Nhận định - Phản biện

Phát triển lưới điện thông minh tại Việt Nam [Kỳ 1]: Giới thiệu tổng quan

09:22 |12/01/2021

 - 

Lưới điện thông minh là một hệ thống truyền tải điện từ nhà sản xuất đến người tiêu dùng, có khả năng tự theo dõi và phân phối dòng điện một cách độc lập để đạt được hiệu quả năng lượng tối đa. Tất cả các thiết bị của lưới điện thông minh tương tác với nhau, tạo thành một hệ thống cung cấp điện thông minh thống nhất nhờ sử dụng công nghệ thông tin và truyền thông hiện đại. Thông tin thu thập được từ thiết bị được phân tích, kết quả phân tích giúp tối ưu hóa việc sử dụng điện, giảm chi phí, tăng độ tin cậy và tăng hiệu quả của hệ thống điện.   


‘Hệ thống điện thông minh’ trong Quy hoạch điện 8


KỲ 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH


Mở đầu

Trước đây, hệ thống điện được hình dung đơn giản, gồm: Nhà máy điện, đường dây điện, trạm phân phối, hộp biến áp và công tơ ở lối vào căn hộ. Đó là một lưới điện truyền thống.

Hiện nay, cấu trúc của hệ thống điện thực tế không thay đổi, nhưng tất cả các phần tử đều có một “chip” thông minh và các kênh thông tin liên lạc để có thể trao đổi thông tin với nhau và điều khiển lẫn nhau. Một hệ thống như vậy được coi là lưới điện thông minh (LĐTM).

Kinh nghiệm thực tế và kết quả nghiên cứu đã giúp hình thành các giả định sau được áp dụng trong quá trình xây dựng và phát triển LĐTM ở nước ngoài:

1/ LĐTM là sự chuyển đổi sốtính hệ thống, có tác động đến tất cả các thành phần chính của ngành điện (sản xuất, truyền tải, phân phối, kinh doanh và điều độ).

2/ Hệ thống năng lượng là một cơ sở hạ tầng giống như internet, cần được thiết lập để hỗ trợ các mối quan hệ về năng lượng, thông tin, kinh tế và tài chính giữa tất cả các bên tham gia vào thị trường năng lượng và các bên liên quan khác.

3/ Việc phát triển ngành điện cần hướng tới:

Thứ nhất: Hoàn thiện các đặc tính hiện có.

Thứ hai: Tạo ra các đặc tính chức năng mới của hệ thống điện và các phần tử của nó.

Thứ ba: Đảm bảo đạt được các giá trị chủ chốt của ngành điện ở mức độ cao nhất.

Thứ tư: Phù hợp với tầm nhìn chung của tất cả các bên liên quan về mục tiêu và cách thức phát triển của ngành điện.

4/ Lưới điện (tất cả các phần tử của nó) phải được coi là đối tượng chính của việc hình thành cơ sở công nghệ mới, có khả năng cải thiện đáng kể những điều đã đạt được và tạo ra các đặc tính chức năng mới của hệ thống điện.

5/ Sự phát triển LĐTM bao hàm tất cả các hướng chính (nghiên cứu, hoàn thiện, nhân rộng, ứng dụng thực tế) và cần được thực hiện ở tất cả các lĩnh vực (khoa học, quản lý, pháp lý, công nghệ, kỹ thuật, tổ chức, quản lý và thông tin).

6/ Việc triển khai LĐTM phải sáng tạo và tạo động lực thúc đẩy quá trình chuyển đổi ngành điện và toàn bộ nền kinh tế sang một nền tảng công nghệ mới.

Đặc tính của LĐTM

LĐTM có các đặc tính tiên tiến như:

1/ Hoạt động hai chiều, tương tác thời gian thực, có trao đổi thông tin giữa tất cả các phần tử và những người tham gia mạng, từ máy phát điện đến thiết bị đầu cuối của người dùng điện.

2/ Bao phủ toàn bộ hệ thống điện từ các nhà máy điện và mạng lưới điện đến người tiêu dùng cuối cùng.

3/ Đảm bảo cân bằng cung - cầu được kiểm soát gần như liên tục. Các phần tử của LĐTM sẽ liên tục trao đổi thông tin với nhau về các thông số điện, phương thức tiêu thụ và phát điện, lượng điện tiêu thụ theo kế hoạch và tiêu thụ thực tế, cũng như các thông tin thương mại.

4/ LĐTM có khả năng tự bảo vệ trước các mối đe dọa lớn từ bên ngoài (thiên tai) và tự phục hồi sau những gián đoạn/sự cố.

5/ LĐTM sẽ thúc đẩy sự xuất hiện của các thị trường, người tham gia và dịch vụ mới.

Yêu cầu cơ bản của LĐTN

Đối với LĐTM, các yêu cầu đa dạng của tất cả các bên liên quan (từ chính phủ đến người dùng điện cuối cùng) được tổng hợp thành một nhóm các yêu cầu then chốt (các giá trị cần phải có) được khái quát như sau:

1/ Khả dụng (availability) - cung cấp điện không hạn chế cho người tiêu dùng, tùy thuộc vào thời điểm, địa điểm họ cần và tùy thuộc vào chất lượng được trả.

2/ Tin cậy (reliability) - khả năng chịu các ảnh hưởng tiêu cực về vật lý và thông tin mà không bị mất điện toàn bộ, hoặc không tốn chi phí cao để khôi phục, có khả năng phục hồi nhanh nhất có thể (tự phục hồi).

3/ Lợi nhuận (profitability) - tối ưu hóa giá điện cho người tiêu dùng và giảm chi phí trên toàn hệ thống.

4/ Hiệu quả (efficiency) - tối đa hóa hiệu quả sử dụng các nguồn lực (tài nguyên và công nghệ) trong sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng.

5/ Tương tác hữu cơ với môi trường (organic interaction with the environment) - giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường.

6/ An toàn (safety) - không để xảy ra trong ngành điện các tình huống gây nguy hiểm cho con người và môi trường.

Tất cả các yêu cầu chính (giá trị) nêu trên phải được coi là bình đẳng với nhau, nhưng thứ tự ưu tiên, mức độ và tỷ lệ của chúng không giống nhau, không cố định như một quy chuẩn chung cho tất cả, mà có thể được xác định và áp dụng riêng cho từng đối tượng (công ty điện, khu vực, thành phố, hộ gia đình, v.v...).

Dấu hiệu nhận biết của LĐTM

Trên thế giới, các thuộc tính/dấu hiệu của LĐTM được tổng hợp trong bảng sau:

Bảng 1. Các dấu hiệu nhận biết của LĐTM:

Mỹ [1]

Châu Âu [2]

Nga [3]

Ability: Lưới điện có khả năng tự phục hồi sau các sự cố gián đoạn trong quá trình cung cấp điện.

Flexibility: Lưới điện có tính linh hoạt tự điều chỉnh theo nhu cầu của người tiêu dùng điện.

Topological: Lưới điện có đầy đủ các phần tử cho phép thay đổi các thông số cấu trúc topo của lưới.

Possibility: Lưới điện có thể tham gia tích cực vào hoạt động của người tiêu dùng điện.

Availability: Lưới điện có khả năng tiếp cận - cho phép các bên sử dụng mới tiếp cận được với lưới, kể cả việc đấu nối mới vào lưới của các nguồn tham gia phát điện lên lưới.

Large number of sensors: Có đủ số lượng lớn các cảm biến đo các thông số hoạt động hiện thời để đánh giá tình trạng lưới trong các chế độ hoạt động khác nhau của hệ thống điện.

Sustainability: Lưới điện phải có tính bền vững trước các tác động xấu cố ý từ bên ngoài về vật lý và về điều khiển học.

Reliability: Lưới điện phải có độ tin cậy để bảo hành về khả năng được bảo vệ và về chất lượng của việc cung cấp điện phù hợp với các yêu cầu của kỷ nguyên số.

Hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu: Có phần mềm, phần cứng cũng như phương tiện điều khiển các thông số hoạt động của lưới và của các thiết bị dùng điện.

Provision: Lưới điện phải đảm bảo yêu cầu về chất lượng của điện năng được truyền tải.

Profitability: Lưới điện cần có tính hiệu quả - các công nghệ mới áp dụng trong LĐTM phải cho phép điều khiển và điều tiết hoạt động của hệ thống một cách có hiệu quả.

Các cơ cấu và cơ chế chấp hành cho phép điều chỉnh cấu trúc topo của hệ thống trong thời gian thực cũng như khả năng tương tác với các đối tượng điện có liên quan.

Đảm bảo khả năng làm việc đồng thời của các nguồn phát điện và các điểm/nút lưu trữ điện năng.

Safety: Lưới điện cần đảm bảo độ an toàn - không cho phép xẩy ra các tình huống mất an toàn đối với con người và môi trường trong lĩnh vực điện lực.

Các phương tiện tự động đánh giá tình trạng hiện tại và dự báo hoạt động của lưới.

Sự xuất hiện mới của các thị trường và sản phẩm của công nghệ cao

Hệ thống điều khiển và trao đổi thông tin có hiệu suất cao (high performance)

Nâng cao hiệu quả hoạt động tổng thể của hệ thống

Chức năng của LĐTM

Với cách tiệm cận vấn đề như trên, nhiệm vụ phát triển ngành điện từ chủ yếu dựa trên cân bằng cung - cầu điện được chuyển thành nhiệm vụ tạo ra, phát triển và cung cấp một “thực đơn” gồm các “món ăn” điện năng cho người tiêu dùng và xã hội. Để đạt được các yêu cầu (giá trị) chính trong “thực đơn”, ngành điện cần phát triển (‘pha chế’) LĐTM với các đặc tính chức năng (‘mùi, vị’) chính sau đây:

1/ Tự phục hồi trong các trường hợp có sự cố khẩn cấp: Hệ thống điện và các phần tử của nó phải liên tục duy trì được tình trạng kỹ thuật cần có của mình bằng cách nhận diện, phân tích và chuyển từ kiểm soát sang phòng ngừa tất cả các hư hỏng khẩn cấp.

2/ Có khả năng thúc đẩy hành vi tích cực của người tiêu dùng cuối cùng: Cung cấp cho người tiêu dùng khả năng độc lập thay đổi về khối lượng và chất lượng điện năng nhận được, dựa trên sự cân bằng giữa nhu cầu của họ và khả năng của hệ thống điện, có sử dụng thông tin về giá cả, khối lượng, độ tin cậy, chất lượng, v.v...

3/ Khả năng chống lại các ảnh hưởng tiêu cực: Có các giải pháp đặc biệt để đảm bảo tính ổn định và khả năng tồn tại, giảm tổn thương về vật lý, về thông tin của tất cả các thành phần của hệ thống điện, góp phần phòng ngừa, cũng như tự phục hồi nhanh chóng sau sự cố phù hợp với yêu cầu của an ninh năng lượng.

4/ Đảm bảo độ tin cậy và chất lượng điện: Chuyển từ phương pháp tiếp cận dựa trên hệ thống (System-based approach) sang phương pháp tiếp cận dựa trên khách hàng (Customer-based) để đảm bảo và duy trì các mức độ tin cậy và chất lượng điện khác nhau trong các phân khúc giá khác nhau.

5/ Đa dạng hóa nguồn phát điện và lưu trữ điện: Tích hợp tối ưu các nhà máy điện, hệ thống lưu trữ điện năng với nhiều loại và công suất khác nhau bằng cách kết nối chúng với hệ thống điện theo quy trình đấu nối kỹ thuật tiêu chuẩn và chuyển đổi sang kiến tạo các “lưới điện siêu nhỏ” (Microgrid) ở phía người dùng cuối cùng.

6/ Mở rộng thị trường điện: Mở rộng khả năng để người tiêu dùng cuối cùng có thể tiếp cận được với thị trường phát điện, thị trường bán điện và thị trường phát điện phân tán, góp phần tăng hiệu suất, hiệu quả của thị trường bán lẻ.

7/ Tối ưu hóa quản lý các tài sản: Chuyển đổi sang giám sát từ xa các tài sản sản xuất theo thời gian thực đã được tích hợp vào hệ thống quản lý doanh nghiệp nhằm tối ưu hóa các phương thức sản xuất, cải thiện việc vận hành, sửa chữa và thay thế thiết bị theo tình trạng thực và đảm bảo giảm chi phí chung của toàn hệ thống.

Các công nghệ nền tảng của LĐTM

Cơ sở công nghệ mới của LĐTM là các nhóm lĩnh vực công nghệ trọng điểm mang tính đột phá, gồm:

1/ Các dụng cụ và thiết bị đo lường thông minh (trước hết là đồng hồ thông minh và cảm biến thông minh).

2/ Các phương pháp điều khiển tiên tiến: Hệ thống điều khiển thông minh phân tán và các công cụ phân tích hỗ trợ ở các cấp độ của hệ thống điện hoạt động trong thời gian thực, cho phép thực hiện các thuật toán, phương pháp mới để điều khiển hệ thống điện, kể cả điều khiển các phần tử công tác của hệ thống.

3/ Các công nghệ và thành phần của mạng điện đã được hoàn thiện: FACTS truyền dẫn điện xoay chiều linh hoạt, dòng điện một chiều, cáp siêu dẫn, điện tử công suất bán dẫn, thiết bị lưu trữ, v.v...

4/ Các giao diện tích hợp và các phương pháp hỗ trợ việc ra quyết định, quản lý nhu cầu, hệ thống giám sát và điều khiển phân tán (DMCS), hệ thống quản lý phát điện hiện tại phân tán (DGMS), hệ thống tự động đo lường các quá trình (AMOS), v.v... cũng như các phương pháp mới để lập kế hoạch, thiết kế phát triển và hoạt động của hệ thống điện, cũng như các phần tử của nó.

5/ Truyền thông tích hợp: Cho phép các phần tử của 4 nhóm công nghệ trên (về cơ bản đại diện cho LĐTM như một hệ thống công nghệ) có thể kết nối và tương tác với nhau.

Riêng trong mạng đường trục, các nhóm công nghệ phổ biến và phát triển nhất được tổng hợp trong bảng sau:

Bảng 2. Các công nghệ nền tảng được sử dụng trong LĐTM:

Chức năng

Các thành phần và công nghệ tiên tiến

Vận hành

Công nghệ lưu trữ năng lượng (Energy storage technologies)

Công nghệ siêu dẫn (Superconductivity technology)

Các thiết bị giới hạn dòng điện (Current limiting devices)

Công nghệ trạm kỹ thuật số (Digital Substation Technologies)

Công nghệ truyền dẫn dòng điện một chiều (Direct current transmission technologies)

Công nghệ nguồn AC có kiểm soát (Controlled AC Power Technologies)

Giám sát và bảo vệ

Công nghệ kiểm soát và bảo vệ khỏi các tác động bên ngoài (Control and protection technologies from external influences)

Công nghệ giám sát và chẩn đoán mạng điện (Technologies for monitoring and diagnostics of electrical networks)

Điều khiển

Công nghệ điều khiển tự động và tự động thích ứng (Adaptive automated and automatic control technologies)

Công nghệ điều khiển thông minh (Intelligent control technologies)

So sánh LĐTM và lưới điện truyền thống

Bảng 3. So sánh LĐTM và lưới điện truyền thống:

Khả năng/công dụng

Truyền thống

Thông minh

Đối với lưới của các hộ tiêu dùng

Điều khiển tự động “cầu” về điện từ phía “cung” (trong đó có sự tham gia của người dùng điện vào việc việc điều tiết)

Không có

Hệ thống đo đếm điện tự động

Không đủ

Đầy đủ

Hệ thống điều tiết về điện áp và công suất phản kháng

Không đủ

Đủ ở mức cần thiết

Khả năng áp dụng nguồn phát tại chỗ (dự phòng)

Hầu như không có

Các nguồn nhỏ và tích điện được áp dụng

Giao diện tương tác với trung tâm điều khiển thống nhất

Không

Khả năng áp dụng các công nghệ tiết kiệm điện thông minh (“ngôi nhà thông minh”, “thành phố thông minh”)

Hầu như không có

Hoàn toàn có thể

Đối với lưới phân phối chung

Hệ thống kiểm soát tự động về cân bằng công suất hữu dụng và công suất phản kháng theo các nút lưới

Không đáng kể

Hoàn toàn có thể

Hệ thống kiểm soát chất lượng điện theo từng nút lưới

Không đáng kể

Có thể

Điều khiển tự động tập trung về phụ tải dùng điện

Không

Các yếu tố điều khiển lưới có khả năng thay đổi thông số lưới

không đáng kể

Có thể

Hệ thống điều khiển có khả năng duy trì cân bằng khi các nút lưới bị sa thải

Không

Hệ thống giám sát và điều khiển độ tin cậy trong cung cấp điện

Không

Đối với các lưới thành phần của hệ thống điện hợp nhất

Các hệ thống kiểm soát cân bằng công suất và tổn thất điện năng tại các nút lưới

Không

Các hệ thống kiểm soát điện áp tại các điểm kiểm tra của lưới

Không hoàn toàn

Hoàn toàn

Các hệ thống đánh giá tình trạng hiện tại của lưới

Có, thụ động

Có, chủ động

Các yếu tố lưới có khả năng thay đổi cấu trúc lưới theo điều khiển

Hầu như không có

Hệ thống kiểm soát tự động phụ tải tại các điểm có tiết diện dây tới hạn và khả năng đưa ra các tác động để sa thải phụ tải

Có và bổ sung điều khiển tự động các thông số và cấu trúc lưới

Hệ thống điều tiết tần số và duy trì cân bằng công suất cho các khu vực có phụ tải bị tách ra trong các sự cố

Không hoàn thiện

Tự động điều khiển

Công nghệ tự động tái cấu trúc lưới điện

Chỉ áp dụng tại chỗ trong lưới phân phối

Hệ thống giám sát các qui trình chuyển đổi dựa trên cơ sở đo véc tơ đồng bộ

Áp dụng tại chỗ

Hoàn toàn có thể

Đối với lưới nối giữa các lưới

Hệ thống đánh giá tình trạng (chế độ) truyền tải hiện thời

Có, thụ động

Có, chủ động

Hệ thống kiểm soát tự động công suất truyền tải và đưa ra các tác động điều khiển sa thải phụ tải (khi quá tải)

Có và bổ sung điều khiển tự động các thông số và cấu trúc lưới


Kỳ tới: Để phát triển lưới điện thông minh - Việt Nam cần làm gì?

NGUYỄN THÀNH SƠN - ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

PHAN NGÔ TỐNG HƯNG - PHÓ CHỦ TỊCH HIỆP HỘI NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM


Tài liệu tham khảo:

[1] U.S. Department of Energy. Smart Grid / Department of Energy.

[2] Smart Grids European Technology Platform | www.smartgrids.eu.

[3] Các qui định chính về hệ thống điện thông minh với lưới điện thích ứng tích cực/Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью. 2012

[4] Torriti, Demand Side Management for the European Supergrid Energy Policy, vol. 44, pp. 199-206, 2012.

[5] [http://edisontechcenter.org/HistElectPowTrans.html The History of Electrification: The Birth of our Power Grid]. Edison Tech Center.

[6] Mohsen Fadaee Nejad, AminMohammad Saberian and Hashim Hizam. Application of smart power grid in developing countries (англ.) // 7th International Power Engineering and Optimization Conference (PEOCO) : journal. - IEEE, 2013. - 3 June.

[7] Smart Grid Working Group. Challenge and Opportunity: Charting a New Energy Future, Appendix A: Working Group Reports (PDF). Energy Future Coalition (июнь 2003).

[8] Michael T. Burr, "Reliability demands drive automation investments, " Public Utilities Fortnightly, Technology Corridor department, Nov. 1, 2003.

[9] Federal Energy Regulatory Commission staff report. Assessment of Demand Response and Advanced Metering (Docket AD06-2-000) (англ.) : journal. - United States Department of Energy, 2006. - August. - P. 20.

[10] National Energy Technology Laboratory. NETL Modern Grid Initiative- Powering Our 21st-Century Economy (англ.): journal. - United States Department of Energy Office of Electricity Delivery and Energy Reliability, 2007. - August. - P. 17.

[11] Gridwise History: How did GridWise start?. Pacific Northwest National Laboratory (30 октября 2007). Дата обращения: 3 декабря 2008. Архивировано 27 октября 2008 года.

[12] Qixun Yang, Board Chairman, Beijing Sifang Automation Co. Ltd., China and .Bi Tianshu, Professor, North China Electric Power University, China. WAMS Implementation in China and the Challenges for Bulk Power System Protection (англ.) // Panel Session: Developments in Power Generation and Transmission - Infrastructures in China, IEEE 2007 General Meeting, Tampa, FL, USA, 24–28 June 2007 Electric Power, ABB Power T&D Company, and Tennessee Valley Authority: journal. - Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2001. - 24 June.

[13] https://eneca.by/novosti/energetika-i-energoeffektivnost/smart-grid-ili-umnye-seti-elektrosnabzheniya.




TÒA SOẠN TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM
Phòng 406-407-408, Tòa nhà Văn phòng, số 87 Láng Hạ, Ba Đình, Hà Nội.
Email: toasoan@nangluongvietnam.vn

Liên hệ Thư ký Tòa soạn: Mai Văn Thắng (Hotline: 0969998822)

Liên hệ Giám đốc Trung tâm Đối ngoại: Lê Mỹ (Hotline: 0949723223)

Liên hệ Trung tâm Quảng cáo: Nguyễn Tiến Sỹ (Hotline: 0969998811) - Phan Thanh Dũng (Hotline: 0942632014)

Trang TTĐT của Tạp chí Năng lượng Việt Nam hoạt động theo Giấy phép số: 66/GP-TTĐT, cấp ngày 30/3/2018
của Cục Quản lý Phát thanh, Truyền hình và Thông tin Điện tử - Bộ Thông tin - Truyền thông.

Based on MasterCMS 2012 ver 2.3