Nghiên cứu áp dụng các chức năng của lưới điện thông minh vào trạm biến áp 220,4kv dịch vọng 22 thuộc lưới điện phân phối quận cầu giấy

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT HTĐ Hệ thống điện TBA Trạm biến áp MBA Máy biến áp LĐTM Lưới điện thông minh SCADA Supervisory Control And Data Acquisition – Hệ thống điều khiển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-*** -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Nghiên cứu áp dụng các chức năng của lưới điện thông minh vào trạm biến áp 22/0,4kV Dịch Vọng 22 thuộc lưới điện phân phối

quận Cầu Giấy

ĐÀM THANH SƠN

Chuyên ngành Kỹ thuật điện

Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Việt Tiến

HÀ NỘI, 11/2019

Chữ ký của GVHD

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Đàm Thanh Sơn

Đề tài luận văn: “Nghiên cứu áp dụng các chức năng của lưới điện thông minh vào trạm biến áp 22/0,4kV Dịch Vọng 22 thuộc lưới điện phân phối quận Cầu Giấy”

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện – Hệ thống điện

Mã số SV: CB160524

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 31/10/2019 với các nội dung sau:

- Làm rõ khái niệm lưới điện thông minh;

- Bổ sung các trích dẫn;

- Bổ sung hoàn thiện mục tiêu nghiên cứu cụ thể của luận văn, chỉnh sửa phần kết luận kiến nghị cho phù hợp với mục tiêu nghiên cứu này;

- Nhập nội dung chương 3 vào chương 4 và bố cục lại các chương, mục;

- Chỉnh sữa một số lỗi chính tả trong luận văn

Ngày tháng năm 2019 Giáo viên hướng dẫn

TS Lê Việt Tiến

Tác giả luận văn

Đàm Thanh Sơn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Đặng Quốc Thống

Tóm tắt nội dung Luận văn

Ngoài phần mở đầu, ết luận và iến nghị, Luận văn được cấu tr c với ba chương nội dung ch nh như sau:

Chương 1: Những vấn đề chung về lưới điện thông minh

Trong chương này đưa ra cái nhìn tổng quan về lưới điện thông minh (SG - Smart Gird) trên thế giới, đồng thời trình bày hiện trạng áp dụng SG ở Việt Nam

Chương 2: Phân tích xây dựng cấu tr c lưới điện thông minh cho trạm biến áp

Dịch Vọng 22

Phân tích và xây dựng các tiêu ch để một lưới điện phân phối đạt chuẩn lưới điện thông minh Trình bày hiện trạng Trạm biến áp Dịch Vọng 22, lựa chọn tiêu chí, xây dựng cấu trúc lưới điện thông minh cho TBA Dịch Vọng 22

Chương 3: Nghiên cứu, xây dựng giải pháp sử dụng truyền thông dùng trong

lưới điện phân phối thông minh, áp dụng cho trạm biến áp Dịch Vọng 22

Nghiên cứu cấu trúc truyền thông của lưới điện thông minh, phân tích nghiên cứu

và lựa chọn các giải pháp truyền thông trong lưới điện thông minh áp dụng chọ TBA Dịch Vọng 22, bao gồm các giải pháp truyền thông tại TBA và giải pháp truyền thông từ TBA về Công ty Điện lực Cầu Giấy Xây dựng và đề xuất cấu hình các thiết bị trong cấu trúc lưới điện thông minh cho TBA Dịch Vọng 22, giới thiệu thiết bị và các chức năng của các thiết bị chính

Sinh viên thực hiện

Ký và ghi rõ họ tên

Tác giả xin chịu trách nhiệm trước pháp luật cũng như đạo đức khoa học về lời cam đoan này

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tên đề tài và sự cần thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu và nội dung của đề tài 2

3 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH 5 1.1 Khái quát chung 5

1.2 Tổng quan chung về SG trên thế giới và tại Việt Nam 7

Giới thiệu về lưới điện thông minh 7

1.2.1 Lưới điện thông minh trên thế giới 8

1.2.2 Lưới điện thông minh tại Việt Nam 11

1.2.3 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH CHO TRẠM BIẾN ÁP DỊCH VỌNG 22 13

2.1 Các tiêu ch để lưới điện phân phối đạt chuẩn lưới điện thông minh 13

Hiện trạng chung của các Trạm biến áp trong lưới phân phối 13

2.1.1 Tiêu chí hệ thống điện phân phối hạ thế thông minh 14

2.1.2 Các tiêu ch để TBA phân phối hạ thế đạt chuẩn thông minh 15

2.1.3 2.2 Hiện trạng trạm biến áp Dịch Vọng 22 16

2.3 Phân tích xây dựng cấu tr c lưới điện thông minh cho trạm biến áp Dịch Vọng 22 17

Lựa chọn tiêu chí cho TBA Dịch vọng 22 đạt chuẩn thông minh 17 2.3.1 Cấu tr c lưới điện thông minh tại TBA Dịch Vọng 22 18

2.3.2 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG GIẢI PHÁP SỬ DỤNG TRUYỀN THÔNG DÙNG TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÔNG MINH, ÁP DỤNG CHO TRẠM BIẾN ÁP DỊCH VỌNG 22 21

3.1 Nghiên cứu cấu trúc truyền thông của lưới điện thông minh, áp dụng cho trạm Dịch Vọng 22 21

Phân tích cấu trúc, thành phần của lưới điện thông minh 21

3.1.1 Các công nghệ truyền thông có thể được sử dụng trong lưới thông 3.1.2 minh 25 Các giao thức truyền thông trong hệ thống điện 28

3.1.3 Tiêu chuẩn thông tin truyền thông trong lưới thông minh 33

3.1.4 Nghiên cứu sơ đồ cấu trúc mạng truyền thông cho lưới điện Trạm 3.1.5 biến áp Dịch Vọng 22 36

3.2 Nghiên cứu công nghệ truyền thông cáp hữu tuyến PLC, áp dụng cho

trạm Dịch Vọng 22 40

Khái niệm truyền tin cáp hữu tuyến 40

3.2.1 Một số đặc điềm của truyền tin cáp hữu tuyến – cáp hữu tuyến 40

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền tin cáp hữu tuyến loại CPL 3.2.3 306 (CEGELEC) 42

Cấu tr c cơ bản của công nghệ truyền tin cáp hữu tuyến 44

3.2.4 Giải pháp truyền thông cáp hữu tuyến cho trạm Dịch Vọng 22 47

3.2.5 3.3 Cấu hình hệ thống truyền thông lưới điện trạm Dịch Vọng 22 48

T nh năng của các thiết bị điều khiển trong hệ thống 48

3.3.1 Giao thức truyền thông ProfiBus DP 48

3.3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền tin dùng cho lưới điện 3.3.3 trạm Dịch Vọng 22 49

Các hàm điều khiển trong hệ thống truyền thông trạm Dịch Vọng 3.3.4 22 51 3.4 Yêu cầu về Hệ thống SCADA và điều khiển qua internet cho lưới điện thông minh trạm Dịch Vọng 22 57

Tổng quát chung 57

3.4.1 Hệ thống truyền thông và phần mềm kết nối điều khiển qua Internet 3.4.2 57 Các yêu cầu về thiết bị, tín hiệu kết nối Smart Grid với bên ngoài 3.4.3 qua Internet 61

Khả năng và giao tiếp của hệ thống điện thông minh với bên ngoài 3.4.4 qua Internet 65

3.5 Đề xuất cấu hình thiết bị trong cấu tr c lưới điện thông minh cho trạm biến áp Dịch Vọng 22 67

Giới thiệu chung 67

3.5.1 Tổng hợp danh mục đề xuất các thiết bị 67

3.5.2 Đặc điểm và chức năng các thiết bị chính 70

3.5.3 Đề xuất thiết kế các tủ điện 73

3.5.4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

1 Kết luận 77

2 Kiến nghị 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc chung của một Hệ thống điện 5

Hình 1.2 Các lĩnh vực trong Hệ thống điện 6

Hình 1.3 Cấu tr c đơn giản của lưới điện thông minh 9

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý điện trạm biến áp Dịch Vọng 22 16

Hình 2.2 Cấu tr c lưới thông minh của trạm biến áp Dịch Vọng 22 20

Hình 3.1 Mô hình kiến tr c lưới phân phối thông minh 22

Hình 3.2 Hệ thống pin mặt trời của Toshiba (2010) – Advanced Photovoltaic System 23

Hình 3.3 Hệ thống năng lượng tái tạo dùng trong lưới điện phân phối thông minh theo chuẩn IEC 23

Hình 3.4 Điều khiển trong lưới điện phân phối thông minh 24

Hình 3.5 Mô hình tham chiếu OSI 29

Hình 3.6 So sánh OSI và TCP/IP 32

Hình 3.7 Phương pháp Master/Slave 33

Hình 3.8 Các tiêu chuẩn thông tin liên lạc được sử dụng trong trạm 35

Hình 3.9 Các chuẩn truyền thông hiện nay 36

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý TBA Dịch Vọng 22 37

Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc liên kết trong mạng truyền thông 38

Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc truyền thông lưới điện trạm Dịch Vọng 22 39

Hình 3.13 Tổng quan về thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn của UNB–, NB– và BB– PLC 42

Hình 3.14 Nguyên lý truyền tin cáp hữu tuyến 42

Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin cáp hữu tuyến 43

Hình 3.16 Sơ đồ thiết bị ghép nối 45

Hình 3.17 Kiểu ghép nối pha–đất và pha–pha 45

Hình 3.18 Ghép nối liền mạch 46

Hình 3.19 Biều đồ trạng thái của thiết bị slave và các lệnh điều khiển tương ứng 49

Hình 3.20 Chuỗi thông điệp trao đổi giữa Master và Slave 53

Hình 3.21 Cấu trúc hệ thống SCADA cho lưới điện phân phối thông minh 57

Hình 3.22 Phương thức kết nối qua Internet–DP dụng lưới trạm Dịch Vọng 22 60 Hình 3.23 Bốn lớp trừu tượng hệ thống lưới điện thông minh 62

Hình 3.24 Cấu trúc hệ thống các IoTs 63

Hình 3.25 Cấu hình phân cấp HTĐ thông minh với các kết nối Internet 65

Hình 3.26 Mô hình đơn giản của hệ thống xem xét 66

Hình 3.27 Công tơ điện tử PAC3200 70

Hình 3.28 Mô đun mở rộng chuyển đổi sang Ethernet PROFINET 71

Hình 3.29 SIMATIC DP, Kết nối IM 153–1, cho ET 200M 72

Hình 3.30 SIMATIC S7–300, CPU 313C–2 DP 73

Hình 3.31 Tủ điều khiển trung tâm 74

Hình 3.32 Tủ thiết bị động lực 74

Hình 3.33 Tủ điểu khiển tại TBA 74

Hình 3.34 Sơ đồ nguyên lý các bộ chuyển tải pha 75

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 So sánh các công nghệ truyền thông có thể dùng trong LĐTM 27

Bảng 3.2 Các hàm điều khiển Master và Slave của Profibus DP 52

Bảng 3.3 Chú thích các Bit trong header của thông điệp 52

Bảng 3.4 Danh mục thiết bị và vật tư cho trạm biến áp Dịch Vọng 22 67

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HTĐ Hệ thống điện

TBA Trạm biến áp

MBA Máy biến áp

LĐTM Lưới điện thông minh

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) – Hệ thống điều

khiển giám sát và thu thập dữ liệu

SG (Smart Grid) – Lưới điện thông minh

EMS (Energy Management System) – Hệ thống quản lý năng lượng DMS (Distribution Management System) – Hệ thống quản lý lưới điện

phân phối DAS (Distribution Automatic System) – Hệ thống phân phối tự động AMR (Auto Meter Reading) – Đọc công tơ tự động

PLC (Programmable Logic Controller) – Thiết bị điều khiển lập trình

được (khả trình) DEG (Distributed Energy Generation) – Sản xuất năng lượng phân tán

PV (Photovoltaics) – Quang điện

IEDs (Intelligent Electronic Devices) – Thiết bị điện tử thông minh I&C (Instrumentation and Control) – Đo lường và điều khiển

RTU (Remote Terminal Unit) – Thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa

OSI (Open System Interconnection) – Mô hình tham chiếu kết nối các

hệ thống mở TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) – Bộ giao thức

truyền thông liên mạng (chồng giao thức) PLC (Power Line Communications or Power Line Carrier) – Truyền

thông qua đường dây điện AMR (Automatic Meter Reading) – Tự động đọc công tơ từ xa

IoTs (Internet of Things) – Mạng lưới vạn vật kết nối Internet

MỞ ĐẦU

1 Tên đề tài và sự cần thiết của đề tài

Tên đề tài nghiên cứu

« Nghiên cứu áp dụng các chức năng của lưới điện thông minh vào trạm biến áp

22/0,4kV Dịch Vọng 22 thuộc lưới điện phân phối quận Cầu Giấy »

Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển của ngành điện nói riêng và năng lượng của quốc gia nói chung, chúng ta có thể nhận thấy một số thách thức không nhỏ:

• Áp lực về vốn đầu tư: Với tổng sơ đồ VII quy hoạch HTĐ Việt Nam, trong giai

đoạn sắp tới, vốn đầu tư cho ngành điện là con số khổng lồ (48,8 tỷ USD cho giai đoạn 2011 – 2020), đây là một thách thức rất lớn cho ngành điện trong việc xây dựng các nguồn điện cũng như lưới điện mới cho quốc gia Việc đầu tư th ch đáng vào lưới điện thông minh sẽ phần nào giải quyết bài toán về vốn đầu tư cho lưới điện Việt Nam, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng điện, giảm tổn thất điện năng, làm chậm quá trình đầu tư hổng lồ cho ngành năng lượng của quốc gia Khách hàng sử dụng điện được trao quyền quyết định về mức độ tiêu thụ năng lượng của họ theo hướng tiết kiệm, các nguồn điện tái tạo dạng phân tán, bổ sung kịp thời cho các nguồn điện năng truyền thống

• Nhập khẩu năng lượng: Theo thống kê của ngành năng lượng, trong tương lai

hông xa, năm 2015 Việt Nam sẽ phải nhập khẩu than để sản xuất điện Thêm vào đó, t nh đến 2020, trong tổng số 75.000 MW công suất đặt, các loại năng lượng sơ cấp như hạt nhân, khí hóa lỏng đều là những nguồn năng lượng phải nhập, do Việt Nam không có nguồn hoặc do công nghệ chưa đảm bảo để sản xuất Lưới điện Việt Nam phát triển theo hướng thông minh, hướng đến sử dụng tiết kiệm điện năng, t ch hợp các nguồn điện phân tán, do đó, đóng góp t ch cực cho việc giảm bớt nhu cầu nhập khẩu điện năng và các hình thức năng lượng sơ cấp khác

• Yêu cầu ngày càng tăng về độ tin cậy, chất lượng điện năng: Các yêu cầu này

ngày càng tăng cùng với tốc độ tăng trưởng về nhu cầu trung bình 14%/năm Các yêu cầu này là hoàn toàn hợp lý, nhưng việc đáp ứng là rất hó hăn đối với ngành điện do cơ sở hạ tầng lưới điện còn nhiều bất cập, hông đảm bảo các tiêu chí về độ tin cậy hay mức độ dự phòng trong vận hành Lưới điện thông minh được tích hợp cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin, là nền tảng để triển khai các ứng dụng tăng cường độ tin cậy, quản lý cắt điện, cải thiện chất lượng điện năng

• Phản ứng của xã hội đối với việc tăng giá điện: Theo quy hoạch điện VII, bán

điện theo cơ chế thị trường có sự điều tiết của nhà nước là một trong những giải pháp sẽ được thực hiện Theo đó, giá bán điện sẽ được điều chỉnh đến năm 2020

là 8–9 US cents/kWh, nhằm đảm bảo thu hồi vốn và có mức lợi nhuận hợp lý để tái đầu tư, mở rộng sản xuất Tuy nhiên, việc tăng giá điện (so với 5–6 cents như hiện nay) sẽ gây phản ứng ngắn hạn trong xã hội, đặc biệt là người tiêu dùng trong những giai đoạn hó hăn của nền kinh tế Với việc khuyến khích, tạo cơ chế cho khách hàng sử dụng điện được biết thông tin, có quyền quyết định việc

sử dụng năng lượng của mình, khách hàng và xã hội sẽ thực sự đánh giá được các giá trị về tiết kiệm năng lượng, tránh lãng ph và có được sự đồng thuận của xã hội

• Bảo vệ môi trường: Đây cũng là một thách thức đối với sự phát triển của ngành

điện, khi mà ngành công nghiệp điện lực là một trong những ngành có lượng khí thải CO2 lớn nhất

– Hiện nay, các nghiên cứu về lưới điện thông minh trên thế giới chủ yếu nhằm vào lưới điện của các quốc gia tiên tiến, có công nghệ và kỹ thuật cao, không hoàn toàn thích hợp đối với lưới điện Việt Nam Do đó, việc quan trọng hàng đầu của đề tài là đề xuất các giải pháp về lưới điện phân phối thông minh áp dụng cho Việt Nam, điều này mang tính chất định hướng cho sự phát triển hệ thống lưới điện hiện đại, tiết kiệm năng lượng và điều khiển tự động ở Việt Nam – Liên quan đến hệ thống lưới điện thông minh trên thế giới, các công trình, dự

án của các quốc gia trên thế giới đã đi những bước khá xa so với nước ta trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng (truyền thông và công nghệ điều khiển) Tại Việt Nam, mặc dù những vấn đề lý thuyết về lưới điện thông minh đã bắt đầu được nghiên cứu tương đối nhiều, nhưng những sản phẩm/kết quả ứng dụng xuất hiện còn rất hạn chế, lý do là thiếu sự đầu tư th ch đáng vào cơ sở hạ tầng áp dụng trong lĩnh vực này của ngành điện Thậm ch , trong nước còn chưa đặt ra những tiêu chuẩn, những quy định chung về chỉ tiêu cho lưới điện thông minh, cũng như chưa có những khuyến cáo về mặt định hướng cho việc hình thành lưới thông minh (như tiêu chuẩn quốc tế IEC 61968)

– Với lý do trên đây, đề tài nghiên cứu đặt ra mục tiêu là xác định cấu tr c điển hình cho lưới điện phân phối thông minh của Việt Nam, đi sâu nghiên cứu các giải pháp về truyền thông trong lưới phân phối thông minh, áp dụng cho trạm Dịch Vọng 22 thuộc Công ty Điện lực Cầu Giấy đồng thời xây dựng cấu hình thiết bị cho trạm Dịch Vọng 22

2 Mục tiêu và nội dung của đề tài

Mục tiêu nghiên cứu chủ đạo của đề tài là xác định cấu tr c điển hình cho lưới điện phân phối thông minh của Việt Nam, đi sâu nghiên cứu các giải pháp về truyền thông trong lưới phân phối thông minh, đề xuất các tiêu chuẩn của lưới điện phân phối thông minh đối với lưới điện phân phối của Việt Nam

Đề tài nghiên cứu bao gồm các nội dung ch nh như sau:

 Nghiên cứu tổng quan về lưới điện phân phối thông minh trên thế giới;

 Khảo sát và đánh giá về hệ thống lưới điện phân phối hiện có của Việt Nam;

 Xây dựng cấu tr c lưới điện thông minh áp dụng cho trạm Dịch Vọng 22;

 Nghiên cứu hệ thống truyền thông trong lưới điện phân phối thông minh;

 Nghiên cứu xây dựng hệ thống xử lý thông tin lưu trữ, mô hình dữ liệu

Đề xuất cấu hình thiết bị áp dụng cho trạm Dịch Vọng 22

3 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các nhiệm vụ đặt ra trong đề tài, cần dùng khá nhiều phương pháp,

kỹ thuật hiện đại Phương pháp nghiên cứu của đề tài là sự kết hợp giữa nghiên cứu chuyên sâu về cơ sở lý thuyết và ứng dụng thực tế cho một lưới điện phân phối, do đó bao gồm:

 Nghiên cứu các tài liệu nước ngoài liên quan đến lĩnh vực liên quan mà đề tài cần quan tâm giải quyết Phân t ch đánh giá các phương pháp đã và đang sử dụng trong và ngoài nước và đưa ra các ưu nhược điểm của từng phương pháp

 Nghiên cứu tổng hợp các giải pháp công nghệ cũng như các ứng dụng của các quốc gia tiên tiến trong việc xây dựng cấu trúc lưới điện phân phối thông minh

 Tìm hiểu, đánh giá lưới điện phân phối tại Việt Nam, làm cơ sở đề suất xây dựng cấu trúc lưới điện phân phối thông minh Việt Nam

NỘI DUNG LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu, ết luận và iến nghị, Luận văn được cấu tr c với bốn chương nội dung ch nh, gồm:

Chương 1: Những vấn đề chung về lưới điện thông minh

Trong chương này đưa ra cái nhìn tổng quan về lưới điện thông minh (SG - Smart Gird) trên thế giới, đồng thời trình bày hiện trạng áp dụng SG ở Việt Nam

Chương 2: Phân tích xây dựng cấu tr c lưới điện thông minh cho trạm biến áp

Dịch Vọng 22

Phân tích và xây dựng các tiêu ch để một lưới điện phân phối đạt chuẩn lưới điện thông minh Trình bày hiện trạng Trạm biến áp Dịch Vọng 22, lựa chọn tiêu chí, xây dựng cấu tr c LĐTM cho TBA Dịch Vọng 22

Chương 3: Nghiên cứu, xây dựng giải pháp sử dụng truyền thông dùng trong

lưới điện phân phối thông minh, áp dụng cho trạm biến áp Dịch Vọng 22

Nghiên cứu cấu trúc truyền thông của lưới điện thông minh, phân tích nghiên cứu

và lựa chọn các giải pháp truyền thông trong LĐTM áp dụng chọ TBA Dịch Vọng 22, bao gồm các giải pháp truyền thông tại TBA và giải pháp truyền thông

từ TBA về Công ty Điện lực Cầu Giấy Xây dựng và đề xuất cấu hình các thiết bị trong cấu tr c LĐTM cho TBA Dịch Vọng 22, giới thiệu thiết bị và các chức năng của thiết bị chính

CHƯƠNG 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH 1.1 Khái quát chung

Hệ thống điện (HTĐ) là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân Cấu trúc chung của một HTĐ bao gồm các thành phần như: nhà máy điện, lưới điện truyền tải, lưới điện phân phối – cung cấp và các thiết bị tiêu thụ điện hay hộ tiêu thụ, gọi tắt là phát – dẫn – cung cấp điện – sử dụng điện Hình 1.1 giới thiệu cấu trúc chung của một HTĐ

Một HTĐ truyền thống đã được bắt đầu nghiên cứu và xây dựng từ những năm

1890 [1] Để đáp ứng sự phát triển không ngừng của phụ tải cũng như những yêu cầu về chất lượng điện năng và độ tin cậy, HTĐ ngày càng được phát triển mở rộng cả về quy mô lẫn số lượng thiết bị, nhiều thiết bị hiện đại được đưa vào sử dụng Do sự phức tạp của hệ thống này và dưới tác động của các sự cố, sự biến thiên ngẫu nhiên của phụ tải nên việc quản lý hệ thống này là một công việc rất phức tạp, đặc biệt là vấn đề vận hành đồng bộ các thiết bị với nhau Vì vậy chúng

ta cần xây dựng một HTĐ iểu mới, dựa trên nền tảng của khoa học công nghệ

kỹ thuật số, thiết bị máy vi tính và công nghệ liên quan để có thể tự động hóa và quản lý sự phức tạp ngày càng tăng về nhu cầu điện năng, cũng như các đòi hỏi

về an ninh, an toàn, tin cậy của HTĐ trong thế kỷ 21

Hình 1.1 Cấu trúc chung của một Hệ thống điện

Ngoài việc truyền tải điện năng từ nơi phát điện đến hộ tiêu thụ, thì các thành phần khác của HTĐ cũng được liên kết chặt chẽ với nhau qua thông tin liên lạc

bằng hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), các hệ thống điều khiển giám sát như: Hệ thống quản lý năng lượng (Energy Management System – EMS), Hệ thống quản lý lưới điện phân phối (Distribution Management System – DMS), hệ thống thông tin liên lạc, hệ thống thiết bị đo đếm hiện đại, hệ thống các thiết bị bảo vệ thông minh, bảo vệ trên diện rộng, hệ thống các phần mềm tương th ch,…Các hệ thống này cho phép xử lý các thông tin theo thời gian thực (Online), với khả năng phân tích và tối ưu hóa hệ thống

Xu hướng thị trường hóa ngành điện làm thay đổi hoàn toàn khái niệm về một HTĐ truyền thống, phân bố lại nguồn mở cho các doanh nghiệp có thể tham gia xây dựng nhà máy điện, inh doanh điện

Hình 1.2 giới thiệu các lĩnh vực của một HTĐ mới Các mục tiêu mà một HTĐ này cần phải có là:

- Đảm bảo chất lượng điện năng;

- Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện;

- Vận hành kinh tế, giảm thiểu tổn thất điện năng và lượng khí thải;

- Có khả năng điều khiển tích hợp các nguồn điện phân tán;

- Có khả năng vận hành và điều khiển từ xa;

- Có khả năng “tự tìm giải pháp”, tự điểu khiển để đáp ứng lại những thay đổi ngẫu nhiên của hệ thống

Một hệ thống điện đáp ứng các yêu cầu trên được gọi là một HTĐ thông minh

Hình 1.2 Các lĩnh vực trong Hệ thống điện

Do nhu cầu về điện năng ngày một khắt khe nên việc nghiên cứu lưới điện thông minh là một xu hướng phát triển tất yếu trong tương lai của các HTĐ trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Ngày 08 tháng 11 năm 2012 Thủ tướng chính phủ đã ban hành quyết định số1670/QĐ–TTg, về việc Phê duyệt đề án phát triển Lưới điện thông minh tại Việt Nam [2] Quyết định này một lần nữa thể hiện việc xây dựng và phát triển lưới điện thông minh (SG – Smart Grid) tại Việt Nam trong tương lai là tất yếu

1.2 Tổng quan chung về SG trên thế giới và tại Việt Nam

Giới thiệu về lưới điện thông minh 1.2.1

Thuật ngữ “lưới điện thông minh” (Smart Grid) được dùng phổ biến trên thế giới

từ năm 2005 từ bài viết “tiến tới lưới điện thông minh” của các tác giả S Masoud Amin và Bruce F Wollengerg đăng trên tạp chí IEEE P&E số tháng 9/tháng 10

Có nhiều định nghĩa về lưới điện thông minh chủ yếu dựa vào các chức năng nó

mang lại Một cách tổng quát nhất, lưới điện thông minh là lưới điện bao gồm

hai hệ thống chính là: Hệ thống điện thông thường và Hệ thống thông tin, truyền thông, đo lường Lưới điện thông minh được phát triển ở cả bốn khâu từ

phát điện như các nguồn năng lượng tập trung, phân tán…, đến khâu truyền tải, phân phối với công nghệ TBA hông người trực, tự động hóa lưới điện… và ở khâu tiêu thụ là hệ thống công tơ thông minh…

Đặc điểm quan trọng của lưới điện thông minh là cho phép sự trao đổi năng lượng và thông tin hai chiều giữa nhà cung cấp và khách hàng nhờ vào sự tích hợp hệ thống điện với hệ thống viễn thông, công nghệ thông tin Do đó, phát triển lưới điện thông minh nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, cải thiện chất lượng điện năng, gi p quản lý nhu cầu điện, khuyến khích sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả; tạo điều kiện nâng cao năng suất lao động, giảm nhu cầu đầu

tư và phát triển nguồn và lưới điện, tăng cường khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế xã hội bền vững

Các nhà máy điện và mạng lưới truyền tải điện hiện nay đã và đang ngày càng trở nên cũ ỹ, lạc hậu Điều đó đồng nghĩa với việc rất hó để có thể quản lý và điều tiết các nhu cầu sử dụng điện năng Nhu cầu sử dụng điện có thể giảm nhưng cũng có thể liên tục tăng cao Một giải pháp có thể xem xét đến là xây dựng thêm các đường dây tải điện, nhưng như vậy thì các hệ thống cũ ỹ hiện có

Có 4 lí do chính dẫn đến nhu cầu phải hiện đại hóa lưới điện hiện nay, đó là:

1 Cần phải nâng cao độ tin cậy, hiệu suất và độ an toàn cho lưới điện;

2 Cần phải cho phép phân tán việc sản xuất điện để các hộ tiêu thụ có thể vừa là khách hàng, vừa là nhà cung cấp (cung cấp cho các hộ tiêu thụ các công cụ tương tác để quản lý năng lượng sử dụng);

3 Cần phải đa dạng hóa việc sử dụng năng lượng ở phía khác hàng, cho phép khách hàng lựa chọn nhà cung cấp (điện nhà máy, điện mặt trời, điện gió hay điện sinh học);

4 Hiện đại hóa lưới điện gi p tăng cường GDP của một quốc gia nhờ tạo ra nhiều việc làm mới liên quan đến ngành công nghiệp tái tạo năng lượng, các thiết bị điện, pin mặt trời, máy phát điện tuabin gió…

Các mục tiêu của lưới điện thông minh: Lưới điện thông minh gồm có 02 mục

tiêu chính như sau:

Mục tiêu thứ nhất: Giám sát hệ thống truyền tải, bảo đảm những yêu cầu sau:

- Giám sát theo thời gian thực các điều kiện của lưới điện;

- Cải thiện t nh năng chẩn đoán tự động các nhiễu loạn trên lưới, hỗ trợ người vận hành trong việc xử lý các vấn đề phát sinh;

- Tự động phản ứng với các lỗi trên lưới, cách ly vùng nhiễu loạn trên lưới nhằm ngăn chặn các lỗi lan truyền;

- Có khả năng ết nối các nhà máy điện mới vào lưới theo mô hình “Plug & Play”, giảm thời gian cần thiết để nghiên cứu kết nối cũng như nâng cấp vật lý các thiết bị trong lưới;

- Tự động khôi phục điện lưới nhờ kết hợp các cảm biến, phân tích trên máy tính và các thiết bị trạm điện cao cấp Đồng thời có khả năng định tuyến lại đường truyền tải khi cần;

- Nâng cao khả năng quản lý các nguồn năng lượng điện mặt trời và năng lượng điện gió

Mục tiêu thứ 2: Quản lý tiêu thụ năng lượng điện:

- Lưới điện thông minh ít nhất phải truyền tải được thông điệp tới hộ tiêu thụ hoặc đơn vị inh doanh điện: điện năng rất đắt và không dễ truyền tải Điều này có thể thực hiện dễ dàng thông qua các bộ hiển thị, qua trình duyệt web hoặc qua phần mềm trên máy tính Mục tiêu là giúp khách hàng hiểu rõ tầm quan trọng của việc tiết kiệm điện

- Tiếp theo là cho phép tự động giảm mức độ sử dụng điện năng của các hộ tiêu thụ hi chi ph điện tăng quá cao Có thể quản lý được vấn đề này thông qua khả năng liên ết dữ liệu giữa các đồng hồ đo thông minh và các thiết bị gia dụng của hộ tiêu thụ

- Lưới điện thông minh sẽ tự động phát hiện các lỗi trên đường dây tải điện, xác định chính xác thiết bị lỗi và hỗ trợ đưa ra các ế hoạch tối ưu để sửa chữa, khắc phục sự cố Lưới điện thông minh còn có thể cách ly vùng bị lỗi khỏi các vùng lân cận để tránh gây tổn thất lớn trên hệ thống

- Lưới điện thông minh sẽ giúp cho việc lắp đặt các hệ thống phân phối năng lượng dễ dàng hơn, v dụ lắp đặt các tấm panel pin mặt trời trên mái nhà Nó cũng cho phép đo lường toàn mạng lưới, cũng như quản lý kết nối của hàng triệu thiết bị trong toàn HTĐ

Lưới điện thông minh trên thế giới 1.2.2

Hầu hết các chuyên gia đều cho rằng lưới điện phân phối thông minh về cơ bản thể hiện ở 3 lĩnh vực sau, như Hình 1.3:

- Kết nối lưới điện truyền thống với các nguồn / phụ tải năng lượng tái tạo dạng phân tán như năng lượng pin mặt trời, điện gió,…

- Mạng lưới theo khu vực, cung cấp các công cụ cho hộ tiêu thụ điện (final customer) để họ có thể quản lý việc sử dụng năng lượng cho gia đình và cho các hoạt động khác

- Việc áp dụng công nghệ thông tin, viễn thông vào hệ thống lưới điện để vận hành thông minh hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn

Hình 1.3 Cấu trúc đơn giản của lưới điện thông minh

Tiêu chuẩn IEC 61968 bao gồm nhiều phần/ mục khác nhau, tập trung vào việc phát triển/xác định các tiêu chuẩn cho lưới điện phân phối, trong đó có các tiêu chuẩn về truyền thông, tiêu chuẩn về cơ sở hạ tầng, về quản lý, về nguồn điện phân tán tích hợp vào trong lưới điện phân phối)

Như vậy, cấu trúc của lưới điện thông minh, đặc biệt áp dụng trong lưới phân phối, phụ thuộc vào mục tiêu và yêu cầu của từng vùng, từng HTĐ Về cơ bản, cấu trúc của lưới điện phân phối thông minh bao gồm những thành phần sau:

1 Hệ thống điện: bao gồm toàn bộ các bộ phận cấu tạo thành HTĐ, bao

gồm từ nguồn điện đến phụ tải điện Trong đó, hệ thống (Smart Grid) cho lưới phân phối: Distribution Management System (DMS)

2 Hệ thống thông tin liên lạc: cơ sở hạ tầng viễn thông, hệ thống truyền

dẫn đo lường trao đổi dữ liệu phục vụ cho việc đánh giá, phân t ch, điều khiển và bảo vệ lưới theo hướng thông minh

3 Hệ thống điều khiển giám sát: (Nền tảng công nghệ thông tin): bao gồm

các phần mềm quản lý, phần mềm điều khiển, phần mềm bảo vệ, phần mềm đo lường, hệ thống nhúng và các hệ thống tích hợp khác; các hệ thống này cho phép sử lý các thông tin theo thời gian thực (Online), với khả năng phân t ch và tối ưu hóa hệ thống Ở đây, còn cần kể đến các giải pháp/thuật toán điều khiển thông minh, các công cụ phân tích, các ứng dụng, (SCADA, tự động hóa trạm…) và tr tuệ nhân tạo

4 Hệ thống thiết bị đo đếm / đo lường và thực thi hiện đại: Các thiết bị

chấp hành, điều khiển, đo lường, thu thập thông tin phục vụ phân tích, điều khiển tối ưu

5 Hệ thống thiết bị bảo vệ: Các thiết bị bảo vệ thông minh, cho phép thực

hiện thao tác, giám sát điều khiển từ xa

Do những đặc điểm về địa lý, kinh tế, khoa học, công nghệ, chính trị khác nhau

và những chương trình và định hướng phát triển khác nhau mà mỗi quốc gia trên thế giới đều có những mục tiêu hác nhau trong chương trình “Lưới điện thông minh” của mình Hiện nay, đã có rất nhiều các quốc gia trên thế giới đầu tư cho việc phát triển lưới điện phân phối thông minh cho quốc gia mình (là một phần trong hệ thống năng lượng thông minh) Các khảo sát tại một số quốc gia trên thế giới cho thấy:

– Mỹ [3]: Sự tin cậy trong cung cấp điện của lưới điện gặp nhiều vấn đề do sự

phân bố ở khoảng cách quá xa của các nhà máy phát điện và sự phát triển ồ ạt của các công ty điện tư nhân tham gia trong thị trường mua bán điện phân phối

Để khắc phục điều này, Mỹ đã có ch nh sách đầu tư phát triển Smart Grid bằng việc cải tạo công nghệ truyền tin (hệ thống SCADA – cho phép truyền đạt tín hiệu điều khiển nhanh), và một hệ thống DAS (Distribution Automatic System) nhằm điều khiển thông minh trong việc phân phối và đáp ứng nhu cầu phụ tải điện Để làm được điều này, chính phủ Mỹ đã thông qua đạo luật An ninh và Độc Lập Năng Lượng năm 2007 [4], xác định khung pháp lý và tổ chức các cơ quan thực hiện phát triển lưới điện thông minh Thông qua các chương trình phát triển quốc gia, có thể thấy trọng tâm phát triển Lưới Điện Thông Minh của Mỹ tập trung vào môt số vấn đề: (1) Đẩy mạnh giám sát, điều khiển thời gian thực đối với lưới điện, (2) Tích hợp các nguồn điện phân tán, (3) Khả năng tự sửa chữa, khả năng đảm bảo an ninh đối với HTĐ và hệ thống điều khiển–liên lạc trước những nguy cơ hư hỏng do sự kiện thiên nhiên hay tấn công khủng bố

– Châu Âu [7]: Lưới điện của các quốc gia Châu Âu đã được liên kết tương đối

chặt chẽ với nhau bằng việc liên kết các đường dây truyền tải điện giữa các quốc gia Nhược điểm của sự liên kết này là sự dao động tần số từ lưới điện quốc gia này sang lưới điện của quốc gia hác, đặc biệt là từ các quốc gia có nguồn năng lượng tái tạo tương đối lớn như nguồn phong điện từ Đan Mạch hay Hà Lan Do

đó, các quốc gia Châu Âu đầu tư nghiên cứu và phát triển hệ thống Smart Grid theo xu hướng điều khiển, tích hợp một cách tối ưu các nguồn điện phân tán vào trong lưới điện phân phối Chính vì vậy hệ thống Smart Grid của Châu Âu, với các dự án tiêu biểu gần đây như FI–PPP, Fi–Ware, FINSENY, etc… tập trung nghiên cứu các biện pháp công nghệ M2M (machine to machine) để chuẩn hóa

và xây dựng một mạng lưới kết nối tất cả các phần tử điện (nhà máy điện, lưới, thiết bị điện, phần tử thông minh, etc) Nhờ có hệ thống này cùng với các chuẩn giao tiếp chung, mạng lưới điện sẽ được v như một hệ thống thông tin Internet liền mạch, mà phạm vi giao tiếp có thể từ các thiết bị rất nhỏ trong gia đình đến các phần tử điện lớn, quan trọng như máy biến áp, nhà máy phát điện Thông qua

đó, các cơ quan năng lượng Châu Âu hi vọng có thể kiểm soát và phối hợp hoạt động trên lưới điện trong phạm vi toàn EU Khi đã thiết lập được một mạng lưới hoàn chỉnh, có thể áp dụng các hình thức quản lý thông minh trên nhiều lĩnh vực như: (1) Thiết bị đo đạc thông minh; (2) quản lý Năng lượng và các ứng dụng thông minh; (3) giám sát lưới; (4) Tự động hóa lưới điện; (5) thị trường điện; (6)

Dự đoán hệ thống (nguồn, phụ tải)

– Trung Quốc: SG của Trung Quốc tập trung chủ yếu vào việc phát triển và

nâng cao khả năng truyền tải;

– Nhật Bản: Là một quốc gia Châu Á đi tiên phong về mặt áp dụng công nghệ

trong lưới điện truyền tải Hiện nay, tại Nhật Bản hệ thống SCADA và DAS đã được phát triển rộng khắp Nhật đang hướng tới nghiên cứu và phát triển hệ thống Smart Grid cho việc giải quyết các bài toán về công nghệ của việc tích hợp

năng lượng tái tạo vào trong lưới điện phân phối và xu thế quản lý thông minh nhu cầu điện năng của các phụ tải điện

– Hàn Quốc: Phát triển lưới điện thông minh của mình bằng việc hình thành

hiệp hội lưới điện thông minh Hàn Quốc (KSGA) năm 2009 và viện nghiên cứu Lưới điện thông minh Hàn Quốc Bằng việc xác định 3 giai đoạn trong lộ trình phát triển lưới điện thông minh của mình: (1) thử nghiệm cấu trúc và hoạt động của lưới điện thông minh – giai đoạn xác định kỹ thuật; (2) Mở rộng lưới điện thông minh các khu vực đô thị – phát triển người tiêu dùng thông minh; (3) Hoàn thiện lưới điện thông minh trên phạm vi toàn quốc (2021–2030), Hàn Quốc đã có những bước tiến đáng ể trong lĩnh vực này

– Ấn Độ: Việc xây dựng Smart Grid của quốc gia này đã và đang được thực hiện

thông qua chương trình APDRP (Accelerated Power Development & Reforms Programme – Chương trình cải cách & phát triển năng lượng), nhằm giảm thiểu các tổn thất trong lưới điện Cùng với nó, quốc gia này đã và đang tiến hành xây dựng các trung tâm điều khiển tự động cho lưới điện phân phối (DAS – Distribution Automatic System) tại thủ đô Bangalore, lắp đặt các bộ đo đếm tự động (AMR – Auto Meter Reading) Đây ch nh là các phương tiện quan trọng cho việc điều khiển và kiểm soát thông minh cho lưới điện của quốc gia này

– Tại một số quốc gia Đông Nam Á: Thái Lan và Indonesia chính là 2 quốc gia

điển hình cho việc phát triển Smart Grid cho lưới điện của mình Indonesia đang tiến hành xây dựng các trung tâm DAS cho thủ đô Ja arta và cài đặt các bộ tự động đo đếm cho 11.000 hộ gia đình; Thái Lan đã xây dựng 6 trung tâm DAS cho lưới điện phân phối (PEA – Provincial Electricity Authority – Cơ quan điện lực các khu vực) và có kế hoạch thiết lập 50.000 AMR trong năm 2012 Kết quả của các chương trình này đã gi p Indonesia tiết kiệm đáng ể tổn thất điện năng

và san bằng đồ thị phụ tải thông qua việc áp dụng giá điện bậc thang Đây cũng chính là kế hoạch phát triển lâu dài của quốc gia này cho chiến lược phát triển

1702 MW điện năng tái tạo vào năm 2019

Lưới điện thông minh tại Việt Nam 1.2.3

Ở Việt Nam Smart Grid mới được bắt đầu được triển khai trong một vài năm trở lại đây Thủ tướng chính phủ đã ban hành quyết định số:1670/QĐ–TTg, ngày 08 tháng 11 năm 2012, về việc “Phê duyệt đề án phát triển Lưới điện thông minh tại Việt Nam” [2] Mục tiêu tổng quát của đề án là:

1 Phát triển lưới điện thông minh với công nghệ hiện đại nhằm nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện;

2 Góp phần trong công tác quản lý nhu cầu điện, khuyến khích sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả;

3 Tạo điều kiện nâng cao năng suất lao động, giảm nhu cầu đầu tư vào phát triển nguồn và lưới điện;

4 Tăng cường khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng, đảm bảo

an ninh năng lượng quốc gia, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế – xã hội bền vững

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH CHO

TRẠM BIẾN ÁP DỊCH VỌNG 22 2.1 Các tiêu chí để lưới điện phân phối đạt chuẩn lưới điện thông minh

Hiện trạng chung của các Trạm biến áp trong lưới phân phối 2.1.1

Để xác định đ ng các tiêu ch để lưới điện phân phối đạt chuẩn thông minh, Đề tài đã tiến hành khảo sát một số phân phối hạ thế trong khu vực Tp Hà Nội, đồng thời tìm hiểu các tiêu chuẩn về lưới thông minh cho các Trạm biến áp (TBA) phân phối trên thế giới Các TBA khảo sát có chung các đặc điểm như sau:

1 Về cấu trúc

Các Trạm biến áp (TBA) được cấp điện từ đường dây điện 22kV (hay 35kV, 10kV), qua Máy biến áp (MBA) hạ xuống điện áp 0,4kV Tại TBA phía cao áp dùng cầu dao phụ tải hay cầu chì;

Máy biến áp (MBA) phần lớn chỉ có 1 chiếc, loại ba pha hai cuộn dây;

Phía hạ thế MBA có Áptômát tổng dòng 600A đến 1600A cùng biến dòng điện

và đồng hồ đo đếm điện năng, tiếp là các Áptômát nhánh dòng 250A đến 400A cấp điện cho các xuất tuyến hạ thế;

Tại thanh cái hạ thế có chống sét van phía hạ thế, có hoặc không sử dụng tụ bù và nếu có là loại dung lượng bù cố định (nhưng thường không vận hành);

Từ các xuất tuyến hạ thế thường dùng là dây nhôm trần hay cáp vặn xoắn 4 dây (ba dây pha A, B, C và một dây trung tính) Tại các cột điện được trích ngang bằng cáp rẽ nhánh loại vặn xoắn thường là loại 4x50mm2 Từ dây cáp dùng ghíp bọc cách điện hạ thế lấy điện từ một trong ba pha và dây trung t nhđể đưa điện tới các hòm công tơ gia đình, mỗi hòm công tơ có hoảng 3 đến 6 công tơ, mỗi gia đình một công tơ loại một pha 600V – 40A;

2 Về hệ thống bảo vệ

Hệ thống bảo vệ rơ le cho trạm hiện chưa có và việc bảo vệ cho trạm được thực hiện ở phía cao áp bằng cầu dao phụ tải hay cầu chì 24kV, phía hạ thế là các Áptômát đầu các lộ đường dây xuất tuyến;

Các Áptômát này đều có các nút cắt tức thời, có hai loại bảo vệ: quá tải có thời gian và bảo vệ ngắn mạch cắt tức thời, hình thức thao tác: bằng tay Việc khôi phục cung cấp điện do nhân viên vận hành đến tủ hạ thế TBA thao tác, thời gian mất điện để xử lý sự cố bị kéo dài

3 Tình trạng vận hành

Khi sự cố bất cứ vị trí nào của lưới hạ thế, kể cả tại cáp rẽ nhánh tới các hộ tiêu thụ thì Áptômát đầu xuất tuyến cáp tác động cắt điện, bị mất điện diện rộng Trong trường hợp Áptômát nhánh hông tác động, Áptômát tổng tác động sẽ mất điện toàn trạm;

Do nhu cầu sử dụng điện các hộ thay đổi làm mất cân bằng tải các pha Việc san tải giữa các pha hoàn toàn thủ công, áng chừng, chỉ thực hiện theo định kỳ thời gian dài Ngoài làm mất cân bằng tải các pha, sự thay đổi dùng điện các hộ còn

tạo đồ thị phụ tải rất nhấp nhô, lúc thì non tải, lúc lại quá tải nhiều – dẫn đến cắt điện để đảm bảo dây dẫn không bị phát nóng và ổn định điện áp;

Điều chỉnh điện áp thay đổi bằng đầu phân áp ( hông có điều chỉnh dưới tải), mỗi lần chuyển đầu phân áp phải cắt điện với thời gian không ngắn và do vậy một năm chỉ thực hiện 1 đến 2 lần, thậm chí cố định đầu phân áp cả năm;

Các TBA phân phối hạ thế thường là các trạm kiểu kiôt, kiểu treo hoặc đặt trên giá đỡ hông có người trực Việc giám sát từ xa là không có, các sự cố được cách

ly bằng các thiết bị bảo vệ tại chỗ, các thông số được ghi bằng đọc số tại trạm; Đối với các lưới điện khảo sát, không có các hệ thống nguồn phân tán công suất nhỏ

Tiêu chí hệ thống điện phân phối hạ thế thông minh 2.1.2

Một số tiêu chuẩn mà lưới thông minh cần phải thỏa mãn:

 IEC 61850: Tự động hóa trạm biến áp;

 IEC 61968/61970: Mô hình thông tin và chuẩn hóa dữ liệu;

 IEC 62351: Các yêu cầu về an toàn trong quản lý HTĐ và trao đổi thông

tin bao gồm cả hệ thống truyền thông, các giao thức TCP/IP và MMS…;

 IEC 60870: Quy định các yêu cầu về hệ thống điều khiển từ xa, giúp các

thiết bị ở các hệ thống khác nhau có thể kết nối với nhau

Từ đây, chúng ta có thể thấy, mô hình lưới điện phát triển theo hướng thông minh có thể vận dụng theo mô hình của Hệ thống phân phối tự động DAS (Distribution Automatic System) hay hệ thống Đọc đồng hồ tự động AMR (Auto Meter Reading) cho việc phát triển lâu dài của mình

Căn cứ các phân tích ở trên, đề tài đã đề xuất ra các tiêu ch để một HTĐ phân phối hạ thế (gồm lưới điện và trạm biến áp) đạt chuẩn thông minh như sau:

1 Hệ thống đóng cắt

Sử dụng các thiết bị đóng cắt tự động đóng, có điều khiển từ xa nhằm nhanh chóng đóng lặp lại các đường dây trong những trường hợp ngắn mạch thoáng qua, nhanh chóng khôi phục cung cấp điện, thời gian thao tác nhanh

3 Sử dụng hệ thống bù tự động

Việc ứng dụng các hệ thống điều khiển và thiết bị điện tử công suất cho phép thay đổi nhanh chóng dung lượng bù để đảm bảo hệ số công suất cosφ và điều chỉnh điện áp phù hợp với công suất phụ tải

4 Hệ thống đo lường và giám sát tự động

Việc điều khiển từ xa sẽ nhanh chóng khôi phục cung cấp điện trong những trường hợp sự cố, đồng thời cũng nâng cao độ tin cậy, chẩn đoán sớm các sự cố thông qua hệ thống đo lường, điều khiển từ xa

5 Phân vùng sự cố và loại bỏ vùng cục bộ

Khi có sự cố tại vị tr nào đó thì phải tách cục bộ vùng sự cố, hông để mất điện diện rộng Việc này được thực hiện bằng các thiết bị phân đoạn hay các Áptômát

rẽ nhánh và được điều khiển đóng cắt từ xa

6 Quản lý nhu cầu phụ tải nhằm san bằng đồ thị phụ tải

Trên cơ sở đồ thị phụ tải điều chỉnh tự động để dịch chuyển công suất giờ cao điểm vào giờ thấp điểm, san bằng hơn đồ thị phụ tải Điều này giảm đáng ể chi phí xây dựng nguồn điện (TBA), nâng tuổi thọ lưới và thiết bị, nâng cao hiệu quả

sử dụng năng lượng

7 Hệ thống nguồn phân tán hạ thế

Ở cấp điện áp hạ thế (0,4 V) thường có thể tích hợp các nguồn năng lượng phân tán nhỏ như các tua–bin gió công suất nhỏ, hệ thống pin mặt trời công suất nhỏ (Roof Top Solar) Điều này cho phép tận dụng được tối đa nguồn năng lượng tái tạo Tuy nhiên đòi hỏi công nghệ cao, vốn đầu tư lớn, và có thể cần áp dụng các thiết bị công nghệ cao từ ph a người dùng và các công ty điện lực

8 Vận hành hệ thống kết hợp với nguồn dự phòng

Nguồn dự phòng là nguồn lưới lân cận hay những nguồn phân tán, bao gồm động

cơ diesel, máy phát tua bin h , pin nhiên liệu và các nguồn năng lượng tái tạo (pin quang điện, động cơ gió phát điện, tổ hợp nhiệt–điện, năng lượng sinh khối)

9 Tự động đóng lại sau khi sự cố đã bị loại bỏ

Một sự cố sau hi đã loại bỏ đặc biệt là các sự cố thoáng qua thì nhất thiết phải được đóng điện trở lại bằng thiết bị tự động đóng lại, giảm tối đã thời gian mất điện, nâng cao đáng ể độ tin cậy cung cấp điện, đem lại hiệu quả cao cung cấp điện

Các tiêu chí để TBA phân phối hạ thế đạt chuẩn thông minh 2.1.3

Qua các tiêu ch đã xây dựng ở trên cho lưới điện thông minh, tiến hành lựa chọn các tiêu ch để TBA trong lưới đạt chuẩn thông minh hay còn gọi là TBA không người trực như sau:

- TBA vận hành khi không có nhân viên trực vận hành tại trạm;

- Điều khiển tại chỗ và từ xa tất cả các thiết bị trong trạm;

- Giám sát được trạng thái của tất cả các thiết bị điện, xây dựng, an ninh;

- Phù hợp với yêu cầu trước mắt và quy hoạch phát triển lâu dài của khu vực;

- Đảm bảo các yêu cầu xử lý kỹ thuật, an ninh trong trường hợp có xuất hiện bất thường trong trạm;

- Trạm được trang bị hệ thống điều khiển tích hợp máy tính;

- Hệ thống thông tin liên lạc hoàn chỉnh;

- Thuận lợi cho việc quản lý vận hành trạm hông người trực;

- Đáp ứng nhu cầu an toàn cung cấp điện khu vực, phải tránh tối đa việc ảnh hưởng của tác động con người từ bên ngoài và đáp ứng yêu cầu xử lý khi xuất hiện các vấn đề bất thường

2.2 Hiện trạng trạm biến áp Dịch Vọng 22

TBA Dịch Vọng 22 là TBA 22/0,4kV, thuộc sự quản lý của Công ty Điện lực Cầu Giấy, trạm được xây dựng và đưa vào vận hành từ năm 2006 Trạm có công suất trước đây là 630 VA, tới cuối năm 2013 nâng lên 1000 VA Hình 2.1 giới thiệu sơ đồ điện TBA Dịch Vọng 22

A1-3 400A

A1-1 400A

A1-2 400A

3x1500/5A

kVArh

A1-4 400A 0,4kV

M-95

A A

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý điện trạm biến áp Dịch Vọng 22

Trạm được cấp điện từ đường dây điện 22kV, qua MBA hạ xuống 0,4kV Phía cao áp dùng cầu dao phụ tải loại 24kV – 1000A – 20kA/s, cầu chì loại HRC 24kV – 31,5A

Phía hạ thế gồm Áptômát tổng 1600A, 04 Áptômát nhánh 400A (đều là loại thường, có các nút cắt tức thời, hình thức thao tác: bằng tay), các biến dòng điện

và đồng hồ đo đếm, chống sét van hạ thế PBH – 0,5kV, bộ tụ bù (không hoạt động)

Từ các Áptômát nhánh là các xuất tuyến, các rẽ nhánh và tới các hòm công tơ của các hộ tiêu thụ thuộc: Khu tập thể Đại học Sư phạm, Công ty Điện lực Cầu Giấy, Trường THPT Nguyễn Tất Thành, Chuyên Đại học Sư phạm

Qua khảo sát, có một số kết luận về hiện trạng cung cấp điện TBA Dịch Vọng 22 như sau:

- Có khả năng cung cấp điện liên tục cho các phụ tải, tuy vậy vào hai thời điểm trưa (11h) và chiều (19h) công suất của máy biến áp vượt quá định mức, điều này sẽ ảnh hưởng không tốt tới tuổi thọ của máy biến áp và chất lượng điện năng cung cấp cho các hộ tiêu thụ Hiện tượng quá tải đã được khắc phục bằng nâng công suất MBA lên 1000kVA

- Sự lệch pha giữa các pha vẫn còn tương đối lớn, do trong quá trình thi công việc phân pha phụ tải thường được thực hiện theo cảm t nh và chưa

có sự tính toán chi tiết, gây ra một lượng tổn thất điện năng hông nhỏ

- Hệ thống bù của trạm mới chỉ được lắp đặt và chưa đi vào sử dụng, nếu có đưa vào sử dụng cũng chỉ dừng lại ở mức điều khiển thủ công chứ chưa có

hệ thống tự động điều khiển bù tự động gây ra sự lãng phí

- Hệ thống điều khiển còn quá đơn giản, đa số các hâu điều khiển trong trạm đều thực hiện bởi nhân công thủ công

- Công tác xác định vị trí và xử lý sự cố trong quá trình vận hành trạm và mạng lưới phân phối sau trạm đều là thủ công

- Thời gian mất điện để thực hiện công tác điều khiển cũng như xử lý sự cố cho các hộ tiêu thụ điện là rât nhiều

Nếu thực hiện được các giải pháp điều khiển tối ưu, hỗ trợ các nguồn dự phòng (lưới hay nguồn điện phân tán) sẽ cải thiện được đáng kể chất lượng điện năng cung cấp cho phụ tải

2.3 Phân tích xây dựng cấu trúc lưới điện thông minh cho trạm biến áp Dịch Vọng 22

Lựa chọn tiêu chí cho TBA Dịch vọng 22 đạt chuẩn thông minh 2.3.1

Trên cơ sở phân tích tiếp cận các tiêu chuẩn trạm biến áp phân phối hạ thế theo hướng thông minh như đã nêu trên, căn cứ vào thực tế của đề tài, qua thảo luận, phân tích kỹ lưỡng và thận trọng, các tiêu chuẩn đưa ra để TBA Dịch Vọng 22 trở thành thông minh như sau:

1 Phần trạm điện

Thông báo trạng thái đóng cắt các Áptômát, giám sát và hiển thị các thông số vận hành của trạm theo thời gian thực tại Phòng điềukhiển trung tâm;

Điều chỉnh tự động tụ bù đảm bảo hệ số công suất cosφ;

Đóng, cắt tự động, có điều khiển từ xa các Áptômát tổng, nhánh tại trạm;

2 Phần lưới

Cân đối giá trị dòng pha: Cân đối giá trị dòng các pha trên xuất tuyến bằng sự chuyểntự động đấu điện pha cho nhóm phụ tải (hòm công tơ) Khi độ lệch giá trị dòng điện pha vượt quá giá trị cho phép (khoảng 15%) thì quá trình chuyển mạch mới được thực hiện

Quá trình chuyển tải giữa các pha (A & B, B & C, C & A) hông được gây ra gián đoạn nguồn cung cấp cho phụ tải, thời gian đủ ngắn để người tiêu dùng điện không hề có cảm giác mất điện

Xác định vùng sự cố để khắc phục kịp thời: Lưới hạ thế bao gồm trục xuất tuyến

và các rẽ nhánh, khi sự cố bất cứ điểm nào trên lưới thì Áptômát đầu xuất tuyến tác động, toàn tuyến mất điện, độ tin cậy của lưới kém Vậy nhất thiết phân vùng

và chỉ loại bỏ phần có sự cố, phần còn lại vẫn được cấp điện bình thường Việc

đó được thực hiện bằng Áptômát rẽ nhánh Khi sự cố ở rẽ nhánh nào thì chỉ rẽ nhánh đó bị loại (bị mất điện), phần còn lại vẫn có điện bình thường Khi nào hết

sự cố thì điện lại được cấp trở lại

3 Phần phụ tải

Điều khiển quản lý nhu cầu sử dụng điện cho các phụ tải: Việc lựa chọn được thực hiện nhờ các điều khiển các Áptômát và công tơ thông minh ở đầu các rẽ nhánh Đề tài chọn 5 phụ tải, gồm 4 phụ tải rẽ nhánh từ đường dây và phụ tải là Công ty Điện lực Cầu Giấy

San bằng đồ thị phụ tải: Nhờ điều khiển quản lý nhu cầu sử dụng điện 5 nhóm phụ tảicó thể khống chế sử dụng các thiết bị điện công suất lớn như điều hòa, bình nóng lạnh vào các giờ cao điểm, dịch chuyển công suất phụ tải sang những giờ thấp điểm Trước hết là thông báo, rồi cảnh báo để tạo cho các hộ có ý thức: hông đóng điện các thiết bị điện công suất lớn vào những giờ cao điểm San tải sang trạm khác vào giờ cao điểm: Đề tài thực hiện chuyển nguồn tự động cho Công ty Điện lực Cầu Giấy

4 Nguồn điện phân tán

Tùy mức công suất của nguồn điện phân tán: máy phát diesel, bộ pin mặt trời, mà lắp đặt chúng tại trạm (khi nguồn phân tán công suất lớn) hay tại cáp rẽ nhánh (khi nguồn phân tán công suất vừa) hay tại hộ/nhóm hộ tiêu thụ (khi nguồn phân tán công suất nhỏ)

Dự kiến tham gia trong cấu tr c lưới thông minh trạm Dịch Vọng 22kV có hai nguồn phân tán: Pin mặt trời 1kW, máy phát Diesel 5kW Hai nguồn này đặt tại Công ty Điện lực Cầu Giấy Vì hai nguồn này công suất quá nhỏ nên chỉ có thể cấp điện cho phụ tải rất cần thiết khi nguồn điện lưới mất

Cấu trúc lưới điện thông minh tại TBA Dịch Vọng 22 2.3.2

Với tiêu ch “Thông minh” nêu trên cho TBA Dịch Vọng 22 có thể hình thành một cấu tr c lưới thông minh như trên Hình 2.2, bao gồm năm hối và chúng liên kết bằng cáp truyền tin:

1 Khối điều khiển toàn hệ thống (Phòng điều khiển) đặt tại Công ty Điện lực Cầu Giấy để điều khiển từ xa toàn hệ thống;

2 Khối Điều khiển nguồn cấp (Khối điều khiển trung tâm) cho Công ty Điện lực Cầu Giấy Các nguồn điện đó là: nguồn điện lưới từ TBA Dịch Vọng

22, nguồn điện lưới từ TBA Cầu giấy 8, nguồn điện Diesel, nguồn điện pin mặt trời;

3 Khối Điều khiển TBA để giám sát điện năng từ xa và điều khiển từ xa đóng cắt tự động các Áptômát tại TBA Dịch Vọng 22, đồng thời điều khiển tự động dung lượng bù theo yêu cầu và giá trị điện áp tại trạm;

4 Khối điều khiển Áptômát rẽ nhánh và chuyển tải pha cho phụ tải 1 và 2;

5 Khối điều khiển Áptômát rẽ nhánh và chuyển tải pha cho phụ tải 3 và 4 Lưới điện thông minh là tích hợp cơ sở hạ tầng bao gồm các thiết bị đóng cắt, đo đếm hiện đại, tích hợp với hệ truyền thông và điều khiển giám sát từ xa bằng các phần mềm và các phần tử tự động tương th ch nhằm sử dụng điện hiệu quả, tiết kiệm, tin cậy, khai thác hợp lý các nguồn điện phân tán, đáp ứng cấp điện nhanh trong mọi tình huống

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG GIẢI PHÁP SỬ DỤNG TRUYỀN THÔNG DÙNG TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÔNG MINH, ÁP DỤNG CHO TRẠM BIẾN ÁP DỊCH VỌNG 22 3.1 Nghiên cứu cấu trúc truyền thông của lưới điện thông minh, áp dụng cho trạm Dịch Vọng 22

Phân tích cấu trúc, thành phần của lưới điện thông minh 3.1.1

Các yếu tố cơ bản cần có để tạo lên một lưới điện thông minh bao gồm:

1 Các nguồn điện (từ lưới và nguồn phân tán);

2 Các thiết bị kết nối và giải pháp truyền tín hiệu;

3 Các hệ thống, mô hình xử lý tín hiệu;

4 Các chiến lược điều khiển lưới điện (có sự tích hợp các nguồn phân tán);

5 Các thiết bị thực thi, đo đạc và thiết bị bảo vệ hiện đại

Tuy nhiên, với tình hình thực tế của lưới điện Việt Nam, nơi mà hệ thống truyền tải và phân phối còn chưa hiện đại, thông tin truyền thông trên lưới điện còn chưa được thông suốt, các giải pháp sẽ tỏ ra kém hiệu quả nếu hông được điều khiển đồng bộ và trên phạm vi rộng Các yếu tố kể trên vẫn đang trong quá trình đầu tư phát triển, các hệ thống thông tin, điều khiển và tự động hóa phục vụ vận hành lưới điện vẫn chưa được đầu tư trang bị ở hầu hết các lưới điện (trung thế, hạ thế)

Như ch ng ta đã biết, mỗi lưới điện thông minh bao gồm tổng thể của nhiều thành phần, từ hệ thống nguồn điện (đa dạng, có nhiều loại nguồn phân tán), hệ thống truyền thông hiện đại, chiến lược điều khiển và giám sát lưới, hệ thống phần mềm quản lý cho phép tương tác hai chiều giữa ngành điện và khách hàng,

hệ thống đo đạc với cơ cấu chấp hành hiện đại, hệ thống bảo vệ rơ le hiện đại Các thành phần đó đều cần thiết cho mỗi hệ thống quản lý điện năng thông minh

và có thể áp dụng cho tất cả các cấp của lưới điện Từ các nhiệm vụ cơ bản của một lưới điện phân phối thông minh, kiến tr c mô hình lưới điện thông minh của

đề tài được thiết kế dựa trên sự quản lý kết hợp và phân chia các tầng chức năng

từ thấp đến cao, được trình bày trên Hình 3.1 Dựa theo mô hình này, lưới điện phân phối thông minh tùy thuộc vào sự phát triển của từng vùng miền khác nhau

và tùy thuộc vào sự đầu tư hác nhau mà có thể được áp dụng đến các mức độ, phạm vi khác nhau

Theo mô hình kiến trúc của lưới điện phân phối thông minh tầng đầu tiên (thấp nhất), đó là tầng quản lý vật lý các phần tử điện trên lưới điện, quản lý từng phần

tử điện (hay nhóm phần tử điện) riêng biệt Đây ch nh là mức độ quản lý của phần lớn các lưới điện phân phối Việt Nam hiện nay, khi mà mỗi hệ thống lưới điện phân phối ở phía thứ cấp của trạm biến áp, hầu như được quản lý độc lập với các lưới điện khác, và việc quản lý ở đây thực hiện qua thao tác, có thể là từ

xa hoặc tại chỗ của mỗi thiết bị đóng cắt cho mỗi nhánh của nguồn điện

Mức độ thứ hai của lưới điện phân phối thông minh chính là sự nâng cấp trong việc quản lý các phần tử trong lưới điện thông qua việc thiết lập các giao thức

truyền thông và cơ chế truyền thông giữa các phần tử trên lưới, nghĩa là các phần

tử đã được liên kết với nhau và thống nhất điều khiển với nhau

Hình 3.1 Mô hình kiến trúc lưới phân phối thông minh

Khi hệ thống đo lường và truyền thông từ xa được thiết lập và thông suốt, tầng thứ 3 (tầng thông tin – information layer) có chức năng thiết lập các cơ sở dữ liệu

và xây dựng các phần tử tin học (object information), mô hình hóa tham chiếu cho các thiết bị hay các nhóm thiết bị cần điều khiển và giám sát Thông qua cơ

sở dữ liệu và các mô hình tin học, các thuật toán điều khiển thông minh, các chiến lược điều khiển tối ưu và giám sát từ xa được thực hiện chính xác

Ở tầng cao nhất – tầng chức năng, hi mà cơ sở hạ tầng truyền thông cũng như

hệ thống các thiết bị đo lường và điều khiển đã được tích hợp trên lưới, có khả năng t nh toán các chương trình, các ế hoạch chức năng điều khiển thông minh trên lưới Tại tầng cao nhất này, các chương trình quản lý nhu cầu phụ tải điện kết hợp với các dịch vụ cho phép sự tương tác qua lại hai chiều giữa nhà cung cấp điện và các phụ tải điện sẽ được thực hiện (ở đây ch nh là các chức năng quản lý độc lập và các dịch vụ độc lập, cho phép sự tham gia tích cực của hộ tiêu thụ điện vào trong vấn đề quản lý và đem lại hiệu quả sử dụng cho lưới điện phân phối thông minh)

Hệ thống lưới điện thông minh thiết lập theo mô hình này từng bước sánh ngang với các hệ thống lưới điện thông minh trên thế giới và đáp ứng nhu cầu phát triển của ngành điện Việt Nam Trong phạm vi đề tài xây dựng cho một lưới điện phân phối thông minh ở cấp điện áp 22/0,4 V, lĩnh vực nghiên cứu tham chiếu theo

mô hình trên tập trung ở các nội dung nghiên cứu kết hợp giữa các mặt: lưới phân phối – nguồn phân tán – chiến lược điều khiển và vận hành – hộ tiêu thụ

Nội dung đó bao gồm:

a) Hệ thống thông tin liên lạc trong lưới điện thông minh:

 Các chuẩn truyền thông (phân tầng cụ thể);

 Các thiết bị kết nối đầu cuối

b) Các thiết bị đo đếm, điều khiển vận hành, bảo vệ lưới điện phân phối thông minh:

 Hệ thống đo lường chính xác và hiện đại;

 Cơ cầu điều khiển, vận hành: các công tắc tơ, máy cắt, dao cách ly…;

 Thiết bị bảo vệ rơ le hiện đại

c) Tích hợp hệ thống nguồn điện phân tán trong lưới điện thông minh:

 Đặc tính của từng loại nguồn điện phân tán;

 Các cách thức vận hành từng loại của nguồn điện phân tán

Các nguồn điện phân tán có thể là: điện gió, điện mặt trời, điện năng sinh hối

V đụ mô hình thiết bị tiên tiến của Toshiba năm 2010 (có thể ứng dụng cho các nguồn phân tán khác nhau)

Hình 3.2 Hệ thống pin mặt trời của Toshiba (2010) – Advanced Photovoltaic System

Các HTĐ phân tán như Solar cells – pin mặt trời, hay pin tích trữ năng lượng –storage bateries, tất cả đều được quản lý phân tích bằng đồ thị dạng sóng theo thời gian (Output waveform of photovoltaics) Ở cấp quản lý ở đầu ra, trên lưới điện, quản lý thông qua biểu đồ đặc tính (waveform after curbing fluctuation) trước hi được truyền tải lên lưới điện

Hình 3.3 Hệ thống năng lượng tái tạo dùng trong lưới điện phân phối thông minh theo

chuẩn IEC

Theo mô hình này, toàn bộ các trung tâm sản xuất điện hay hộ tiêu thụ điện (electrical and thermal consumption) cùng với các loại nguồn điện phân tán như năng lượng gió – Wind turbine, năng lượng sinh khối – Biomass plant, năng lượng mặt trời – Photovoltaic plant, đều được tích hợp quản lý thông qua hệ thống DEMS (Online prognosis and optimization – hệ thống quản lý liên tục và

xử lý tối ưu) với nhiều hợp đồng (contract) mua/bán điện khác nhau

d) Các hệ thống thông tin lưu trữ, mô hình xử lý tín hiệu trong lưới điện phân phối thông minh:

 Hệ thống lưu trữ;

 Thiết kế cơ sở dữ liệu;

 Mô hình hóa các phần tử cần điều khiển (component models), các dữ liệu cần thiết để quản lý và liên quan đến từng thiết bị

e) Các chiến lược, phần mềm điều khiển lưới điện:

 Phần mềm mô phỏng lưới điện;

 Phần dự đoán lưới (apprentissage) dựa vào các dữ liệu thu thập;

 Phân quyền sử dụng

Hình 3.4 Điều khiển trong lưới điện phân phối thông minh

Trên Hình 3.4 cho thấy, toàn bộ hoạt động của lưới điện phân phối và các nguồn điện phân tán như nguồn Diesel, nguồn Fuel cell (máy phát điện chạy dầu), nguồn PV (năng lượng mặt trời) đều được quản lý thông qua các khối điều khiển riêng biệt (controller) và quản lý chung thông qua trung tâm điều khiển lưới phân phối (DEG plant operations)

f) Các dịch vụ, điều khiển thông minh, quản lý năng lượng, các thuật toán trí tuệ nhân tạo dự báo cho điều khiển lưới điện

Từ việc đề xuất, xây dựng các phương án cho lưới điện thông minh của Việt Nam, việc phân tích các hiệu quả đạt được về mặt khả năng tiết kiệm và hiệu quả năng lượng điện có ý nghĩa thực tế quan trọng Ở đây, các vấn đề quan tâm cần

được nghiên cứu chính là đánh giá hiệu quả về tổn thất điện năng, tự động hóa trong lưới, đánh giá tăng cường độ tin cậy cung cấp điện

Đối với lưới điện phân phối 22/0,4kV của Việt Nam, việc áp dụng các nguồn điện phân tán loại phong điện hay thủy điện nhỏ còn rất hạn chế và khó thực hiện trong tương lai Hiện tại mới chỉ có một số dạng nguồn điện như nguồn diesel của từng hộ phụ tải hoặc là nguồn năng lượng mặt trời Do đó, đề tài đề suất nghiên cứu tổng hợp các loại nguồn phân tán, nhưng trong gói sản phẩm, sẽ chủ yếu sử dụng các nguồn diesel (hay nguồn pin năng lượng mặt trời) tại chỗ của phụ tải, theo hướng thông minh cho từng phụ tải

Các công nghệ truyền thông có thể được sử dụng trong lưới 3.1.2

bị đầu vào Công nghệ được xác định bởi thông số kỹ thuật ZigBee được dự định đơn giản và ít tốn ém hơn so với các mạng khu vực cá nhân không dây khác (WPAN), như Bluetooth hoặc Wi-Fi

Mạng ZigBee được bảo mật bằng các hóa mã hóa đối xứng 128 bit Có một ứng dụng ZigBee thông minh Energy Energy cho phép tích hợp các Công tơ thông minh vào mạng ZigBee cùng với các thiết bị khác Bằng cách sử dụng ứng dụng này, Công tơ thông minh có thể thu thập thông tin từ các thiết bị tích hợp và kiểm soát ch ng Hơn nữa, người tiêu dùng có thể xem mức tiêu thụ năng lượng của

họ trong thời gian thực Nó cũng cho phép tiêu thụ năng lượng tốt hơn và giá cả năng động theo thời gian thực

Ưu điểm của ứng dụng ZigBee trong lưới điện thông minh là giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn và nó sử dụng băng thông tương đối nhỏ

Nhược điểm của ZigBee là pin nhỏ làm hạn chế tuổi thọ, bộ nhớ nhỏ, tốc độ dữ liệu hạn chế và khả năng xử lý thấp Ngoài ra, hoạt động của nó ở tần số không được cấp phép là 868MHz và 2,4GHz có thể gây nhiễu với các tín hiệu Wi-Fi, Bluetooth và Vi sóng khác

3.1.2.2 Mạng WLAN

Mạng cục bộ không dây (WLAN) liên kết hai hoặc nhiều thiết bị bằng cách sử dụng OFDM Ghép kênh theo tần số trực giao và thường cung cấp kết nối thông qua điểm truy cập vào Internet rộng hơn Điều này cung cấp cho người dùng khả năng di chuyển trong vùng phủ sóng cục bộ và vẫn được kết nối với mạng Hầu

hết các mạng WLAN hiện đại đều dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.11, được bán trên thị trường dưới tên thương hiệu Wi-Fi

Các mạng WLAN đã trở nên phổ biến trong nhà do dễ cài đặt và trong các tổ hợp thương mại cung cấp truy cập không dây cho khách hàng của họ

WLAN có thể dễ dàng tích hợp vào lưới điện thông minh do triển khai rộng khắp thế giới WLAN hoạt động ở tần số 2,4GHz - 3,5GHz

Ưu điểm của mạng WLAN là chi phí thấp, triển khai rộng khắp thế giới, các thiết

Ưu điểm của mạng di động là cơ sở hạ tầng hiện có với diện tích triển khai rộng, tốc độ truyền dữ liệu cao, thuật toán bảo mật có sẵn đã được triển khai trong giao tiếp di động

Nhược điểm chính là mạng di động được chia sẻ với người dùng khác và không hoàn toàn dành riêng cho truyền thông lưới điện thông minh Đây có thể là vấn

đề nghiêm trọng trong trường hợp khẩn cấp của lưới điện

3.1.2.4 Truyền thông đường dây điện (PLC)

Giao tiếp đường dây điện cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị thông qua đường dây điện PLC được thực hiện bằng cách thêm tín hiệu sóng mang được điều chế vào đường cáp nguồn Tốc độ dữ liệu của truyền thông dựa trên kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing - Phương pháp điều chế đa sóng mang) có thể lên tới vài Mbs

Tốc độ dữ liệu và giới hạn khoảng cách rất khác nhau qua nhiều tiêu chuẩn truyền thông đường dây điện Các sóng mang tần số thấp (khoảng 100 - 200 kHz) gây ấn tượng trên các đường truyền điện áp cao có thể mang một hoặc hai mạch thoại tương tự, hoặc mạch từ xa và mạch điều khiển với tốc độ dữ liệu tương đương vài trăm bit mỗi giây; Tuy nhiên, các mạch có thể dài nhiều dặm Tốc độ

dữ liệu cao hơn thường ngụ ý phạm vi ngắn hơn

Các loại khác nhau của truyền thông đường dây điện sử dụng các dải tần số khác nhau Do hệ thống phân phối điện ban đầu được dự định để truyền tải điện xoay chiều ở tần số điển hình là 50 hoặc 60 Hz, nên các mạch dây nguồn chỉ có khả năng hạn chế để mang tần số cao hơn Vấn đề là thiết lập truyền thông tần số cao

qua các đường dây điện do sự pha loãng tín hiệu tần số cao Vấn đề lan truyền là một yếu tố hạn chế cho truyền thông đường dây điện

Hơn nữa, có thể có nhiễu tín hiệu truyền thông với sóng hài bậc cao được tạo ra bởi các tải phi tuyến t nh có trong lưới như bộ chỉnh lưu, bộ biến tần, v.v Để khắc phục vấn đề này, nên sử dụng các bộ lọc hoạt động nâng cao

Trong các ứng dụng lưới điện thông minh, PLC được sử dụng trong giao tiếp Mạng khu vực lân cận để kết nối giữa Công tơ thông minh và Bộ tập trung dữ liệu cục bộ (LDC) Tuy nhiên, giao tiếp Mạng diện rộng, từ LDC đến các thành phần lưới điện thông minh hác như trung tâm điều khiển, tạo, truyền và phân phối, được thực hiện thông qua các mạng di động

Ưu điểm của PLC đã được thiết lập, cơ sở hạ tầng trải rộng giúp giảm chi phí lắp đặt

Nhược điểm là sự hiện diện của sóng hài cao hơn trong các đường dây điện gây nhiễu tín hiệu liên lạc và tần số giao tiếp hạn chế

Bảng 3.1 So sánh các công nghệ truyền thông có thể dùng trong LĐTM

Tốc độ dữ liệu thấp GPRS 901-1800MHz Đến

170Kpbs 1-10 km

AMI, Đáp ứng nhu cầu, HAN

Tốc độ dữ liệu thấp 3G

1.92-1.98GHz

2.11-2.17GHz

(được cấp phép)

2Mbps 1-10 km

384Kbps-AMI, Đáp ứng nhu cầu, HAN

Phí quang phổ tốn kém

WiMAX

2.5GHz, 3.5GHz, 5.8GHz

Đến 75Mbps

10-50 km (LOS) 1-5 km (NLOS)

AMI, Đáp ứng nhu cầu

Không phổ biến

PLC 1-30 MHz 2-3Mbps 1-3 km AMI, Phát

hiện gian lận

Môi trường kênh khắc nghiệt, ồn ào

ZigBee 2.4GHz- 868 -

915MHz 250Kbps 30-50 m AMI, HAN

Tốc độ dữ liệu thấp, phạm vi ngắn Bảng 3.1 thể hiện sự so sánh giữa các công nghệ truyền thông có thể sử dụng trong lưới điện thông minh về tốc độ, quang phổ, phạm vi phủ sóng, các ứng dụng trong lưới điện thông minh cũng như các hạn chế của nó

3.1.2.5 Vấn đề thông tin trong hệ thống điện thông minh

Trong HTĐ có rất nhiều các thiết bị đã gần đạt hoặc vượt quá vòng đời làm việc của mình và cũng có nhiều thiết bị với công nghệ mới cần được đưa vào hoạt động đề đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật ngày càng cao Đề có thể nâng cao hiệu quả hoạt động của các thiết bị hiện có và cả những thiết bị mới cần phải nắm được hiện trạng của HTĐ cũng như phải dự đoán trước được định hướng phát

triển trong tương lai Các thiết bị giám sát, điều khiển và bảo vệ tạo thành một hệ thống hoạt động phục vụ cho mục đ ch này Trong những phần tiếp theo dưới đây, thuật ngữ “HTĐ” được dùng đề chỉ tập hợp các thiết bị cấu tạo nên hệ thống sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng, “I&C” (Instrumentation and Control – Đo lường và điều khiển) được dùng để chỉ cho tập hợp các thiết bị giám sát, điều khiển và bảo vệ HTĐ Còn “IEDs” (Intelligent Electronic Devices) dùng đề chỉ các thiết bị điện tử thông minh – vẫn thường được dùng trong các mục đ ch bảo vệ, đo lường và lưu giữ sự kiện

Theo cách truyền thống, thông tin về các thiết bị trong HTĐ được thu nhập thông qua giám sát hay kiểm tra bằng tay (manual) hoặc thông qua các sự cố Việc giám sát và chuẩn đoán các thiết bị của các công ty điện lực mới chỉ được xem xét một cách định kỳ mà rất t hi được cập nhật thường xuyên và tự động (automatic) Nếu được phát hiện có lỗi, các hoạt động bảo dưỡng sẽ được ghi nhớ

và tiến hành như là một phần của kế hoạch bảo dưỡng định kỳ tiếp theo Có nghĩa là các hoạt động bảo dưỡng đối với thiết bị được quyết định và tiến hành một cách chủ quan mà không quan tâm tới tình trạng hiện tại cấp thiết của thiết

bị Các hoạt động bảo dưỡng định kỳ như vậy cũng thường tiêu tốn một lượng ngân sách không nhỏ Đôi hi do nguồn thông tin thu nhập không chính xác, các hoạt động bảo dưỡng sẽ bị áp dụng sai mục đ ch

Trên thực tế, thông tin thu nhận được từ hệ thống tích hợp của các IEDs có thể phục vụ cho rất nhiều mục đ ch của HTĐ trong đó có việc giám sát Dữ liệu phục

vụ cho việc chuẩn đoán có thể là thông tin về tình trạng vận hành như giá trị đo lường, trạng thái hay các tham số của các thiết bị như tình trạng làm việc của máy cắt, máy biến áp Dữ liệu phục vụ cho phân t ch HTĐ có thể là các bản ghi (ví dụ từ Rơle số) phản ánh phản ứng của HTĐ trước các sự cố, theo thời gian

Ch ng cũng bao gồm cả các báo cáo sự kiện hay chuỗi các sự kiện (sequerial event)

Nói tóm lại, năng lực vận hành HTĐ cũng như giá thành cho nó phụ thuộc vào khả năng thu nhận và xử lý nguồn thông tin một cách tức thời Thông tin đòi hỏi phải được cập nhật hết sức thường xuyên, 24 giờ trong ngày, bảy ngày trong tuần và phải có một hệ thống tích hợp của các IEDs để cung cấp nguồn dữ liệu

Các giao thức truyền thông trong hệ thống điện 3.1.3

3.1.3.1 Giao thức truyền thông

Giao thức, trong thông tin liên lạc và truyền thông, được hiểu là “các quy tắc truyền dữ liệu” cho phép các máy t nh hoặc các máy tính và các thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit) trao đổi dữ liệu với nhau Không giống như “đối thoại” giữa con người, truyền dữ liệu không thể linh hoạt để cho phép những mệnh lệnh khó hiểu Bởi vậy, để thực hiện được việc trao đổi dữ liệu một cách chính xác, quy tắc liên lạc ch nh xác cũng phải được thiết lập Một quy chuẩn giao thức bao gồm các thành phần sau:

- Cú pháp (syntax): Quy định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi

trao đổi, trong đó có phần thông tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ như địa chỉ, thông tin điều khiển, thông tin kiểm tra lỗi

- Ngữ nghĩa (semantic): Quy định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong một

bức điện, như phương pháp định địa chỉ, phương pháp bảo toàn dữ liệu, thủ tục điều khiển dòng thông tin, xử lý lỗi

- Định thời (timing): Quy định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền

(đồng bộ hay hông đồng bộ), tốc độ truyền thông

3.1.3.2 Kiến trúc giao thức truyền thông OSI

Đây hông phải là một chuẩn thống nhất về giao thức, cũng hông phải là một chuẩn chi tiết về dịch vụ truyền thông, Chuẩn này hông đưa ra bất kì một quy định nào về cấu trúc một bức điện, cũng như hông định nghĩa bất cứ một chuẩn dịch vụ cụ thể nào OSI (Open System Interconnection - Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở) chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đ ch phục

vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó có cả việc so sánh, đối chiêu các giao thức và dịch vụ truyền thông, cũng như cơ sở cho việc phát triển các hệ thống mới

Theo mô hình tham chiếu OSI - Hình 3.5, chức năng hay dịch vụ của một hệ thống truyền thông được phân chia thành 7 lớp Với việc định nghĩa 7 lớp như vậy, OSI đưa ra một mô hình trừu tượng cho các quá trình giao tiếp phân cấp Nếu hai hệ thống thực hiện cùng các dịch vụ và trên cơ sở một giao thức giống nhau ở một lớp, thì có nghĩa là hai hệ thống có khả năng tương tác ở lớp đó

Hình 3.5 Mô hình tham chiếu OSI

1 Lớp ứng dụng (Application layer):

Lớp ứng dụng là lớp cao nhất trong mô hình tham chiếu OSI Nó cung cấp các dịch vụ ứng dụng cho các phương tiện truy nhập đến môi trường OSI đề xử lý các ứng dụng trong hệ thống mở

2 Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation layer):

Khi có nhiều các định dạng hác nhau để thể hiện thông tin (mã ký tự, cách sắp xếp…) được trao đổi giữa các lớp ứng dụng, lớp biểu diễn dữ liệu sẽ cung cấp các dịch vụ nhằm chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau về cú pháp thành một dạng chuẩn

3 Lớp kiểm soát nối (Session layer):

Lớp kiểm soát nối có chức năng iểm soát mỗi liên kết truyền thông giữa các chương trình ứng dụng, bao gồm việc tạo lập, quản lý, kết thúc và thiết lập điểm đồng bộ trong dòng dữ liệu

4 Lớp vận chuyển (Transport layer):

Lớp vận chuyển có chức năng thiết lập kênh logic giữa các hệ thống đầu cuối, như giữa thiết bị đầu cuối và máy chủ, để lớp ph a ngay trên nó đảm bảo việc truyền dữ liệu qua các thủ tục dò tìm lỗi, phục hồi, và nâng cao độ tin cậy Lớp này cũng bù những sự khác nhau trong chất lượng kết nối mạng để cung cấp kết nối ở lớp vận chuyển có chất lượng cao cho các lớp trên

5 Lớp mạng (Network layer):

Lớp mạng sử dụng các chức năng truyền dữ liệu giữa các nút kế tiếp do lớp liên kết dữ liệu cung cấp để thực hiện trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống đầu cuối Lớp mạng có bốn vai trò như sau:

 Ấn định hướng để chuyển dữ liệu tới;

 Xác định ênh đề gửi dữ liệu;

 Truyền và chuyển tiếp dữ liệu;

 Loại trừ sự khác biệt trong chất lượng dịch vụ mạng con (bởi một hệ thống mạng diện rộng thường là sự liên kết của nhiều mạng con, tồn tại độc lập)

6 Lớp liên kết dữ liệu (Data link layer):

Lớp này sử dụng các chức năng truyền và nhận các bit dữ liệu được cung cấp bởi lớp vật lý đề thực hiện việc truyền và nhận dữ liệu với độ tin cậy cao Lớp liên kết dữ liệu bao gồm các chức năng sau:

 Truyền dữ liệu;

 Xác nhận việc phân phối dữ liệu;

 Xử lý khôi phục một lỗi được phát hiện ra;

 Điều khiển luồng lưu lượng để điều chỉnh số lượng hung được truyền

7 Lớp vật lý (Physical layer):

Đây là lớp dưới cùng trong mô hình phân lớp chức năng Lớp này đảm nhiệm toàn bộ công việc truyền dẫn dữ liệu bằng phương tiện vật lý Các quy định sau đây mô tả giao diện vật lý giữa một trạm thiết bị và môi trường truyền thông:

 Các chi tiết về cấu trúc mạng (bus, cây, hình sao…);

 Kỹ thuật truyền dẫn (RS–485, truyền cáp quang…);

 Phương pháp mã hóa bit, các tốc độ truyền cho phép;

 Giao diện cơ học (phích cắm, giắc cắm…)

3.1.3.3 Kiến trúc giao thức TCP/IP

Khái niệm TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) dùng để chỉ cả một bộ giao thức và dịch vụ truyền thông được công nhận thành chuẩn Internet Cho đến nay, TCP/IP đã xâm nhập tới rất nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau trong đó có các mạng máy tính cục bộ LAN (Local Area Network) và mạng truyền thông công nghiệp Với xu thế phát triển mạnh của mạng Ethernet, TCP/IP chiếm một vai trò quan trọng hàng đầu trong công nghệ Bus trường hiện nay

Kiến trúc giao thức TCP/IP đối chiếu với mô hình OSI ta có thể sắp xếp các chức năng truyền thông cho TCP/IP thành năm lớp độc lập: Lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp Internet, lớp truy cập mạng và lớp vật lý

1 Lớp ứng dụng

Thực hiện các chức năng hộ trợ cần thiết cho nhiều ứng dụng khác nhau Với mỗi loại cần một mô đun riêng biệt, ví dụ FTP (File Transfer Protocol) dùng cho chuyển giao file, TELNET dùng cho làm việc với trạm chủ từ xa, SMTP dùng cho chuyển giao thư điện tử

2 Lớp vận chuyển

Cơ chế bảo đảm dữ liệu được vận chuyển một cách tin cậy hoàn toàn không phụ thuộc vào đặc tính của các ứng dụng sử dụng dữ liệu Chính vì thế, cơ chế này được sắp xếp vào một lớp độc lập để tất cả các ứng dụng khác nhau có thể sử dụng chung

5 Lớp Vật Lý

Lớp vật lý đề cập tới giao diện vật lý giữa một thiết bị truyền dữ liệu (ví dụ PC hay PLC) với môi trường truyền dẫn hay mạng Trong đó có đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độ truyền và cấu tr c cơ học các phích cắm/giắc cắm

Hình 3.6 So sánh OSI và TCP/IP

3.1.3.4 Truy nhập Bus

Trong các hệ thống mạng truyền thông của ngành HTĐ, hệ thống Bus đóng vai trò quan trọng Trong một mạng có cấu trúc dạng bus, các thành viên phải chia nhau thời gian sử dụng đường dẫn Để tránh sự xung đột về tín hiệu gây ra sai lệch về thông tin, ở mỗi thời điểm trên một đường dẫn chỉ duy nhất có một điện

t n được phép truyền đi

Phương pháp truy nhập bus là một trong những vấn đề cơ bản đối với các hệ thống bus bởi mỗi phương pháp có những ảnh hưởng khác nhau tới các t nh năng

kỹ thuật của hệ thống Cụ thể ta phải quan tâm tới ba khía cạnh: độ tin cậy, tính năng thời gian thực và hiệu suất sử dụng đường truyền T nh năng thời gian thực

ở đây là hả năng đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin một cách kịp thời và tin cậy Còn hiệu suất sử dụng đường truyền là mức độ khai thác, sử dụng đường truyền

Có thể phân loại cách truy nhập bus thành các phương pháp tiền định và các phương pháp ngẫu nhiên

a) Phương pháp truy nhập tiền định:

 Kiểm soát tập trung Master/Slave TDMA;

 Kiểm soát phân tán Tocken Passing

b) Phương pháp truy nhập ngẫu nhiên:

 Nhận biết xung đột CSMA/CD;

 Tránh xung đột CSMA/CA

Phương pháp truy nhập Master/Slave

Theo phương pháp Master/Slave (chủ/tớ), một trạm chủ có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy cập bus cho các trạm tớ Các trạm tớ đóng vai trò bị động, chỉ có quyền truy cập bus và gửi tín hiệu đi hi có yêu cầu Trạm chủ có thể dùng phương pháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động