Hệ thống điện ngày càng phức tạp, nhu cầu phụ tải ngày càng lớn, yêu cầu chất lượng dịch vụ, cụ thể là độ tin cậy, hiệu suất và an ninh hệ thống, ngày càng cao, cộng thêm các quan ngại về bền vững năng lượng môi trường, tất cả đã mở đường cho sự phát triển lưới điện thông minh. Các công ty điện lực đang áp dụng nhiều công nghệ mới vào hệ thống điện, bao gồm các nguồn năng lượng tái tạo, nguồn điện phân bố, và các công nghệ thông tin và truyền thông mới nhất.
Để thành công, hoạt động quản lý hệ thống điện, ví dụ như tự động hóa phân phối (distribution automation - DA), phải dựa vào các thông tin thu thập từ hệ thống theo dõi tích hợp. DA cho phép nhân viên trung tâm điều khiển theo dõi tình hình hoạt động của hệ thống theo thời gian thực và cho phép tự động cấu trúc lại hệ thống để đạt hiệu quả tối ưu, giảm tác động và thời gian mất điện.
Trong kế hoạch hướng tới lưới điện thông minh, Điện lực Hydro-Québec tiếp tục thực hiện DA và thực hiện tự động hóa phân phối tiên tiến (advanced distribution automation - ADA) trên lưới phân phối đường dây trên không 25 kV.
Lộ trình công nghệ
Tự động hóa phân phối tiên tiến (ADA) có thể được định nghĩa như sau: Đó là một số công nghệ cho phép công ty điện lực theo dõi từ xa, điều phối và vận hành các bộ phận hợp thành hệ thống phân phối theo chế độ thời gian thực từ các vị trí ở xa. Nhóm các công nghệ ADA bao gồm: Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu (supervisory control and data acquisition - SCADA), điều khiển điện áp và bù vô công (volt and VAR control – VVC), định vị sự cố và cấu hình lại lộ xuất tuyến (còn gọi là tự phục hồi). Kết hợp lại, đó là định vị sự cố, cách ly và khôi phục cung cấp điện (fault location, isolation and service restaurarion - FLISR).
Mặc dù không được xem như một ứng dụng ADA thực sự, theo dõi chất lượng điện tích hợp có thể dễ dàng tích hợp với các ứng dụng tự động hóa. Công ty điện lực Hydro-Québec đã vạch ra lộ trình hướng tới lưới điện thông minh bao gồm việc theo dõi hệ thống để nâng cao độ tin cậy, theo dõi thiết bị để cải thiện công tác bảo trì và theo dõi sản phẩm (điện năng) để nâng cao chất lượng điện.
Công ty điện lực Hydro-Québec cũng đã đưa vào áp dụng các chương trình đầy tham vọng để đạt được hiệu suất năng lượng bằng cách lắp đặt các dàn tụ điện và chú ý nhiều hơn tới kiểm soát điện áp. Để giảm thời gian mất điện sự cố, Hydro-Québec đã tập trung vào việc định vị sự cố. Các dự án thí điểm đã được tiến hành để chứng tỏ hiệu quả của các sáng kiến về hệ thống ADA này, và công ty đã đánh giá tác động đến lưới điện phân phối và khách hàng.
Kiểm soát điện áp và bù vô công
Ứng dụng điều khiển điện áp và bù vô công (VVC) dựa trên khái niệm giảm điện áp bảo toàn (conservation voltage reduction - CVR), một khái niệm gắn liền với việc hạ điện áp phía khách hàng xuống mức thấp nhất nhưng vẫn thích hợp để thiết bị vận hành tốt và nằm trong phạm vi các giới hạn do các cơ quan điều tiết và các tổ chức tiêu chuẩn hóa qui định. Công ty điện lực Hydro-Québec hướng vào mục tiêu tiết kiệm năng lượng bằng cách kiểm soát mức điện áp và quản lý công suất vô công trong lưới điện phân phối.
Để hoàn thành mục tiêu này, Hydro-Québec sử dụng hệ thống VVC yêu cầu theo dõi thường xuyên mức điện áp tại cuối lộ xuất tuyến phân phối và lắp đặt các dàn tụ phân dòng đóng cắt được dọc theo chiều dài của các lộ xuất tuyến. Trong năm 2005 và 2006, Hydro-Québec đã tiến hành thử nghiệm tại trạm biến áp Pierre-Boucher ở ngoại ô Montreal để xác định hiệu quả của CVR đối với tiết kiệm năng lượng và để đánh giá tính khả thi kinh tế của ý tưởng này.
 |
|
Các chương trình điều khiển điện áp và bù vô công (VVC) và định vị sự cố bao gồm lắp đặt các thiết bị như dàn tụ điện (ảnh trái) dùng cho VVC, thiết bị theo dõi điện áp dùng cho VVC (ảnh giữa), và dùng cho định vị sự cố (ảnh phải) |
Mùa thu năm 2008, công ty Hydro-Québec Distribution đưa vào hoạt động hệ thống VVC, mang tên CATVAR, tại trạm biến áp Pierre-Boucher nhằm giảm tiêu thụ điện năng và giảm tổn thất lưới điện phân phối. Về cơ bản, hệ thống điều chỉnh điện áp tại trạm biến áp đã được thay thế bằng hệ thống thông minh sử dụng các phép đo của lưới điện để duy trì mức điện áp ổn định tại cuối lộ xuất tuyến gần với điện áp thấp nhất theo qui định. Hệ thống CATVAR cũng phân tích yêu cầu công suất phản kháng của hệ thống và được thiết kế để đóng cắt các dàn tụ phân dòng khi được yêu cầu.
Dự án thí điểm này có 2 mục tiêu: Thứ nhất, xác định liệu duy trì điện áp ở mức giới hạn quy định dưới có tác động đến số lần sụt áp mà khách hàng phải chịu hay không. Thứ hai, ngăn ngừa các vấn đề tiềm năng về chất lượng điện do thao tác đóng cắt các dàn tụ 1,2-MVAR. Đã tiến hành mô phỏng hệ thống điện theo chương trình quá độ điện từ (Electromagnetic transients program - EMTP), và so sánh kết quả với các phép đo trên lưới điện theo thời gian thực.
Định vị sự cố
Hai phương pháp thông dụng để định vị các điểm chạm chập là: Hệ thống định vị điểm chạm chập theo mức sụt điện áp (voltage-drop fault location - VDFL) và định vị điểm chạm chập dựa vào trở kháng (impedance-based fault location - IBFL). Phương pháp 1 đòi hỏi thực hiện các phép đo chất lượng điện phân bố dọc theo chiều dài của lộ xuất tuyến, còn phương pháp 2 dựa vào kết quả đo trở kháng giữa trạm biến áp nguồn và vị trí chạm chập.
Công ty điện lực Hydro-Québec đã thiết kế và phát triển hệ thống định vị sự cố mang tên Bảo trì thông minh đường dây điện (Maintenance Intelligente de Lignes Électriques (MILE), dựa trên công nghệ VDFL sử dụng các dạng sóng điện áp và dòng điện từ các phép đo chất lượng điện phân bố dọc theo lộ xuất tuyến. Hiện nay, hệ thống MILE theo dõi 8 lộ xuất tuyến.
Sai số tuyệt đối trung bình của hệ thống MILE là dưới 200 m. Giá trị sai số này không chỉ phản ánh độ chính xác đánh giá bằng số, mà còn phản ánh các sai số trong cơ sở dữ liệu đặc tính của lộ xuất tuyến và sự không chính xác trong đánh giá khoảng cách thực tế.
Dữ liệu, thật nhiều dữ liệu
Để hoạt động được, hệ thống ADA cần có các thông tin, ví dụ như các giá trị điện áp và dòng điện của lưới điện. Hệ thống CATVAR đo định kỳ các giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp tại trạm biến áp nguồn và điện áp hiệu dụng tại cuối lộ xuất tuyến, cách nhau một khoảng thời gian đều đặn. Hệ thống MILE ghi lại dạng sóng dòng điện và điện áp tại các vị trí khác nhau dọc theo lộ xuất tuyến khi nguồn cấp bị gián đoạn hoặc khi sụt áp. Độ chính xác của các qui trình thu thập dữ liệu này ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả và độ tin cậy của cả hai hệ thống.
Hệ thống CATVAR yêu cầu thực hiện các phép đo điện áp tại trạm biến áp nguồn và ở cuối lộ xuất tuyến. Nói chung một máy biến áp tại trạm phân phối cấp điện cho ba hoặc bốn lộ xuất tuyến. Khi một trong các thiết bị theo dõi mức điện áp tại cuối các lộ xuất tuyến này bị trục trặc, hệ thống CATVAR vô hiệu hóa việc điều chỉnh điện áp bằng bộ điều chỉnh áp dưới tải (load tap changer - LTC). Để tránh xảy ra vấn đề này, có thể trang bị thêm cho hệ thống CATVAR một hệ thống quản lý tích hợp dựa vào các bộ ước tính trạng thái. Để các bộ ước tính trạng thái được tốt hơn, cần có nhiều thông tin hơn về dòng công suất và nhiều điểm theo dõi điện áp và dòng điện hơn.
Mức giảm điện áp tại trạm biến áp có trang bị hệ thống CATVAR đạt tới 2% tới 4% mức đặt tham chiếu. Điều chỉnh động mức đặt của LTC máy biến áp cấp nguồn cho các lộ xuất tuyến và hiệu quả của hệ thống VVC phụ thuộc rất lớn vào độ chính xác của phép đo điện áp tại cuối lộ xuất tuyến.
Dữ liệu nhận được từ công tơ khách hàng, tức là các giá trị hiệu dụng cách nhau 15 phút, là không đủ độ nhạy đối với ứng dụng này. Vì vậy, các thiết bị theo dõi sử dụng cho hệ thống nguyên mẫu CATVAR là loại công tơ 3 pha thông minh đa dụng: Công tơ ION8600 của hãng PowerLogic.
Hệ thống định vị sự cố
Để định vị điểm chạm chập, hệ thống MILE sử dụng một bộ các dạng sóng được ghi lại nhờ một số thiết bị theo dõi được phân bố dọc theo lộ xuất tuyến, cụ thể là các công tơ 3 pha thông minh đa dụng. Thuật toán VDFL đồng bộ hóa các dạng sóng điện áp được các thiết bị ghi lại ở 3 vị trí khác nhau và sử dụng mức sụt điện áp tương ứng để xác định điểm chạm chập.
Đã đánh giá độ chính xác định vị điểm chạm chập ứng với các tốc độ lấy mẫu dạng sóng khác nhau trong dải từ 4 mẫu trong một chu kỳ tới 128 mẫu trong một chu kỳ. Từ các kết quả này, đã xác định tốc độ lấy mẫu 32 mẫu trong một chu kỳ cho phép định vị điểm chạm chập với độ chính xác hợp lý.
Tác động của tự động hóa phân phối tiên tiến (ADA)
Hydro-Québec chứng minh được rằng độ tin cậy của hệ thống điện trong các lưới điện thông minh được cải thiện, chủ yếu là nhờ các hệ thống định vị sự cố và cấu trúc lại các lộ xuất tuyến, nhờ đó giảm chỉ số thời gian mất điện trung bình của hệ thống (system average interruption duration index). Theo dự kiến, chất lượng điện cũng sẽ được cải thiện.
Tuy nhiên, hệ thống điều khiển điện áp và bù vô công (VVC) (giảm mức điện áp tại trạm biến áp và đóng cắt các dàn tụ điện phân dòng dọc theo lộ xuất tuyến) lại tác động tiêu cực đến chất lượng điện. Các tác động đóng cắt hệ thống này có thể làm phát sinh thêm hiện tượng sụt áp và các xung quá độ đóng cắt.
 |
|
Quá độ điện áp xuất hiện khi đóng điện dàn tụ điện. |
Kết quả của dự án thí điểm do Viện nghiên cứu Hydro-Québec tiến hành cho thấy, có thể đặc trưng về mặt kỹ thuật tác động phối hợp của hệ thống VVC và các sụt áp xảy ra ở hệ thống phân phối bằng hai hiệu ứng: Xuất hiện sụt áp mang tính thống kê (điện áp giảm từ 2% đến 4% do hệ thống VVC-CATVAR cộng với sụt áp dưới 10% do chạm chập, dẫn đến sụt áp tổng từ 12% đến 14%) và thiết bị trục trặc hoặc tác động cắt (nếu xảy ra đồng thời sẽ khiến mức điện áp dư tụt xuống dưới ngưỡng tới hạn là 70% điện áp tham chiếu). Phân tích các dữ liệu từ 4 địa điểm theo dõi cho thấy không có hiệu ứng nào mang tính tới hạn.
Phân tích các quá độ do đóng cắt dàn tụ phân dòng gây ra ở 3 lộ xuất tuyến khác nhau cho thấy các quá độ khi đóng mạch dàn tụ điện chưa đạt tới 1,16 đơn vị tương đối, còn các quá độ khi cắt dàn tụ điện là hầu như không đáng kể.
Theo dõi chất lượng điện
Trên lưới điện thông minh, như đã nêu trong định nghĩa của tự động hóa phân phối tiên tiến (ADA), thiết bị phân phối được theo dõi, phối hợp và vận hành theo chế độ thời gian thực từ các vị trí ở xa. Các hoạt động này có thể thực hiện được nhờ các liên kết truyền thông khác nhau cho phép thông tin chảy theo cả hai hướng, giữa trung tâm điều khiển từ xa hệ thống và các bộ điều khiển thiết bị. Các công tơ và bộ điều khiển thiết bị phân phối quan trọng thuộc các hệ thống ADA khác nhau có thể được sử dụng như các thành phần của hệ thống theo dõi chất lượng điện tích hợp. Sự kết hợp giữa các ứng dụng ADA và hoạt động theo dõi chất lượng điện là một trong các lợi thế của lưới điện thông minh.
 |
|
Độ chính xác định vị điểm chạm chập phụ thuộc vào tốc độ lấy mẫu dạng sóng |
Các thiết bị điện tử thông minh (IED) này bao gồm nhiều tính năng sẵn có:
• Đo lường ba pha.
• Đo điện áp, dòng điện, nhu cầu phụ tải, điện năng, hệ số công suất và tần số.
• Sóng hài, điện áp và dòng điện hài, cùng với độ méo tổng do sóng hài.
• Chập chờn điện áp (cho đến nay chỉ ở vị trí công tơ).
• Các điện áp thứ tự thuận, nghịch, không và ghi lại dạng sóng.
• Giao diện và các giao thức truyền thông.
• Nhiều cổng (nối tiếp, hồng ngoại, Ethernet, mođem).
• Truy cập đa giao thức (DNP 3.0, MODBUS).
• GPS.
Xu hướng hiện nay trong ngành điện là truyền thông IEC 61850, áp dụng cho các thiết bị trong trạm biến áp, rồi đây sẽ được mở rộng sang các thiết bị phân phối. Công ty Hydro-Québec Distribution đã lên kế hoạch tầm nhìn của công ty về lưới điện thông minh, lộ trình tới năm 2015 và xa hơn. Theo lộ trình này, các bộ điều chỉnh thiết bị phân phối quan trọng sẽ được thay thế bởi các IED tiêu chuẩn, phù hợp với tiêu chuẩn IEC 61850 và bao gồm cả các thiết bị không yêu cầu hiệu chỉnh (plug-and-play - cắm điện là chạy).
 |
|
Hệ thống theo dõi chất lượng điện tích hợp trong lưới điện thông minh |
Dự đoán tương lai
Độ chính xác của qui trình thu thập dữ liệu là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống ADA và, xa hơn nữa, sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của lưới điện phân phối. Điều khiển từ xa và giám sát thiết bị phân phối, cùng với thu thập dữ liệu là các mặt quan trọng của quá trình tự động hóa. Kết hợp giám sát thiết bị phân phối với theo dõi chất lượng điện là một quyết định sáng tạo và đúng đắn. Sử dụng các bộ điều khiển thiết bị phân phối điện và công tơ thông minh như các thành phần của hệ thống theo dõi chất lượng điện tích hợp sẽ đem lại nhiều lợi thế:
• Hiện nay các thiết bị điện tử thông minh (IED) đã được kết nối với lưới điện, phía điện trung áp hoặc phía hạ áp.
• Các thiết bị đang tiến triển không ngừng.
• Hiện đã có các liên kết truyền thông để truyền dữ liệu (IED điều khiển từ xa và các công tơ thuộc về cơ sở hạ tầng đo lường tiên tiến).
Công tơ thông minh hiện đang được phát triển nhanh hơn các bộ điều khiển, tuy nhiên bằng chứng cho thấy phát triển trong lĩnh vực công tơ sẽ được áp dụng sang lĩnh vực các bộ điều khiển.