Hệ thống điện thông minh Smart Grid

Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật đo lường, điều khiển thông minh và hệ thống truyền thông hiện đại dựa trên nền tảng kỹ thuật số tích hợp tất cả các lĩnh vực hoạt động trong hệ thống điện tạo nên Hệ thống điện thông minh (Smart Grid) với các tính năng nổi trội nhằm mục tiêu:

- Thoả mãn yêu cầu ngày càng tăng của thực tế.

- Nâng cao độ tin cậy, an toàn và đảm bảo cung cấp điện.

- Hiệu quả cao trong sản xuất, truyền tải, phân phối, tiết kiệm điện.

- Sử dụng rộng rãi các nguồn năng lượng tái tạo.

- Giảm thiểu các tác động ảnh hưởng tới môi trường.

Bài viết sau đây giới thiệu những đặc điểm cơ bản của hệ thống này.

Lịch sử hình thành Hệ thống điện thông minh

Hệ thống điện xoay chiều đã hình thành và phát triển từ năm 1896 dựa trên thiết kế của Nikola Tesla vào năm 1888. Nhiều quy trình công nghệ trong hệ thống điện ra đời cách đây 120 năm đến nay vẫn còn được sử dụng. Hệ thống điện bao gồm các nguồn điện, các đường dây truyền tải và phân phối đến từng hộ tiêu thụ bao phủ toàn bộ lãnh thổ quốc gia và kết nối đa quốc gia. Yêu cầu sử dụng điện tăng liên tục trong khi các nguồn năng lượng sơ cấp truyền thống bị dần cạn kiệt. Hệ thống điện đang đứng trước thách thức nhiều mặt, nhiều tình huống xung đột xuất hiện đòi hỏi điện năng tăng đột biến trong những thời điểm đặc biệt (ngày lễ tết, khí hậu thời tiết...) khiến nhiều hệ thống truyền tải và phân phối làm việc gần giới hạn cực đại, phát sinh nguy cơ rã lưới.

Qua hơn một thế kỷ tồn tại và phát triển, công nghệ trong hệ thống điện trải qua các giai đoạn:

- Từ giai đoạn khởi đầu cho đến những năm 70 của thế kỷ trước, trong hệ thống công nghệ điện cơ hoàn toàn chiếm ưu thế. Kỹ thuật đo lường, điều khiển và bảo vệ là kỹ thuật tương tự dựa trên các dụng cụ đo, rơle và các phần tử chấp hành điện cơ.

- Từ những năm 80 của thế kỷ trước với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ vi xử lý, xu hướng số hoá trong đo lường, điều khiển và bảo vệ hệ thống điện đã dần thắng thế. Việc hiện đại hoá các trạm truyền tải và phân phối đầu tiên đựa trên việc đo lường, hiển thị và điều khiển điện tử xuất hiện từ những năm 1980.

- Từ năm 2000 với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi xử lý, hệ thống truyền thông kỹ thuật số dựa trên truyền dẫn bằng cáp quang, truyền thông qua mạng Internet và hệ thống định vị toàn cầu GPS đã thâm nhập vào hệ thống điện.

Thuật ngữ hệ thống điện thông minh (Smart Grid) xuất hiện đầu tiên vào năm 2005, khi bài báo “ Hướng tới hệ thống điện thông minh” của S. Massoud Amin và Bruce F. Wollenber xuất hiện trên IEEE P&E (tập 3, N0 5, trang 34-41). Thực ra thuật ngữ này đã xuất hiện sớm hơn, vào năm 1998, khi nhiều định nghĩa về lưới điện thông minh với một số chức năng và định hướng sử dụng được công bố. Yếu tố chung nhất của hệ thống điện thông minh là việc tham gia của kỹ thuật vi xử lý và truyền thông kỹ thuật số vào các hoạt động điều độ vận hành và quản lý hệ thống điện. Các công ty điện lực tiến hành thay đổi nâng cấp cấu trúc hạ tầng. Trước hết là các trạm phân phối kỹ thuật số hoàn toàn tự động. Các dụng cụ đo thông minh bổ sung hệ thống truyền thông cho phép hiển thị các thông số trạng thái của hệ thống điện tại từng vị trí và từng thời điểm. Việc quản lý nhu cầu phụ tải trở nên linh hoạt hơn. Các thiết bị điện công nghiệp và dân dụng như máy điều hoà nhiệt độ, lò sưởi... có thể được tự động điều chỉnh chế độ làm việc để tránh giờ cao điểm. Từ năm 2000, tại Italia dự án quản lý các thiết bị điện từ xa Telegestore là hệ thống lớn đầu tiên quản lý 27 triệu hộ sử dụng công tơ thông minh kết nối qua đường dây tải điện băng thấp. Dự án trị giá 2,1 tỷ Ơ rô này hàng năm có thể tiết kiệm 500 triệu Ơ rô.

Gần đây các dự án sử dụng truyền thông qua đường dây tải điện băng rộng hoặc mạng không dây cho phép kết nối trong điều kiện tin cậy hơn cho hệ thống cấp điện, ga và nước. Năm 2003 tại Austin, Texas đã xây dựng mạng thông minh nhằm thay thế 1/3 công tơ thông minh kết nối qua lưới quản lý 200.000 thiết bị (công tơ, cảm biến nhiệt và các cảm biến) và dự kiến quản lý tới 500.000 thiết bị thời gian thực năm 2009 phục vụ khoảng 1 triệu hộ và 43.000 doanh nghiệp. Hệ thống thông minh ở Ontario - Canada đến năm 2010 phục vụ 1,3 triệu khách hàng.

Từ năm 1990 cơ quan quản lý điện của Bonneville Hoa Kỳ đã mở rộng nghiên cứu lưới thông minh trong đó tích hợp các cảm biến có khả năng phân tích nhanh các hiện tượng bất thường về chất lượng điện trên diện rộng.

Tại Hoa Kỳ, quan niệm về hệ thống điện thông minh được xác định theo yêu cầu hiện đại hoá hệ thống truyền tải và phân phối điện để nâng cao độ tin cậy và an toàn của cấu trúc hạ tầng ngành điện nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển trong tương lai theo các đặc trưng của hệ thống điện thông minh.

Năm 2009, Tổng thống Barack Obama yêu cầu Quốc hội Mỹ thông qua không chậm trễ dự luật tăng gấp đôi năng lượng tái tạo và xây dựng hệ thống điện thông minh trong vòng 3 năm tới.

(Ảnh minh họa)

Hệ thống điện thông minh là gì?

Về nguyên tắc hệ thống điện thông minh là sự nâng cấp và cập nhật hệ thống điện hiện có bằng công nghệ đo lường, điều khiển và bảo vệ kỹ thuật số với hệ thống truyền thông hiện đại nhằm đáp ứng nhu cầu về độ tin cậy, an toàn, chất lượng điện, tiết kiệm năng lượng.

Tuy nhiên, chức năng cơ bản của hệ thống điện thông minh không phải là việc tích hợp các mạng đơn lẻ và các công ty phát điện với trình độ công nghệ khác nhau. Nó tăng cường kết nối, nâng cao trình độ tự động hoá và điều phối các nhà cung cấp, các hộ tiêu thụ và lưới điện nhằm thực hiện nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện trên phạm vi rộng cũng như cục bộ. Hệ thống điện thông minh phải có khả năng tự duy trì hoạt động trước các thay đổi bất thường.

Lưới truyền tải cự ly xa và trung bình nói chung được kết nối bằng hệ thống siêu cao áp 500 kV, 220 kV, lưới địa phương qua đường dây 110 kV và thấp hơn. Kỹ thuật số cho phép trên cùng một thiết bị phần cứng có thể thực hiện nhiều chức năng điều khiển khác nhau, vấn đề chỉ cần thay đổi phần mềm.

Các kỹ thuật điều khiển thông minh dựa trên cơ sở trí tuệ nhân tạo đã được phát triển đem lại cho hệ thống điện các tính năng nổi trội. Các ưu điểm cơ bản của hệ thống điện thông minh là:

- Dễ dàng kết nối và đảm bảo vận hành cho tất cả các nguồn điện với các kích cỡ và công nghệ khác nhau, kể cả các nguồn điện phân tán như các nguồn năng lượng tái tạo, làm cho toàn bộ hệ thống vận hành hiệu quả hơn.

- Cho phép các hộ dùng điện chủ động tham gia vào việc vận hành tối ưu hệ thống, làm cho thị trường điện phát triển.

- Cung cấp cho các hộ dùng điện đầy đủ thông tin và các lựa chọn nguồn cung cấp.

- Giảm thách thức về môi trường của hệ thống điện một cách đáng kể.

- Nâng cao độ tin cậy, chất lượng và an toàn của hệ thống cung cấp điện.

- Duy trì và cải tiến các dịch vụ hiện hành một cách hiệu quả.

Các bước cần thực hiện nhằm tiến tới một hệ thống điện thông minh

Để tiến tới một hệ thống điện thông minh cần hiện đại hoá cả lưới truyền tải và phân phối theo hướng tăng cường hệ thống truyền thông, điều khiển kỹ thuật số. Mặt khác các thiết bị điện như động cơ, dụng cụ chiếu sáng... cũng phải là thiết bị có hiệu suất cao, thông minh cho phép thực hiện các chiến lược vận hành linh hoạt theo sự thay đổi của điều kiện thực tế.

- Tăng cường sử dụng công nghệ thông tin và điều khiển kỹ thuật số để nâng cao độ tin cậy, an toàn và hiệu quả của hệ thống điện.

- Vận hành tối ưu toàn hệ thống.

- Tích hợp các nguồn phân tán, kể cả các nguồn năng lượng tái tạo.

- Triển khai công nghệ thông minh (công nghệ thời gian thực, tự động hoá, tương tác...) nhằm tối ưu hoá vận hành các thiết bị. Việc tích hợp các thiết bị thông minh cho phép sử dụng thông tin thời gian thực lấy từ các cảm biến và hệ thống điều khiển tự động cho phép phát hiện và xử lý mọi bất thường của hệ thống.

Công tơ thông minh nhiều biểu giá khuyến khích khách hàng sử dụng điện năng một cách tiết kiệm. Nó làm thay đổi hành vi của các hộ tiêu thụ trong việc sử dụng năng lượng. Các cảm biến thông minh cho phép tự động điều khiển các thiết bị như điều hoà nhiệt độ, lò sưởi, hệ thống ánh sáng một cách hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

- Triển khai và tích hợp công nghệ dự trữ điện, nạp điện cho các ô tô điện, san bằng đồ thị phụ tải, dự trữ nhiệt và điều hoà không khí.

- Dự báo phụ tải dài hạn.

- Triển khai tiêu chuẩn hoá thiết bị và giao thức kết nối hệ thống thông tin với hệ thống điện.

Công nghệ của hệ thống điện thông minh

- Vể truyền thông nói chung các công nghệ ứng dụng trong hệ thống điện thông minh đã được cập nhật, đáp ứng tốt cho việc vận hành hệ thống điện thông minh, trong đó nhấn mạnh hệ thống thông tin tích hợp. Tuy nhiên một số hệ thống được phát triển theo yêu cầu sử dụng gia tăng nhưng không hoàn toàn tích hợp.

Các dữ liệu được thu thập qua modem hơn là kết nối trực tiếp với lưới. Các khu vực được cải tiến bao gồm: tự động hoá hoàn các trạm, tự động hoá phân tán, hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA, hệ thống quản lý phụ tải, mạng không dây, truyền thông qua đường dây tải điện, mạng cáp quang... Các hệ thống thông tin này cho phép điều khiển thời gian thực, thông tin và dữ liệu trao đổi nhằm tối ưu hoá độ tin cậy, đánh giá việc sử dụng và an toàn.

- Cảm biến và đo lường là cốt lõi của việc đánh giá tình trạng làm việc của hệ thống như hiện tượng tắc nghẽn và sự ổn định của hệ thống, chỉ báo trạng thái, đưa ra các chiến lược điều khiển. Các công nghệ gồm có dụng cụ thông minh dựa trên bộ vi xử lý, rơle bảo vệ kỹ thuật số, thiết bị đọc dữ liệu, hệ thống hiển thị bảng giá trực tuyến, người sử dụng có thể có nhiều lựa chọn để tránh giờ cao điểm.

- Các cảm biến thông minh tốc độ cao PMU phân bố trong mạng có thể được sử dụng để chỉ thị chất lượng điện và một số đáp ứng một cách tự động. Các cảm biến này có thể đưa ra dạng sóng dòng điện. Từ năm 1980, xung nhịp đồng hồ từ hệ thống định vị toàn cầu GPS có thể được sử dụng để đo chính xác thời gian trong lưới, có khả năng quản lý hệ thống điện đáp ứng các điều kiện tác động nhanh.

- Các linh kiện tiên tiến như các bộ điện tử công suất, bộ lưu trữ điện và các linh kiện chẩn đoán đã làm thay đổi các khả năng và đặc tính của hệ thống. Hệ thống điện xoay chiều linh hoạt, truyền tải điện một chiều cao áp, hệ thống nguồn phân tán, cáp siêu dẫn...

- Điều khiển nâng cao: Tự động hoá hệ thống điện có khả năng dự đoán nhanh chóng và chính xác các giải pháp cho lưới điện. Ba công nghệ điều khiển nâng cao được sử dụng là tác từ thông minh phân tán, các công cụ phân tích (thuật toán phần mềm và máy tính tốc độ cao), các ứng dụng (SCADA, tự động hoá trạm, đáp ứng tải) và trí tuệ nhân tạo.

Các tiêu chuẩn cho hệ thống điện thông minh

- IEC TC 75 tạo nên họ tiêu chuẩn quốc tế có thể sử dụng như một phần hệ thống điện thông minh. Các tiêu chuẩn này bao gồm IEC 1850 kiến trúc trạm tự động hoá, IEC 61970/91968 mô hình thông tin chung cung cấp thông tin sử dụng chuyển đổi dữ liệu trong thông tin.

- MultiSpeak tạo nên quy chuẩn nền tảng chức năng phân phối của hệ thống thông tin.

- IEEE đã tạo nên tiêu chuẩn C37.118 dùng cho các pha đồng bộ.

- NIST gồm ITU-TGhn một tiêu chuẩn nhận dạng các lập hệ thống điện thông minh truyền thông tốc độ cao qua đường dây tải điện, đường điện thoại và cáp đồng trục.

Nhiều quan niệm khác nhau đã được sử dụng để mô hình hoá hệ thống điện thông minh. Nói chung các nghiên cứu tập trung vào hệ thống phức tạp trong bối cảnh điều khiển tối ưu, ảnh hưởng môi trường, yếu tố con người, hệ thống động, lý thuyết thông tin đám mây...

 PGS. Lê Văn Doanh,  Ks. Nguyễn Thị Nguyệt
(Nguồn: automation.net.vn)