Công nghệ theo dõi tụ điện, đảm bảo giảm điện áp bảo toàn tối ưu

Thiết bị theo dõi tụ điện trên cơ sở AMI được lắp đặt trên bộ tụ điện đóng cắt

Như vẫn hay xảy ra khi triển khai một công nghệ mới, các kỹ sư thường phát hiện ra một ứng dụng của công nghệ này không hề có trong mô hình kinh doanh ban đầu. Southern Co. (Atlanta, bang Georgia, Mỹ, là công ty mẹ của Georgia Power) đã hợp tác với Marwell Corp. (bang California, Mỹ, là công ty chuyên về thiết bị chuyển đổi dạng ổ cắm dùng cho công tơ điện truyền thống) chế tạo thiết bị chuyển đổi cho phép sử dụng công tơ điện AMI 120 V tiêu chuẩn để theo dõi và báo cáo về tình trạng của bộ tụ điện.

Ý tưởng sử dụng công tơ AMI để báo cáo về tình trạng của tụ điện ba pha phát huy lợi thế từ một phương pháp đã được kiểm chứng: Phân tích dòng trung tính của bộ tụ điện đấu sao như một tín hiệu chỉ thị tình trạng của tụ điện. Ý tưởng rất đơn giản. Nếu công tơ điện AMI có thể báo cáo về dòng trong dây trung tính, thì phân tích dữ liệu này sẽ chỉ ra các bộ tụ điện có dòng trung tính cao do có một hoặc hai pha bị trục trặc không hoạt động.

Ý tưởng đặt công tơ điện trên mạch trung tính ban đầu khiến người ta quan ngại về khả năng công tơ chịu dòng sự cố, dòng điện này đôi khi xuất hiện trong mạch trung tính của tụ điện. Mối quan ngại này được giảm nhẹ nếu như đấu công tơ điện vào mạch trung tính qua máy biến dòng.

Thử nghiệm tại hiện trường

Công ty Điện lực Georgia Power đã thử nghiệm ý tưởng này bằng cách chế tạo 5 thiết bị chuyển đổi sử dụng các chân đế công tơ điện và các máy biến dòng tính tiền điện. Các kỹ sư chuyên về thiết bị đo và phân phối tự động hóa của Georgia Power nhanh chóng biến ý tưởng này thành mô hình thực tế hoạt động được và lắp đặt các bộ chuyển đổi vào các bộ tụ điện đóng cắt và các bộ tụ điện cố định hiện có.

Nhân viên đường dây khu vực được điều đến các địa điểm và được yêu cầu thay đổi trạng thái đóng cắt của các tụ điện. Qua phân tích dữ liệu, đã xác định được ngày thay đổi trạng thái đóng cắt và điều này được nhân viên đường dây xác nhận. Sau khi thử nghiệm thành công, Georgia Power liên hệ với công ty Marwell là công ty trước đó đã phát triển các bộ chuyển đổi công tơ chuyên dụng cho Georgia Power, để thiết kế chế tạo bộ chuyển có kích thước nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt.

Georgia Power đã đặt hàng số lượng bộ chuyển đổi đủ để lắp đặt một thiết bị theo dõi cho từng bộ tụ điện trong phạm vi một chi nhánh điện nhỏ, khoảng 50 bộ. Bộ phận công tơ đã nhận được các bộ chuyển đổi và lắp đặt các công tơ điện sinh hoạt 120 V được lập trình đặc biệt vào các bộ chuyển đổi. Các bộ hoàn chỉnh sau đó được vận chuyển tới hiện trường để lắp đặt. Các thiết bị theo dõi đã được lắp đặt vào mùa xuân năm 2012 trong thời gian kiểm tra hằng năm. Thử nghiệm thực địa thực tế hiện đang tiến hành.

Bởi vì các tụ điện của Georgia Power không có sứ cách điện trung tính nên cực trung tính và nối đất giá đỡ đều được đặt thông qua máy biến dòng của bộ chuyển đổi. Đối với các bộ tụ điện đóng cắt, nguồn điện 120 V cấp điện cho công tơ được lấy từ máy biến áp 120 V, được lắp trên giá đỡ để cấp điện cho việc điều khiển tụ điện. Các bộ tụ điện cố định sử dụng mạch thứ cấp sẵn có trên cột hoặc phải lắp đặt một máy biến điện áp. Kết quả triển khai ban đầu rất ấn tượng, bởi vì có khoảng 10% các tụ điện báo cáo có vấn đề trước khi kết thúc mùa hè, không có trường hợp báo cáo sai.

Không chỉ có nhiệm vụ theo dõi

Trước đây, Georgia Power có đội bảo trì thực hiện kiểm tra hằng năm các tụ điện tại hiện trường trong toàn bang Georgia. Các đội này là của nhà thầu hoặc là nhân lực của công ty. Để thực hiện việc kiểm tra này phải cử người đến từng địa điểm, và công việc thường diễn ra vào tháng 1 hoặc tháng 2. Nếu có tụ điện bị hỏng, sẽ tiến hành sửa chữa vào mùa xuân (tháng 4, 5 và 6). Mặc dù quá trình kiểm tra bằng tay là hiệu quả đối với việc phát hiện các tụ điện có khuyết tật, nhưng chương trình kiểm tra lại không hiệu quả trong việc phát hiện ra các tụ điện trở thành bất thường sau khi kiểm tra.

Tụ điện đặc biệt nhạy cảm với sét, mà ở bang Georgia sét thường xuyên xảy ra vào đầu mùa xuân (cuối tháng 3, đầu tháng 4) và trong các tháng mùa hè (các tháng 7, 8 và 9). Georgia Power có hơn 6.000 tụ điện, tất cả đều lắp đặt trên hệ thống phân phối, trung bình mỗi mạch điện có hơn hai tụ điện. Tụ điện có vai trò đặc biệt quan trọng trong thời gian cao điểm mùa hè. Nếu các tụ này không hoạt động thì phải phát ra và phân phối nhiều công suất phản kháng hơn.

Mục đích của chương trình là phát hiện và sửa chữa tất cả các tụ điện bất thường, không đợi tới khi cần đến công suất phản kháng đầu ra của các tụ điện này vào thời kỳ cao điểm phụ tải mùa hè. Các tụ điện cũng duy trì mức điện áp ít thay đổi trên toàn bộ xuất tuyến. Mức điện áp ít thay đổi cho phép Georgia Power thực hiện chương trình giảm điện áp bảo toàn (conservation voltage reduction - CVR) mà không để điện áp hạ thấp xuống dưới mức tiêu chuẩn. Hệ thống CVR của Georgia Power dựa trên cơ sở điều khiển điều tiết trạm biến áp thông qua hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu (Supervisory Control And Data Acquisition - SCADA), tuy nhiên, mỗi bộ tụ điện lại làm việc độc lập, không có bất cứ truyền thông SCADA nào.

Kết quả triển khai ban đầu cho thấy một sự thật hiển nhiên là việc kiểm tra định kỳ hằng năm vào mùa xuân không đem lại kết quả chắc chắn các tụ điện có thể sẵn sàng sử dụng được trong các tháng mùa hè. Bởi vì Georgia Power đang lồng ghép phần mở rộng hệ thống CVR vào chương trình ứng dụng Hỗ trợ Đầu tư Lưới điện Thông minh (Smart Grid Investment Grant - SGIG) của Southern Co., nên một luận chứng kinh tế cũng đã được xây dựng với nội dung bao gồm việc bổ sung các thiết bị theo dõi cho tất cả bộ tụ điện mới cũng như hiện có.

Công ty Điện lực Alabama Power (cũng là công ty con của Southern Co.) đưa việc bổ sung thiết bị theo dõi vào tất cả các bộ tụ điện cố định của họ (Alabama Power lúc đó đã điều khiển bằng SCADA các bộ tụ điện đóng cắt của họ) vào ứng dụng SGIG của Southern Co. Để nâng cao tối đa hiệu quả của các đội công tác, thiết bị theo dõi các tụ điện hiện có sẽ được lắp đặt, thay cho việc kiểm tra vào mùa xuân. Tính tới thời điểm hiện tại, Georgia Power đã lắp đặt hơn 6.000 thiết bị theo dõi.

Cải tiến hệ thống

Trong khi các thiết bị theo dõi bắt đầu gửi báo cáo về, việc cải tiến các công cụ đã được tiến hành nhằm phát triển hệ thống theo dõi tụ điện. Dựa vào kinh nghiệm thực tế, ngưỡng của dòng trung tính để nhận diện tụ điện yếu được đặt ở mức 15A. Việc đặt mức ngưỡng này cho phép xây dựng một website nội bộ để khai thác các dữ liệu AMI và báo cáo các trường hợp thiết bị giám sát đã vượt quá ngưỡng dòng điện hoặc trường hợp công tơ của các tụ điện không báo cáo trong vòng 100 giờ qua. Ngưỡng 15A đã loại trừ hiện tượng báo cáo sai về các tụ điện mất cân bằng tự nhiên do điều chỉnh riêng rẽ các pha.

Thiết bị theo dõi phát hiện các vấn đề khác nhau của tụ điện

Các công tơ đã ngừng báo cáo chứng tỏ rằng pha của tụ điện đã ngắt mạch nhưng vẫn cấp điện cho máy biến điện áp trực tuyến. Georgia Power cũng xây dựng bản hướng dẫn kiểm tra chi tiết dùng cho các đội công tác giải quyết các vấn đề về tụ điện yếu được báo cáo. Hướng dẫn bao gồm việc sử dụng thiết bị đo dòng cầm tay để đo dòng trung tính và dòng trực tiếp đi vào mỗi tụ điện.

Các thiết bị theo dõi đã thành công trong việc nhận diện các tình trạng không dễ nhận ra ngay, cụ thể như các cầu chì không phải loại tự rơi, các cầu dao chuyển mạch cao áp bề ngoài tưởng là liền mạch nhưng trên thực tế bên trong là cắt mạch. Vấn đề cũng được quan tâm là đảm bảo lắp đặt cầu chảy đúng kích cỡ và tất cả các cáp được lắp đặt đúng yêu cầu. Trước khi tài liệu hướng dẫn này được xây dựng, các đội phải thường xuyên kiểm tra lại các tụ điện bề ngoài có vẻ bình thường nhưng trên thực tế là có vấn đề.

Có hai tình trạng khó xác định đối với hệ thống hiện nay. Tình trạng khó xác định đầu tiên liên quan đến tụ điện cố định không có máy biến điện áp trên một xuất tuyến rất cân bằng. Ở hầu hết các tụ điện, thường có một dòng trung tính rất nhỏ chạy qua mạch trung tính được công tơ AMI ghi nhận. Nhưng kể từ khi Georgia Power triển khai thiết bị theo dõi có lắp máy biến dòng 100/5, một số bộ tụ điện không hề ghi nhận được bất kỳ dòng nào nếu bộ tụ điện đó hoạt động bình thường. Do không có bất kỳ dòng điện nào được ghi nhận nên không thể phân biệt các bộ tụ điện này với các bộ tụ điện báo cáo không có dòng điện bởi vì cả ba cầu chì của bộ tụ điện đều bị hở mạch.

Máy biến dòng 100/5 đã được lựa chọn từ khi Georgia Power bắt đầu triển khai các nguyên mẫu. Các công trình lắp đặt sau này sẽ sử dụng máy biến dòng có tỉ số biến đổi nhỏ hơn để đạt độ phân giải cao hơn ở các dòng điện nhỏ. Các máy biến dòng này sẽ bão hòa ở trên mức ngưỡng 15A. Nhưng độ phân giải tại các dòng vượt quá ngưỡng là không cần thiết. Khoảng 20% số các bộ tụ điện cố định được cấp điện từ các cuộn thứ cấp hiện có không ghi nhận được bất kỳ dòng điện nào trong khi tất cả các bộ tụ điện đều đang làm việc.

Điều may mắn là ở chế độ sự cố thường gặp chỉ có một hoặc hai cầu chì đứt mạch. Georgia Power đã lên kế hoạch kiểm tra bằng mắt các bộ tụ điện cố định này vào mùa xuân năm nay (tháng 3, 4 và 5) để xác định liệu có cần thiết phải chuyển sang sử dụng tỉ số biến dòng khác hay không.

Tình trạng khó xác định thứ hai là khi bộ phận điều khiển trên bộ tụ điện đóng cắt bị hỏng. Các tụ điện này có thể không đóng cắt được nữa như mong muốn. Bằng việc nghiên cứu dữ liệu thô về điện năng tiêu thụ (không chỉ các bộ tụ điện vượt qua giá trị ngưỡng), có thể xác định bộ tụ điện đóng cắt đang được đóng lên lưới hoặc đã được cắt khỏi lưới điện. Máy biến dòng có độ phân giải cao hơn sẽ giúp phân tích tốt hơn để xác định liệu bộ tụ điện đóng cắt đóng mạch liên tục hay chưa bao giờ đóng mạch. Bởi vì hệ thống phân phối của Georgia Power vận hành liên tục ở hệ số công suất gần như bằng 1, nên các dữ liệu SCADA thu thập được tại trạm biến áp cũng sẽ được phân tích để phát hiện các xuất tuyến riêng lẻ có các vấn đề về điều khiển.

Thiết bị chuyển đổi khi chưa lắp công tơ AMI

Cải tiến tại hiện trường

Georgia Power cũng đã làm việc với Viện Nghiên cứu Điện lực Mỹ (Electric Power Research Institute - EPRI) xây dựng một ứng dụng mạng cho phép nhân viên làm việc tại hiện trường nhập các thông tin về sửa chữa tụ điện thông qua điện thoại thông minh (smart phone) hoặc máy tính xách tay. Georgia Power đang cố gắng sử dụng hệ thống mới triển khai này để xác định căn nguyên dẫn đến hư hỏng tụ điện để từ  đó thay đổi các đặc điểm kỹ thuật hoặc vật liệu nhằm hạ thấp tỉ lệ hư hỏng. Nhân viên đường dây nhanh chóng học cách nhập các thông tin về sửa chữa thông qua một ứng dụng mạng thực hiện rất nhanh, thay vì ghi vào biên bản kiểm tra trên giấy.

Bộ phận văn phòng có thể xem các ghi chép về sửa chữa gần như theo thời gian thực. Trong tuần đầu tiên sử dụng hệ thống nhập thông tin qua điện thoại thông minh, người ta nhận thấy một đội sửa chữa báo rằng một số bộ tụ điện không có vấn đề gì trong khi đó, các bộ tụ điện này đã được thiết bị theo dõi xác định là có. Qua trao đổi với đội này, mới biết rằng nhân viên trong đội không có thiết bị đo cường độ dòng điện, vì vậy họ không thể phát hiện ra thiết bị đóng cắt ngâm dầu bị hỏng.

Georgia Power cũng đang đánh giá việc cải tiến thiết bị theo dõi tụ điện nhờ đó có thể nối hoặc ngắt công tơ AMI để theo dõi dòng trung tính và giữ vai trò giống như một bộ điều khiển tụ điện. Bộ chuyển đổi theo dõi nối/ngắt mạch có mạch điện tử lắp sẵn cho phép mở hoặc đóng mạch các bộ chuyển mạch tụ điện nhằm mô phỏng trạng thái ngắt mạch bên trong của công tơ.

Dây trung tính và dây nối đất từ bộ tụ điện đi qua máy biến dòng lắp bên trong bộ chuyển đổi của công tơ

Các thử nghiệm triển khai ban đầu tiến triển rất tốt. Georgia Power hy vọng sẽ sớm thử nghiệm 10 thiết bị giai đoạn hai. Các thiết bị giai đoạn hai sẽ có cáp cho phép cắm trực tiếp vào hộp đấu nối mà hiện nay cáp điều khiển đang được cắm vào. Bộ chuyển đổi cũng sẽ có hai cầu dao chuyển mạch (bằng tay/tự động và cắt/đóng), nhờ đó có thể đóng cắt tụ điện tại chỗ.

Hiện nay, Georgia Power có hệ thống quản lý phân phối có khả năng điều khiển tập trung các tụ điện. Hệ thống quản lý phân tán sẽ được sử dụng nếu như nguồn điện phân tán thâm nhập sâu vào mạch điện khiến hệ thống phân cấp không thể vận hành hiệu quả.

Giá trị mang lại

Dự án thành công tốt đẹp, thiết bị theo dõi tụ điện AMI hiện đang được sử dụng ở khắp nơi thuộc khu vực dịch vụ của Southern Co. cũng như của nhiều công ty điện lực khác. Tại thời điểm lắp đặt, đã tiến hành kiểm tra chuẩn. Kể từ khi lắp đặt, các dữ liệu đã phát hiện một dạng rắc rối về tình trạng sức khỏe của nhiều bộ tụ điện. Nếu không có thiết bị giám sát AMI thì đã không thể phát hiện các bộ tụ điện này trước kỳ kiểm tra thường niên năm sau và các bộ tụ điện này đã không thể sử dụng được vào thời kỳ phụ tải đỉnh.

Công tơ điện AMI có thể sử dụng công nghệ truyền thông AMI bất kỳ. Hệ thống của Georgia Power sử dụng công nghệ tần số rađio lắp trên cột tháp, nhưng nếu sử dụng công nghệ mạng lưới rađio hoặc công nghệ tải ba đường dây điện thì cũng vẫn sẽ hoạt động tốt. Công ty điện lực chủ quản có thể sử dụng bất cứ hệ thống AMI nào mà công ty đang sử dụng. Thậm chí cũng có thể sử dụng cách đánh xe đi ngang qua để kiểm tra hằng tháng.

Georgia Power đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế về thiết bị giám sát tụ điện và đã được Marwell thỏa thuận cấp lixăng độc quyền chế tạo và bán các bộ chuyển đổi. Marwell cũng đã hợp tác với một công ty khác trong việc phát triển hệ thống đọc từ xa các công tơ theo dõi tụ điện dùng cho các công ty điện lực chưa bắt đầu triển khai AMI.

Nguồn: KHCNĐ