Đánh giá hiện trạng điều khiển tích hợp trong trạm biến áp của lưới truyền tải Việt Nam

Vận hành lưới truyền tải với tích hợp tỷ lệ cao nguồn năng lượng tái tạo

Hệ thống tự động hoá trạm biến áp truyền tải của Việt Nam và giải pháp phát triển

Sự phát triển của hệ thống điều khiển trạm biến áp:

Hiện nay, công nghệ điều khiển tự động hóa TBA trải qua 3 thế hệ phát triển:

Thế hệ thứ nhất: Các trạm biến áp điều khiển truyền thống, mạch dòng áp, điều khiển liên động, bảo vệ chủ yếu thực hiện thông qua các kết nối bằng cáp đồng. Điều khiển thiết bị được thực hiện thông qua khóa điều khiển tại tủ bảng. Trước những năm 60 của thế kỷ trước, việc điều khiển thiết bị trong TBA được thực hiện trực tiếp trên các thiết bị, sau đó được đưa dần vào trên các bảng trong phòng điều khiển và từ những năm 90, khi xuất hiện máy tính PC thương mại, đã được thực hiện trên máy tính.

Thế hệ thứ hai: Các trạm điều khiển tích hợp, mạch dòng áp, điều khiển, bảo vệ thực hiện thông qua kết nối bằng cáp đồng, mạch liên động được thực hiện thông qua các kết nối cứng, hoặc mềm. Điều khiển thiết bị thông qua máy tính trung tâm với giao diện người máy (Human-Machine-Interface, HMI). Thế hệ thứ hai được phân làm hai giai đoạn:

- Trước năm 2003: Các hãng sản xuất sử dụng các chuẩn và giao thức riêng để thực hiện việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị điện tử thông minh (IEDs (- Intelligent Electronic Device).

- Sau năm 2003: Chuẩn IEC 61850 ra đời, dần trở thành tiêu chuẩn chung về việc trao đổi thông tin giữa các IEDs trong TBA. Các hãng sản xuất sử dụng cùng tiêu chuẩn này, cho phép các thiết bị từ các hãng sản xuất khác nhau có thể hoạt động cùng nhau trong cùng một hệ thống điều khiển bảo vệ TBA.

Thế hệ thứ ba: Các TBA số - với đặc trưng số hóa đến mức thiết bị trong đó các tín hiệu dòng điện, điện áp, điều khiển, bảo vệ đều được chia sẻ và thực hiện thông mạng LAN TCP/IP. Điều khiển thiết bị thông qua máy tính trung tâm với giao diện HMI.

Trên lưới truyền tải điện của EVNNPT hiện nay, các TBA đã được trang bị hệ thống điều khiển tích hợp ở thế hệ thứ hai và các TBA xây dựng mới đều được trang bị hệ thống điều khiển trên cơ sở áp dụng Quy định Hệ thống điều khiển TBA 500 kV, 220 kV, 110 kV trong Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) ban hành theo Quyết định số 176/QĐ-EVN ngày 4/3/2016.

Trên thế giới, hiện nay nhiều nước đã áp dụng TBA sử dụng công nghệ tự động hóa thế hệ thứ ba - các TBA số như: Anh, Italia, Úc, Mỹ… nhưng phần lớn ở quy mô nhỏ một vài ngăn lộ, hoặc các TBA tăng áp dành cho các nhà máy năng lượng tái tạo. Theo chương trình thí điểm, hiện tại EVNNPT đang nghiệm thu và đưa vào vận hành TBA số đầu tiên trên lưới điện truyền tải với công nghệ do SIEMENS cung cấp là TBA 220 kV Thủy Nguyên với quy mô 2 máy biến áp (MBA) 220/110 kV - 250 MVA, 12 ngăn lộ 220 kV, 22 ngăn lộ 110 kV. Đây là một trong các TBA số với quy mô lớn nhất tính đến thời điểm hiện tại trên thế giới.

Hiện trạng các hệ thống điều khiển đang vận hành trên lưới truyền tải Việt Nam:

Tính đến tháng 6/2021, EVNNPT đang quản lý và vận hành 164 TBA, trong đó có 137 TBA là sử dụng hệ thống điều khiển tích hợp (ĐKTH) hoàn toàn - chiếm tỷ lệ 83,54%, còn lại 27 TBA sử dụng điều khiển truyền thống - chiếm tỷ lệ 16,46%. 

1/ Trạm biến áp áp dụng hệ thống giám sát điều khiển kiểu truyền thống [1]:

Đây là các trạm biến áp cũ, được đưa vào vận hành từ những năm 1998 trở về trước, điển hình là các trạm trên lưới truyền tải điện miền Bắc như: TBA 500 kV Hoà Bình, Hà Tĩnh; các TBA 220 kV Hà Đông, Chèm, Đồng Hoà, Ninh Bình, Ba Chè, Hưng Đông; miền Trung là các TBA 500 kV Đà Nẵng, Pleiku, TBA 220 kV Đồng Hới; miền Nam là các TBA 220 kV Long Bình, Cai Lậy... Đối với các TBA này, mức độ tự động hoá còn hạn chế, cụ thể:

- Chức năng điều khiển các thiết bị TBA bao gồm: Điều khiển đóng cắt máy cắt điện, dao cách ly (DCL) và chuyển nấc phân áp của các máy biến áp lực, trong các thao tác điều khiển nêu trên chỉ có thao tác điều khiển đóng cắt máy cắt điện là được điều khiển từ xa, từ phòng điều khiển trung tâm của trạm thông qua các nút ấn, hoặc khoá điều khiển, còn các thao tác điều khiển còn lại đối với DCL, chuyển nấc bộ điều áp dưới tải của MBA thường được thực hiện bằng tay tại thiết bị. Hạn chế này một phần do thiết bị là loại cũ, không được trang bị các chức năng điều khiển từ xa, các DCL không có truyền động bằng động cơ… Ngoài ra, còn do hệ thống mạch liên động đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị không đảm bảo an toàn khi thao tác từ xa.

- Chức năng giám sát TBA: Thường được thực hiện thông qua các bảng tín hiệu sử dụng ánh sáng và âm thanh, tín hiệu của từng ngăn lộ được bố trí và cảnh báo riêng cho từng ngăn, chức năng đo lường giám sát thông số vận hành của các đường dây, MBA cũng bố trí và trang bị riêng cho từng ngăn, chưa có hệ thống tích hợp thông tin và xử lý cảnh báo chung cho toàn trạm.

- Chức năng liên động: Đều thực hiện thông qua liên động đi dây cứng, sử dụng khối lượng lớn cáp đồng và thường gặp nhiều rủi ro kể cả trong thiết kế, thi công mạch liên động.

- Chức năng bảo vệ: Trong những năm gần đây, hầu hết các ngăn lộ từ cấp điện áp 110 kV trở lên được thay thế trang bị lại, sử dụng các hợp bộ rơle bảo vệ kỹ thuật số với các ưu điểm vượt trội so với thế hệ rơle điện cơ trước kia. 

2/ Trạm biến áp được trang bị hệ thống giám sát điều khiển bằng máy tính [2]:

Đây là các trạm biến áp mới, được đưa vào vận hành từ năm 1998 đến nay, điển hình là các trạm trên lưới truyền tải điện miền Bắc như: TBA 500 kV Thường Tín, Nho Quan; trạm 220 kV Nam Định là trạm đầu tiên trên lưới truyền tải điện miền Bắc được trang bị hệ thống giám sát, điều khiển bằng máy tính và một loạt các TBA 220 kV được đưa vào vận hành sau năm 2000 như TBA Sóc Sơn, Bắc Giang, Tràng Bạch, Phố Nối, Việt Trì, Yên Bái, Vĩnh Yên. Trạm 220 kV Mai Động là trạm được nâng cấp cải tạo từ hệ thống giám sát điều khiển truyền thống thành trạm máy tính. Tương tự lưới thuộc Truyền tải điện (TTĐ) miền Bắc, trên lưới TTĐ miền Trung và miền Nam, trong những năm qua, việc đầu tư xây dựng cũng đều đưa vào sử dụng hệ thống điều khiển giám sát trạm bằng máy tính. 

Đánh giá ưu nhược điểm các hệ thống giám sát điều khiển bằng máy tính:

Ưu điểm: 

Tính ưu việt của hệ thống điều khiển tích hợp là khả năng thu thập, xử lý và lưu trữ một lượng thông tin rất lớn với mức độ chính xác cao về mặt thời gian nhờ ứng dụng công nghệ thông tin. Cụu thể:

- Hiển thị đầy đủ dữ liệu (tương tự như trên các tủ Control Panel, Relay Panel đối với dạng thiết kế truyền thống) trên màn hình (HMI); thu thập dữ liệu; thông tin sự cố; truy cập trực tiếp vào thiết bị IDE, I/O tại phòng điều khiển khi cần thiết. Ngoài ra, hệ thống điều khiển tích hợp còn được xây dựng cho phép người sử dụng theo dõi, kiểm tra, thao tác ở nhiều mức khác nhau: Mức tại điều độ; mức tại phòng điều hành và điều khiển ở mức ngăn, vì vậy, khả năng dự phòng khi một trong các mức bị trục trặc rất cao. Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu từ xa (SCADA), có khả năng trao đổi thông tin rộng rãi toàn hệ thống và xây dựng trạm không người trực trong tương lai.

- Về lâu dài, có thể thực hiện những chương trình thao tác tự động như tự động cô lập tụ bù dọc, ghi thông số vận hành tự động; khả năng có thể thực hiện các chương trình thao tác tự động chuyển thanh cái, chuyển ngăn lộ, chương trình kiểm soát vận hành quá tải máy biến áp; quản lý và lưu trữ cảnh báo, dữ liệu sự kiện; truy cập bảo trì từ xa; kỹ thuật kết nối dựa trên các ứng dụng trình duyệt Web cho phép truy cập trực tiếp các thiết bị từ xa để lấy dữ liệu cần thiết thông qua mạng diện rộng; thực hiện liên động bằng phần mềm (liên động mềm) tăng tính linh hoạt trong vận hành đối với các sơ đồ kết dây khác nhau của trạm, đảm bảo an toàn thao tác và giảm đáng kể lượng cáp điện để đấu nối cho chức năng liên động (nhất là trường hợp kết nối liên động đi dây cứng toàn trạm); điều khiển và tín hiệu. 

Tồn tại: 

- Trước những năm 2010, một số thiết bị chưa được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEC61850 nên việc tích hợp các chủng loại thiết bị khác nhau vào hệ thống rất khó khăn. Đơn vị quản lý vận hành không thể thực hiện được việc cải tạo, nâng cấp, mở rộng so với thiết kế ban đầu.

- Việc giảm cáp đồng nhị thứ lại nảy sinh vấn đề mới về vị trí, cách thức lắp đặt các bộ rơle bảo vệ và khối điều khiển ngăn lộ như thế nào, đặt trong các tủ riêng của từng ngăn lộ, hay gom một số ngăn vào một kiosk. Yêu cầu cho các tủ điều khiển bảo vệ ngăn lộ ngoài trời, kiosk ngoài trời như thế nào để phù hợp với môi trường nhiệt đới độ ẩm cao, đảm bảo độ an toàn vận hành thiết bị.

- Mục tiêu tăng tính linh hoạt của sơ đồ bằng điều khiển xa, liên động mềm lại gặp khó khăn về vấn đề đồng bộ thiết bị khi mở rộng ghép nối thiết bị ngăn lộ mới vào hệ thống hiện hữu (điều này hoàn toàn không khó khăn gì đối với các trạm điều khiển truyền thống). Vấn đề không chỉ liên quan đến việc ghép nối bổ sung thiết bị mới mà việc thay thế thiết bị hiện hữu bị hư hỏng cũng gặp không ít khó khăn do thiết bị được mua thay không trùng đời (trùng version phần mềm). Vấn đề này đòi hỏi chúng ta phải tự làm chủ được công nghệ.

- Tủ điều khiển, bảo vệ lắp đặt ngoài trời: Một số trạm thiết kế tủ không phù hợp môi trường nhiệt đới, độ ẩm cao… dẫn đến thường xuyên hư hỏng các thiết bị. Ngoài ra, không tạo điều kiện tốt đối với con người trong kiểm tra định kỳ, bảo dưỡng thiết bị tủ điều khiển. 

Đến nay, trong 137 TBA được trang bị hệ thống ĐKTH, có một số TBA được trang bị 2 hệ thống điều khiển vận hành song song với nhau. Số lượng các hệ thống điều khiển đang vận hành như sau:

Thị phần các nhà cung cấp hệ thống ĐKTH trạm trên lưới truyền tải EVNNPT như sau:

Đối với mỗi nhà sản xuất, hệ thống điều khiển máy tính được cũng được chia ra làm nhiều thế hệ khác nhau. Theo ghi nhận tại các TBA đang vận hành trên lưới điện truyền tải, các hệ thống điều khiển bao gồm tổng cộng khoảng 16 loại hệ thống điều khiển khác nhau [1]:

Một số khó khăn trong quản lý vận hành hệ thống điều khiển trạm biến áp:

Với số lượng hệ thống điều khiển đa dạng, công tác quản lý vận hành và làm chủ công nghệ thực sự đối mặt với khó khăn và thách thức rất lớn:

Thứ nhất: Đối với các hệ thống ĐKTH cũ như LSA, Pyramid: Các hệ thống ĐKTH này hiện đã không còn được nhà sản xuất hỗ trợ kỹ thuật, các TBA sử dụng hệ thống LSA đã có dự án nâng cấp lên hệ thống ĐKTH theo quy định tại Quyết định số 176/QĐ-EVN ngày 04/03/2016.

Thứ hai: Đối với các hệ thống gần đây: HTĐK phiên bản cũ được cài đặt trên các hệ điều hành cũ và không còn được hỗ trợ nên các đơn vị gặp nhiều khó khăn trong quá trình thay thế, sửa chữa.

Thứ ba: Năng lực của EVNNPT hiện mới làm chủ được một số HTĐK và có khả năng hiệu chỉnh một phần đối với một số hệ thống khác nên EVNNPT vẫn phụ thuộc nhiều vào nhà cung cấp khi cần xử lý các tình huống khiếm khuyết phát sinh.

Thứ tư: Do phụ thuộc và các nhà cung cấp, nên đối với các dự án nâng cấp mở rộng, thường bị nhà thầu chào giá cao hơn nhiều giá thực tế cho một vài ngăn (đường dây, hoặc MBA) vì chỉ có nhà thầu đã cung cấp HTĐK hiện hữu mới có thể thuận lợi thực hiện gói thầu mở rộng.

Thứ năm: Theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh, tổng số TBA truyền tải EVNNPT đưa vào vận hành tính đến năm 2030 khoảng 373 trạm, tăng hơn gấp 2 lần so với tổng số TBA hiện tại. Các TBA mới đều là trạm ĐKTH, hoặc TBA số và sẽ chuyển sang thực hiện trạm biến áp không người trực, nên việc làm chủ và phát triển hệ thống tự động hóa, hệ thống giám sát TBA là một yêu cầu cấp thiết của EVNNPT.

Kỳ tới: Làm chủ công nghệ điều khiển tích hợp trạm biến áp: Thách thức và giài pháp

HỘI ĐỒNG KHOA HỌC TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Tài liệu tham khảo:

[1] EVNNPT:  “Các Báo cáo đánh giá công tác quản lý vận hành, quản lý kỹ thuật và đầu tư hệ thống ĐKTH TBA. Đánh giá về khả năng, năng lực đơn vị trong việc tích hợp hệ thống ĐKTH TBA. Các khó khăn, vướng mắc và đề xuất, kiến nghị; Các Tài liệu tham luận tại hội nghị chuyên sâu quản lý vận hành hệ thống điều khiển tích hợp Trạm biến áp - EVNNPT”, tháng 4/2013.

[2] NGUYỄN THÁI SƠN: “Hệ thống tự động hoá Trạm biến áp lưới điện truyền tải” – Chuyên san Khoa học và Công nghệ, số 1- 4/2010.

[3] EVNNLDC - “Báo cáo Tổng kết vận hành hệ thống điện quốc gia năm 2020”, tháng 1/2021