Phương pháp tiết cận thông minh trong thiết kế điện

Các cổ đông của ngành điện ngày càng lo ngại về tình thế hiện nay của các doanh nghiệp điện nói chung cũng như cơ sở hạ tầng thuộc trách nhiệm của họ. Hệ thống cung cấp điện năng hiện có đang ngày một già cỗi, phải vận hành căng thẳng, nhiều khi không được duy tu bảo dưỡng tốt và phải vận hành không theo như thiết kế ban đầu. Từ những năm 70 của thế kỷ trước, các cổ đông của ngành điện năng đã bị phân hoá, những cam kết cho các kế hoạch dài hạn và đầu tư phát triển ngành bị sói mòn, và sự tín nhiệm đối với ngành điện bị ảnh hưởng.

Do thiếu đầu tư cho cơ sở hạ tầng xung yếu và nhu cầu phụ tải tăng vọt, hệ thống điện đang phải làm việc căng thẳng hết mức .Trong thập kỷ trước, mức tăng trưởng nhu cầu điện năng của Mỹ đã vượt quá công suất truyền tải mới trên 15 %. Ngoài ra, các công nghệ trên cơ sở vi xử lý đã làm thay đổi về căn bản bản chất của phụ tải điện, kết qu ả là nhu cầu phụ tải không tương thích với hệ thống điện vốn được xây dựng nhằm đáp ứng yêu cầu của nền kinh tế dựa trên công nghệ analog. Điều đó đã đặt ra những vấn đề mới về chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện, khiến ngành công nghiệp và xã hội Mỹ bị thiệt hại hơn 100 tỷ USD mỗi năm.

MỤC ĐÍCH CỦA INTELLIGRID

IntelliGrid Consortium là sự cộng tác giữa những người đứng đầu ngành năng lượng, ngành công nghệ cao và chính phủ Mỹ, cùng làm việc để giải quyết những vấn đề nêu trên và bắt tay vào phát triển một hệ thống điện thông minh, có khả năng tự hàn gắn.

Cơ sở của hệ thống mới này chính là cấu trúc IntelliGrid, một cấu trúc tham khảo toàn diện, dựa trên cơ sở các hệ thống mở. Nó sẽ tích hợp các thiết bị thông minh và các mạng truyền thông dữ liệu thành một hệ thống máy tính phân bố rộng khắp trong toàn ngành điện. Nó là nền móng cơ bản để nâng cao năng lực của hệ thống.

Các thành phần của hệ thống này đã được ứng dụng tại một số công ty điện lực, song vẫn có sự khác biệt lớn về năng lực và tính tương thích trong toàn hệ thống điện. Nhìn chung, việc tích hợp và phối hợp hệ thống chưa được thực hiện trên quy mô đủ lớn để có thể xử lý các vấn đề nghiêm trọng mà lưới điện đang phải đối mặt, điều này được minh hoạ rõ ràng khi phân tích các vụ mất điện đã xảy ra.

Trước đây, phát triển hệ thống phân phối điện năng vẫn được xem là ưu tiên hàng đầu. Chính vì thế, cấu trúc IntelliGrid nhằm tích hợp hai hệ thống trong ngành điện: hệ thống cung cấp điện năng và năng lượng và hệ thống thông tin (cùng với các thiết bị truyền thông, mạng liên kết và các thiết bị thông minh) điều khiển hệ thống cung cấp nói trên. Hai hệ thống đó cần phải được phát triển song song.

Hình 2. Một số công ty điện lực giờ đây đã hưởng lợi từ các công cụ phương pháp luận và các khuyến nghị của IntelliGrid.

Để duy trì được dòng điện an toàn, đáp ứng yêu chất lượng thiết bị kỹ thuất số, độ tin cậy và khả dụng cao, IntelliGrid phải liên tục tự giám sát và tự hiệu chỉnh. Trường hợp xảy ra sự cố cắt điện, hệ thống này cần cho phép khôi phục nhanh chóng hệ thống cung cấp điện và các thị trường. Đồng thời, IntelliGrid phải có khả năng bảo mật các thông tin kinh doanh và thông tin về khách hàng.

CẤU TRÚC HỆ THỐNG

Cơ sở hạ tầng thông tin hiện nay của ngành năng lượng đang gặp nhiều trở ngại vì các hệ thống di sản, các giao thức sở hữu riêng, các ứng dụng đan chen và các giao diện phi tiêu chuẩn. Mớ bòng bong này cản trở việc mở rộng và nâng cấp các hệ thống máy tính, các phần mềm ứng dụng và thiết bị mới. Do vậy, Cấu trúc IntelliGrid khuyến nghị một cách tiếp cận nhằm bổ sung các ứng dụng mới tích hợp, và thay thế mớ hỗn độn các giao diện di sản bằng các giao diện thông dụng, cung cấp các giải pháp với chi phí thấp hơn một khi cơ sở hạ tầng thông tin phát triển thêm về quy mô và độ phức tạp.

Cấu trúc IntelliGrid sẽ mang lại lợi ích cho ngành điện:

·Tiết kiệm vốn đầu tư do các linh kiện đã được chuẩn hoá, có thể mua trên thị trường với giá cạnh tranh;

·Tiết kiệm theo chu kỳ tuổi thọ nhờ giảm chi phí bảo dưỡng vì đã được chuẩn hoá;

·Giảm bớt các thiết bị đan chen từ những hệ thống có thể tích hợp;

·Có khả năng quản lý nhịp độ phát triển, tiến lên từng bước, tiến tới mở rộng theo quy mô lớn;

·Giảm chi phí phát triển hệ thống;

·Độ ổn định cao thông qua các cách tiếp cận có cấu trúc trong việc quản lý hệ thống.

·Cho phép thực hiện bảo vệ liên tục và đầy đủ ngành điện.

Về cơ bản, cấu trúc IntelliGrid là một tập hợp các khái niệm ở cấp cao được sử dụng để thiết kế nên một cấu trúc độc lập đối với công nghệ, cũng như để nhận biết và đề xuất những công nghệ chuẩn và những qui trình thực hiện tốt nhất. Các mô hình đối tượng và các nguyên tắc lập mô hình được sử dụng để đặt tên chuẩn cho các dữ liệu và mô tả mối quan hệ giữa các dữ liệu, các format dữ liệu và sự tương tác giữa chúng theo những cách đã được chuẩn hoá. Việc quản lý mạng và hệ thốngđược sử dụng để giám sát và điều khiển cơ sở hạ tầng thông tin theo cách giống như đối với việc giám sát và điều khiển hệ thống điện. Các công nghệ quản lý dữ liệu và các qui trình thực hiện tốt nhất sẽ đảm bảo được tính chính xác của dữ liệu trong các hệ thống phân tán bởi vì tự động hoá được sử dụng nhiều hơn.

Để quản lý tính đa dạng của các hệ thống và sự chuyển dịch về các hệ thống sử dụng các giao diện chuẩn, cấu trúc mới đó phải theo cách tiếp cận độc lập đối với công nghệ. Ngành năng lượng, ngoài một số yêu cầu về thông tin mang tính đặc thù thì cũng có những yêu cầu về thông tin giống như các ngành công nghiệp khác. Vì thế, Cấu trúc IntelliGrid không thể khuyến nghị một tập hợp duy nhất các công nghệ chuẩn có thể áp dụng rộng khắp trong toàn ngành. Thay vào đó, cấu trúc IntelliGrid phân chia những yêu cầu đặc thù đó thành một loại riêng gọi là các môi trường của cấu trúc IntelliGrid, mỗi môi trường đó sẽ được xác định tuỳ theo các yêu cầu chung của chúng và đưa ra các chuẩn phù hợp cho từng môi trường.

Kết quả của dự án Cấu trúc IntelliGrid bao gồm một loạt các tài liệu có thể in ấn, các mô hình trên máy tính vàcác trang siêu văn bản thể hiện trên trình duyệt web. Các khía cạnh then chốt cùng với các môi trường và mối liên kết của chúng với các công nghệ chuẩn đều được kết hợp lại thành một công cụ lập mô hình. Các công cụ và thông tin đó, cùng với các ví dụ về các công ty điện lực, có thể lấy trên trên website www.epri -intellỉgid.com.

MỞ ĐƯỜNG ĐỂ LƯỚI ĐIỆN TIẾN HOÁ

Cần phải có một số công nghệ trợ giúp thiết yếu để giúp IntelliGrid tiến hoá, cụ thể là: tự động hoá, cấu trúc truyền thông, nguồn năng lượng phân bố, các bộ điều khiển kiểu điện tử công suất, các công cụ phục vụ cho thị trường điện, cải tiến công nghệ và EnergyPort. Các mặt của một số công nghệ trên đang được phát triển, số còn lại cần có những hỗ trợ thêm nữa để tiếp tục nghiên cứu.

EnergyPort là cổng giao tiếp với khách hàng, hiện tại vẫn chỉ là chiếc công tơ điện, nhưng theo cấu trúc trong tương lai, cổng sẽ cho phép các tín hiệu về giá, các quyết định, các thông tin liên lạc truyền đến và đi thông qua cổng hai chiều. Đó chính là công nghệ then chốt, dẫn đến hình thành một thị trường điện bán lẻ vận hành đầy đủ, với khách hàng nhạy bén với các tín hiệu thay đổi về giá cả (thông qua các bộ vi xử lý).

Energy Port sẽ cho phép quản lý và bảo mật các thông tin liên lạc giữa thiết bị của khách hàng và các đơn vị dịch vụ năng lượng và/hoặc các đơn vị truyền thông. Với việc bổ sung thêm một số đặc tính về quản lý, EnergyPort sẽ thực hiện nhiệm vụ liên quan chặt chẽ với các router, các cổng giao tiếp để cho phép nối mạng các ứng dụng trong toàn ngành.

EnergyPort có một số năng lực đặc biệt bao gồm các qui trình định giá và lập hoá đơn để hỗ trợ cho việc định giá theo thời gian thực.

Đối với các công ty điện lực, việc quản lý năng lượng tiêu thụ của khách hàng nhờ vào các hệ thống quản lý năng lượng tại chỗ rất tinh vi được quản lý thông qua cổng EnergyPort sẽ cho phép cải thiện các hoạt động hệ thống theo thời gian thực, bao gồm việc điều độ, đáp ứng nhu cầu phụ tải và xác định tổn thất. Những dữ liệu đó cũng sẽ tạo điều kiện nâng cao khả năng dự báo phụ tải ngắn hạn và lập kế hoạch dài hạn. Về phía khách hàng, cổng EnergyPort sẽ có khả năng quản lý các dịch vụ giá trị gia tăng, cụ thể như kiểm tra hoá đơn, yêu cầu dịch vụ, các dịch vụ trong trường hợp khẩn cấp và khi bị mất điện, theo dõi chất lượng điện và đưa ra các chẩn đoán.

Cổng EnergyPort cũng là bước tiến quan trọng để phát triển việc kết nối kiểu “cắm vào là chạy” hết sức đơn giản tiện dụng, áp dụng cho các nguồn năng lượng phân bố. Các trạm phát điện nhỏ và các thiết bị tích trữ điện năng phân bố trên khắp hệ thống phân phối điện và được kết nối với hệ thống điện sẽ giúp củng cố cơ sở hạ tầng cung cấp điện năng với chất lượng điện năng cao, dịch vụ khách hàng đa dạng, cung cấp cho khách hàng điện năng chất lượng tốt hơn, chi phí thấp. Các công nghệ tích trữ năng lượng phân bố nhằm giải quyết vấn đề kém hiệu quả do thực tế điện năng được sản xuất ra bao nhiêu thì phải tiêu thụ hết bấy nhiêu. Tuy nhiên, việc tích hợp các thiết bị đó vào trong hệ thống cung cấp điện năng, và sau đó theo dõi và điều phối chúng một cách hiệu quả còn gặp rất nhiều khó khăn, thách thức.

Tự động hoá sẽ giữ vai trò then chốt trong việc đảm bảo độ tin cậy và chất lượng cao, đồng thời nâng cao độ an toàn và cung cấp đầy đủ các dịch vụ năng lượng cho khách hàng. Về phía khách hàng, tự động hoá có thể có nghĩa là nhận được tín hiệu về giá điện từng giờ, các tín hiệu này có thể tự động hiệu chỉnh việc chỉnh định các thiết bị điều nhiệt trong nhà thông qua cổng EnergyPort. Đối với điều độ viên hệ thống phân phối, tự động hoá có thể hiểu là trong trường hợp khẩn cấp, tự động cô lập một phần của hệ thống phân phối có sẵn nguồn năng lượng phân tán lắp đặt tại chỗ. Còn với các kỹ sư điều hành hệ thống điện, tự động hoá có thể hiểu là hệ thống cung cấp điện có khả năng tự phục hồi, vận hành tối ưu, tự động tiên đoán và phản ứng nhanh với các nhiễu loạn nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của chúng, giảm thiểu hoặc loại trừ các trường hợp cắt điện.

Cấu trúc truyền thông tiêu chuẩn trước tiên phải được phát triển và dựa trên hệ thống cung cấp điện hiện có. Cấu trúc hệ thống truyền thông kết hợp chuyên tải điện là cấu trúc hệ thống dựa trên các chuẩn mở dùng cho việc trao đổi dữ liệu và làm cơ sở hạ tầng tính toán phân tán.

Với các thiết bị linh kiện điện tử bán dẫn, các bộ điều khiển điện tử công suất cho phép điều khiển hệ thống cung cấp điện một cách nhanh chóng và chính xác như một bộ vi xử lý. Các bộ điều khiển đó cho phép người vận hành hệ thống điện hướng dòng công suất truyền theo các tuyến cụ thể, có nghĩa là dòng điện năng thực tế có thể ngày một trùng khớp hơn với các giao dịch buôn bán điện năng. Các bộ điều khiển đ iện tử công suất có thể nâng đáng kể công suất truyền tải điện bằng cách loại trừ những điểm tắc nghẽn, mở rộng quy mô thị trường phát điện cạnh tranh.

Để thích nghi với những thay đổi trên thị trường điện bán lẻ, cần phải có các cơ chế dựa trên cơ sở thị trường để khuyến khích các bên tham gia thị trường, sao cho tất cả các cổ đông đều có lợi, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng các kế hoạch hiệu quả nhằm mở rộng cơ sở hạ tầng cung cấp điện năng, phân bố một cách hiệu quả các rủi ro và kết nối các hộ tiêu thụ với thị trường điện. Ví dụ, các nhà cung cấp dịch vụ cần có phương pháp luận mới trong việc thiết kế các chương trình dịch vụ bán lẻ cho các hộ sử dụng điện. Đồng thời, khách hàng cần giúp tìm ra các phương cách để họ có thể tham gia thị trường một cách có lợi bằng việc cung cấp các phụ tải điện có thể cắt giảm hay điều độ được, nhất là cung cấp nguồn dự phòng cho hệ thống.

SỬ DỤNG CÁCH TIẾP CẬN INTELLIGRID

Cấu trúc IntelliGrid vẫn đang trong giai đoạn triển khai, tuy nhiên các công ty điện lực có thể tự xác định vị trí của mình ngay từ bây giờ để có thể phát huy đầy đủ tác dụng của nó trong tương lai. Họ có thể chính thức chọn cấu trúc đó như là một tầm nhìn chiến lược cho cơ sở hạ tầng thông tin của công ty và đảm bảo để những người sau này sẽ sử dụng cấu trúc này có thể hiểu được cách sử dụng cấu trúc đó và áp dụng được mô tả chức năng những khái niệm cao cấp.

Cũng như với bất kỳ một hệ thống mới nào, điều cần thiết là phải xây dựng kế hoạch thực thi cấu trúc độc lập về mặt công nghệ bằng cách sử dụng các công nghệ chuẩn được khuyến nghị, căn cứ theo nhu cầu kinh doanh, khuôn khổ thời gian thích hợp và khả năng tài chính. Cũng phải lên kế hoạch dịch chuyển các hệ thống di sản và các giao diện theo hướng phù hợp với cấu trúc IntelliGrid.

Hiện nay có những cơ hội rất lớn để đổi mới công nghệ nhằm nâng cao độ tin cậy, độ an toàn và giá trị của điện năng trong thế kỷ mới. Tuy nhiên vẫn còn tồn tại khoảng cách lớn, ngày càng tăng giữa năng lực vận hành của các hệ thống điện hiện có và những nhu cầu và đòi hỏi của xã hội hiện đại. Điều cơ bản để xoá bỏ khoảng cách đó là cam kết khôi phục mức đầu tư cho cơ sở hạ tầng để có thể phát triển đầy đủ và triển khai những hệ thống mới như IntelliGrid.

Nguồn: Thông tin KHCN số 2 - 2006