần như thời gian thực về vận hành chung của hệ thống phân phối. Thông tin này sau đó có thể sử dụng hằng ngày để kiểm tra tác động của các sự kiện khác về phía phụ tải, ví dụ như đóng cắt tụ điện, kiểm soát phụ tải sinh hoạt, và tác động của các cầu dao đóng lặp lại (recloser). Nó cũng có ích trong một số công tác định kỳ như hiệu chỉnh chính xác hiệu quả của cấu hình phân phối điện năng của công ty điện lực.

2. Cách ly sự cố, phân đoạn và đóng cắt điểm mở. Ứng dụng các thiết bị kết nối qua truyền thông để cấp thông tin tức thời khi xảy ra cắt điện hoặc sự cố trên lộ cấp điện và nhanh chóng phân đoạn lưới điện phân phối, thu hẹp phạm vi ảnh hưởng được gọi là Phát hiện sự cố, Cách ly, và Khôi phục cung cấp điện (Fault detection, Isolation, and Service Restoration – FISR). FISR là ví dụ về nâng cao độ tin cậy tự động hóa phân phối điện hỗ trợ tính năng tin cậy của công ty điện lực. Đơn vị đo là chỉ số thời gian/tần suất cắt điện trung bình của hệ thống (system average interruption duration/frequency indices – SAIDI/SAIFI). Chỉ số này nhỏ có nghĩa là ít trường hợp cắt điện kéo dài, số lần mất điện giảm. FISR cung cấp một số phép đo khác giúp theo dõi các trường hợp cắt điện thoảng qua để quản lý cây cối và phân tích chất lượng điện dựa trên phản hồi về mức tải của thiết bị. FISR cũng hỗ trợ chiến lược sa thải phụ tải và phân bố lại công suất mà công ty điện lực có thể triển khai về quản lý phụ tải và nguồn điện thay thế.

3. Tối ưu hóa vôn/vôn-ampe phản kháng (V/VAr Optimization – VVO). VVO giúp nâng cao chất lượng điện. Vôn-ampe phản kháng (VAr) là công suất truyền tải vô ích xảy ra khi tải điện dung hoặc tải cảm kháng ảnh hưởng bất lợi đến sự đồng pha của điện áp và dòng điện trên toàn lưới điện. Mức vôn-ampe phản kháng cao có thể gây ra những vấn đề khác nữa về chất lượng điện cho các doanh nghiệp công nghiệp. Tải công suất phản kháng cũng làm tăng chi phí cho các công ty điện lực. Thường thì các công ty điện lực khống chế công suất phản kháng thông qua thiết bị cơ sở hạ tầng, ví dụ bộ chuyển mạch dưới tải, bộ điều chỉnh điện áp và các dàn tụ điện (cố định hoặc có thể đóng cắt) để quản lý mức V/VAr.

Đối với các công ty điện lực, cách tiếp cận điển hình là thực hiện giảm điện áp bảo toàn (conservation voltage reduction – CVR) tại trạm biến áp với các bộ điều chỉnh điện áp, tụ điện và mức chuẩn điện áp cuối đường dây (end-of-line – EOL) về phía tải để giảm điện áp EOL tới giới hạn điện áp thấp nhất cho phép theo tiêu chuẩn ANSI C.84.1.

Hoạt động này giúp công ty điện lực giảm tổn thất đường dây, tính trung bình, tới 7%. Nếu phối hợp với thiết bị điều khiển đóng cắt dàn tụ điện, công ty điện lực có thể tối ưu hóa hiệu quả của hệ số công suất, đồng thời giảm xuống mức thấp nhất tổn thất trên mạch điện phân phối. Giải pháp tối ưu hóa cho phép giảm tổn thất đường dây và tăng hiệu quả tải điện, từ đó có thể giảm chi phí phát điện và nâng cao hiệu suất hệ thống và chất lượng điện. Một lợi ích khác của điều khiển qua mạng truyền thông là khả năng thực hiện bảo trì dựa vào tình trạng thiết bị, thông qua theo dõi tình trạng và nhận dạng tài sản tụ điện có thể phải bảo dưỡng hoặc thay thế, dựa vào các trị số đo vượt ra ngoài giới hạn cho phép hoặc các vấn đề rắc rối.

Mạng truyền thông thông minh hơn

Để triển khai các ứng dụng tự động hóa phân phối (DA) nêu trên, công ty điện lực cần có mạng truyền thông thông minh. Hiện nay chiến lược và kiến trúc truyền thông tổng thể của các công ty điện lực đang ở mức độ chín khác nhau. Đa số các công ty điện lực giờ đây đều sử dụng SCADA trạm biến áp, dưới hình thức nào đó kết nối qua đường truyền thông tới văn phòng công ty. Mạch truyền thông từ các mạch phân phối tới các lộ cấp điện từ trạm biến áp mỗi nơi một khác và manh mún hơn nhiều.

Công tơ thông minh dạng môđun phiên bản 2 cua Công ty Remote Energy Monitoring (Anh)

Một số công ty điện lực sử dụng mạng riêng trong khi các công ty điện lực khác lại cố gắng tích hợp với cơ sở hạ tầng đo đếm điện năng tiên tiến (AMI). Từ đó nhiều khi tạo ra một dạng truyền thông hỗn hợp, tùy thuộc vào hệ thống di sản [mạng di sản (cáp đồng trục Ethernet), ngân hàng dữ liệu di sản (ngân hàng dữ liệu chứa những thông tin có tính lịch sử) và các phần mềm di sản] và bản chất của các thiết bị (các kiểu và các nhà chế tạo khác nhau), các phần mềm bản quyền về đọc và lập trình, và các giao diện thiết bị khác nhau (ví dụ nối tiếp hoặc Ethernet). Có giải quyết được vấn đề này mới đạt được những lợi ích nêu trên một cách hiệu quả nhất về chi phí.

Kết nối suôn sẻ nhiều mạng điện và thiết bị với nhau đóng vai trò thiết yếu giúp nắm rõ và quản lý tốt hơn vấn đề cấp điện, phân bố các nguồn lực một cách hợp lý nhằm đáp ứng nhu cầu, cũng như thúc đẩy sử dụng hiệu quả cơ sở hạ tầng hiện có về nguồn điện, truyền tải và phân phối. Để mạng có thể kết nối hàng trăm, hàng nghìn hoặc hàng triệu thiết bị và sẵn sàng trao đổi dữ liệu đảm bảo bảo mật và tin cậy, cần có một bộ tiêu chuẩn chung đảm bảo tính tương tác trong mạng thông minh. Giao thức Internet phiên bản 6 (Internet Protocol Version 6 – IPV6) đề ra những qui định tốt nhất về quản lý mạng, chất lượng dịch vụ và bảo mật, chính là tiêu chuẩn có thể đem lại các năng lực mong muốn này ở qui mô lớn.

Khả năng tương tác của IPV6 cho phép thu nhận dữ liệu từ rất nhiều thiết bị, từ nhiều nhà cung cấp, với giao thức và phần mềm ứng dụng khác nhau. Cách tiếp cận này không chỉ bao hàm các vấn đề “trên cơ sở tiêu chuẩn” (standards - based) và “nhiều ứng dụng” (multi-application). Cơ sở hạ tầng mạng theo IPV6 tạo điều kiện tương tác thực sự giữa các ứng dụng và các thiết bị. Nói cách khác, khi tiến hành lựa chọn và triển khai các năng lực DA trên mạng, công ty điện lực không còn phụ thuộc vào nhà cung cấp AMI, và vào đơn vị mà họ đã từng cộng sự hoặc hội nhập.

Nền tảng này giảm bớt chi phí sở hữu mà công ty điện lực phải trả thông qua lựa chọn các giải pháp tốt nhất về tích hợp mạng hỗ trợ các dữ liệu thời gian thực, quản lý năng lượng hiệu quả và có sự tham gia của các hộ tiêu thụ trong phạm vi một mạng mở và tương tác. Tuyến dịch chuyển (migration path) này tới một mạng giao thức internet (IP) mở sẽ tiết kiệm chi phí sở hữu cho công ty điện lực bởi vì một mạng duy nhất có thể hỗ trợ tất cả các ứng dụng.

Ngoài ra, các ứng dụng tự động hóa phân phối (DA) có thể được hỗ trợ trên cùng một cơ sở hạ tầng với các ứng dụng AMI, cùng tồn tại với các ứng dụng tiện ích khác, và không vì thế mà ảnh hưởng tới tính năng và an toàn của bất kỳ ứng dụng nào khác. Công ty điện lực có thể sử dụng mạng đa dịch vụ này để truyền dữ liệu từ các thiết bị từ nhiều đơn vị cung cấp đến các ứng dụng theo dõi và điều khiển từ nhiều đơn vị cung cấp.

Thực hiện một tiêu chuẩn truyền thông mạng toàn diện có thể đem lại tính tương tác thực sự cho mạng thông minh – như các công ty công nghệ cũng như các công ty điện lực đã hình dung. Tính tương tác, cùng với khả năng mở rộng (scalability), an ninh (security) và giảm chi phí sở hữu (cost of ownership reduction) là bốn nguyên lý cơ bản của một mạng mở, thành công.

Tính tương tác

Tính tương tác là yêu cầu mang tính sống còn để phát huy trọn vẹn tiềm năng của mạng thông minh. Không một đơn vị cung cấp công nghệ duy nhất có thể cung cấp tất cả các linh kiện cho một sáng kiến mạng thông minh, một mạng truyền thông vật chất duy nhất không thể đáp ứng các yêu cầu của mọi công ty điện lực. Để đảm bảo các sản phẩm từ nhiều đơn vị cung cấp có thể hoạt động tốt với nhau trong nhiều môi trường, các giao thức chuẩn – cụ thể như IPV6 – cung cấp ngôn ngữ chung để các thiết bị nói chuyện với nhau. Một cơ sở hạ tầng truyền thông dựa trên tiêu chuẩn sẽ tối ưu hóa các tài sản hiện có và tạo ra tuyến dịch chuyển cho nhiều sáng kiến mới, thúc đẩy hình thành một môi trường mở, tích hợp dễ dàng các ứng dụng hiện có và trong tương lai của bên thứ ba. Tiêu chuẩn cũng cho phép các công ty điện lực phát huy lợi thế của các qui chuẩn công nghiệp rộng hơn để hài hòa các công nghệ và giảm chi phí chi phí sở hữu.

An ninh

Lưới điện vốn trước đây mang tính độc quyền, nay được mở rộng cho mạng truyền thông, điều này khiến ngành điện không khỏi ít nhiều lo ngại. Trước tiên, đó là lo ngại về bảo vệ dữ liệu nguyên vẹn và yêu cầu bảo mật của khách hàng khỏi bọn tin tặc. Trong IPV6, an ninh mạng được tích hợp chặt chẽ trong cấu trúc chung. Qua việc chấp nhận các tiêu chuẩn an toàn, cụ thể như của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) và Công ty Độ tin cậy Điện Bắc Mỹ (NERC), các công ty điện lực có thể yên tâm rằng khả năng vi phạm an ninh đã được các chuyên gia trong ngành xem xét và xử lý. Các tiêu chuẩn an ninh IP bổ sung, ví dụ như IP SEC được sử dụng để bảo vệ dòng dữ liệu giữa các điểm giao tiếp, và phải luôn đáp ứng các tiêu chuẩn khi dữ liệu truyền qua mạng của công ty điện lực.

Khả năng mở rộng

Những năm gần đây, giao thức internet (IP) đã chứng tỏ khả năng hỗ trợ các ứng dụng mới theo sự phát triển và tiến hóa nhằm đáp ứng các yêu cầu nối mạng luôn thay đổi, không làm thay đổi thiết kế cốt lõi của IP. Khi công ty điện lực tăng trưởng, một mạng mở, dựa trên tiêu chuẩn phải có khả năng phục vụ công ty lớn, nhỏ cũng như mọi qui mô trung gian. Ngoài ra, khi tích hợp công nghệ thông minh, công ty điện lực phải có khả năng thực hiện theo từng bước mà không phải lo ngại khi thực hiện sẽ phải vứt bỏ một số tài sản. IPV6 tạo độ linh hoạt trong tiếp nhận các ứng dụng mới, cho phép tăng số lượng thiết bị nối mạng mà không ảnh hưởng xấu tới độ tin cậy vận chuyển dữ liệu.

Giảm chi phí sở hữu

Các dự án mạng thông minh đòi hỏi vốn đầu tư đáng kể và khi thực hiện giải pháp mới, chi phí luôn là mối quan tâm hàng đầu. Chi phí cho việc dịch chuyển và bảo trì phải ở mức chấp nhận được và biết trước được, đảm bảo mức lãi suất để chứng tỏ việc chuyển sang mạng thông minh là một quyết định sáng suốt trong kinh doanh. Với cách tiếp cận tiêu chuẩn mở, công ty điện lực có thể lựa chọn trong trong số nhiều đơn vị bán hàng đầu và mua sản phẩm thích hợp, với giá thích hợp và không phải lo ngại về chuyện tích hợp các sản phẩm này vào mạng.

Kết luận

Trong khi các công ty điện lực đánh giá việc đầu tư vào nâng cao độ tin cậy và hiệu quả hoạt động thì khả năng quản lý các ứng dụng đa dạng trong mạng đa dịch vụ có thể mang lại giá trị như đã được nhận diện trong một số trường hợp ứng dụng tự động hóa phân phối (DA) để hỗ trợ các mục tiêu tự động hóa phân phối, bao gồm FISR (Phát hiện sự cố, Cách ly, và Khôi phục cung cấp điện), VVO (Tối ưu hóa vôn/vôn-ampe phản kháng) và theo dõi máy biến áp để tối ưu hóa tải, cách ly sự cố và quản lý công suất hệ thống.

Khi mà các công ty điện lực đánh giá các phương án truyền thông về tích hợp các thiết bị tự động hóa nhằm tích hợp dữ liệu để hỗ trợ các giải pháp phần mềm tối ưu hóa mạng, thì giá trị của các ứng dụng này phụ thuộc vào tính kịp thời, chính xác và chắc chắn của các dữ liệu. Một mạng IP mở, dựa trên tiêu chuẩn sẽ cung cấp cho công ty điện lực các thông tin có chất lượng nhằm đạt được các mục tiêu chung, hiệu quả chi phí, trong một cấu trúc truyền thông đa dịch vụ dùng cho các ứng dụng cơ sở hạ tầng đo đếm điện năng tiên tiến (AMI) và tự động hóa phân phối (DA) trên cùng một nền tảng truyền thông.

Theo QLNĐ tháng 9/2011

Mạng truyền thông thông minh hơn dành cho tự động hóa phân phối điện năng

LOTTE Mart Nam Sài Gòn tiết kiệm 24% điện năng mỗi năm nhờ nền tảng AI BEMS

National Energy Efficiency Programme - Ministry of Industry and Trade