Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống lưới điện phân phối tại Thành phố Hồ Chí Minh hiện quản lý hơn 26.290 trạm biến thế với tổng công suất lắp đặt 11.713 MVA và 603 tuyến dây trung thế dài 6.654 km. Đặc biệt, hệ số mang tải bình quân của trạm hạ thế công cộng đạt khoảng 65%, trong khi độ dự phòng lưới truyền tải ở cấp 22 kV đạt khoảng 60%, cấp 110 kV trên 40% và cấp 220 kV trên 50%. Với công suất truyền tải đáp ứng đỉnh năm 2018 là 4.138 MW, hệ thống điện TP.HCM có khả năng vận hành ổn định theo tiêu chí n-1. Tuy nhiên, sự gia tăng phụ tải dự kiến trong 10-20 năm tới đặt ra yêu cầu cấp thiết về nâng cao độ tin cậy và giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng giải pháp FLISR (Fault Location, Isolation and Service Restoration) trên lưới điện phân phối hình tia tại khu vực Củ Chi, TP.HCM, với mục tiêu khôi phục cung cấp điện nhanh chóng và tối ưu hóa tổn thất điện năng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hóa lưới điện phân phối trên hệ thống SCADA/DMS của Alstom, mô phỏng các kịch bản sự cố thực tế và đánh giá hiệu quả các phương án cách ly sự cố và khôi phục điện. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng cung cấp điện, giảm thời gian mất điện và tổn thất điện năng, góp phần phát triển lưới điện thông minh tại TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Giải pháp FLISR: Tập trung vào phát hiện, định vị, cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện trên lưới điện phân phối hình tia, kết hợp với phân tích trào lưu công suất để đánh giá tổn thất điện năng.
  • Phân bố phụ tải (Bus Load Allocation - BLA): Phương pháp ước lượng tải cho các bus chưa được trang bị công tơ đo đếm, dựa trên dữ liệu đo lường thời gian thực từ hệ thống SCADA và thông tin khách hàng trong GIS.
  • Phân tích trào lưu công suất (Distribution Power Flow - DPF): Thuật toán phân tích lưới điện không cân bằng theo từng pha, sử dụng kỹ thuật phân tích ma trận tổng dẫn bus và ma trận tam giác LU để tính toán điện áp, dòng điện và tổn thất trên lưới.
  • Phân tích tổn thất (Loss Analysis - LA): Tính toán tổn thất điện năng trên đường dây và máy biến áp dựa trên kết quả DPF, bao gồm tổn thất đồng, tổn thất lõi và tổn thất shunt.

Ba khái niệm chính được sử dụng là: điện áp bus, dòng công suất thực và phản kháng, và tổn thất điện năng. Giải pháp FLISR được phát triển dựa trên các tiêu chí đánh giá đa chiều như xung đột dòng công suất, xung đột điện áp, số khách hàng mất điện, số bước thao tác và tổn thất điện năng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ hệ thống SCADA/DMS của Tổng công ty Điện lực TP.HCM, bao gồm dữ liệu thời gian thực từ các thiết bị bảo vệ kỹ thuật số, recloser, FTU có chức năng chỉ báo sự cố (FI) và thông tin GIS. Mô hình lưới điện phân phối hình tia tại khu vực Củ Chi được xây dựng chi tiết với các thông số đường dây, máy biến áp và thiết bị đóng cắt.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô phỏng các kịch bản sự cố (một pha, hai pha, ba pha chạm đất) tại ba vị trí F1, F2, F3 trên tuyến dây 473 Gò Nổi.
  • Áp dụng giải pháp FLISR để phát hiện, định vị, cách ly sự cố và đề xuất các phương án khôi phục cung cấp điện.
  • Tính toán trào lưu công suất và tổn thất điện năng cho từng phương án khôi phục.
  • Đánh giá và xếp hạng các phương án dựa trên hàm mục tiêu đa tiêu chí với trọng số được cài đặt theo mức độ ưu tiên.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ lưới điện phân phối 22 kV thuộc khu vực Củ Chi, với dữ liệu thu thập trong vòng 15 phút trước và sau sự cố. Phương pháp chọn mẫu là toàn bộ hệ thống lưới điện phân phối hình tia có trang bị thiết bị SCADA/DMS. Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm chuyên dụng E-terra Distribution của Alstom, kết hợp thuật toán giải bài toán tối ưu đa tiêu chí.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả phát hiện và định vị sự cố: Giải pháp FLISR đã phát hiện và định vị chính xác phân đoạn sự cố trong vòng chưa đầy 1 giây sau khi tín hiệu sự cố được truyền về hệ thống SCADA/DMS. Ví dụ, tại vị trí F1, tín hiệu cảnh báo từ máy cắt 473 Gò Nổi được xử lý nhanh chóng, giúp cách ly sự cố kịp thời.

  2. Khôi phục cung cấp điện nhanh chóng: Các phương án khôi phục cung cấp điện được đề xuất dựa trên hàm mục tiêu đa tiêu chí, ưu tiên tối đa hóa công suất khôi phục và giảm số bước thao tác. Kết quả mô phỏng cho thấy thời gian khôi phục trung bình giảm khoảng 30% so với phương pháp thủ công truyền thống.

  3. Giảm tổn thất điện năng: Khi xét đến tổn thất điện năng trong quá trình khôi phục, các phương án được xếp hạng ưu tiên đã giảm tổn thất trung bình khoảng 12% so với các phương án không xét đến tổn thất. Điều này thể hiện qua kết quả phân tích trào lưu công suất và tổn thất trên từng phân đoạn lưới.

  4. Tăng độ tin cậy cung cấp điện: Chỉ số SAIDI và SAIFI tại khu vực Củ Chi được cải thiện rõ rệt nhờ ứng dụng giải pháp FLISR, với SAIFI giảm từ khoảng 0,59 lần/khách hàng xuống còn khoảng 0,4 lần/khách hàng, và SAIDI giảm tương ứng từ 44 phút/khách hàng xuống còn khoảng 30 phút/khách hàng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả trên là do giải pháp FLISR tận dụng dữ liệu thời gian thực từ các thiết bị bảo vệ kỹ thuật số và FTU, kết hợp với mô hình hóa chính xác lưới điện phân phối trên hệ thống SCADA/DMS. Việc áp dụng hàm mục tiêu đa tiêu chí giúp cân bằng giữa tốc độ khôi phục và tối ưu tổn thất điện năng, phù hợp với yêu cầu vận hành hiện đại.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, giải pháp này vượt trội hơn về khả năng tích hợp dữ liệu và tự động hóa quyết định, đồng thời giảm thiểu sự phụ thuộc vào thao tác thủ công của điều độ viên. Kết quả mô phỏng được trình bày qua các biểu đồ thời gian xử lý sự cố, bảng xếp hạng phương án ISR và biểu đồ tổn thất điện năng theo từng phương án, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Ý nghĩa của nghiên cứu là mở ra hướng phát triển ứng dụng công nghệ tự động hóa và trí tuệ nhân tạo trong quản lý lưới điện phân phối, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả sử dụng năng lượng tại các đô thị lớn như TP.HCM.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai mở rộng giải pháp FLISR trên toàn bộ lưới điện phân phối TP.HCM: Đẩy nhanh tiến độ trang bị thiết bị SCADA/DMS cho các tuyến dây trung thế chưa được kết nối, nhằm mở rộng phạm vi áp dụng giải pháp FLISR. Mục tiêu đạt 100% lưới điện trung thế có SCADA/DMS trong vòng 2 năm tới.

  2. Tăng cường đào tạo và nâng cao năng lực vận hành cho nhân viên: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành hệ thống SCADA/DMS và giải pháp FLISR cho đội ngũ điều độ viên và kỹ sư vận hành, đảm bảo họ có thể khai thác tối đa tính năng tự động hóa. Thời gian đào tạo dự kiến 6 tháng.

  3. Nâng cấp hạ tầng mạng truyền dẫn và bảo mật thông tin: Đầu tư nâng cấp hệ thống mạng truyền dẫn để đảm bảo độ tin cậy và tốc độ truyền dữ liệu cao, đồng thời triển khai các giải pháp bảo mật nhằm bảo vệ dữ liệu và hệ thống khỏi các nguy cơ tấn công mạng. Kế hoạch thực hiện trong 1 năm.

  4. Phát triển và tích hợp các thuật toán tối ưu nâng cao: Nghiên cứu áp dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo, học máy để cải thiện khả năng dự báo sự cố và tối ưu hóa phương án khôi phục cung cấp điện, giảm thiểu tổn thất điện năng hơn nữa. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành lưới điện phân phối: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về giải pháp FLISR và ứng dụng thực tế trên hệ thống SCADA/DMS, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố.

  2. Các nhà quản lý và điều độ viên ngành điện lực: Tham khảo để hiểu rõ các tiêu chí đánh giá và phương pháp tối ưu hóa khôi phục cung cấp điện, từ đó xây dựng chính sách vận hành phù hợp.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành quản lý năng lượng, kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quý giá về mô hình hóa lưới điện phân phối, phân tích trào lưu công suất và tổn thất điện năng, cũng như các thuật toán tự động hóa lưới điện.

  4. Các nhà phát triển phần mềm và công nghệ cho ngành điện: Cung cấp cơ sở để phát triển các giải pháp SCADA/DMS tích hợp FLISR, nâng cao tính tự động và hiệu quả của hệ thống quản lý lưới điện thông minh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giải pháp FLISR là gì và tại sao quan trọng?
    FLISR là giải pháp phát hiện, định vị, cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện tự động trên lưới điện phân phối. Nó giúp giảm thời gian mất điện và tổn thất điện năng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Ví dụ, tại Củ Chi, FLISR đã giảm thời gian khôi phục trung bình 30%.

  2. Phương pháp phân tích trào lưu công suất (DPF) hoạt động như thế nào?
    DPF sử dụng thuật toán phân tích ma trận tổng dẫn bus để tính toán điện áp, dòng điện và tổn thất trên lưới điện không cân bằng theo từng pha. Phương pháp này phù hợp với lưới điện phân phối có nhiều bus và tải không đồng đều.

  3. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả các phương án khôi phục cung cấp điện?
    Hiệu quả được đánh giá dựa trên sáu tiêu chí chính như xung đột dòng công suất, điện áp, số khách hàng mất điện, số bước thao tác và tổn thất điện năng. Các tiêu chí này được kết hợp trong hàm mục tiêu đa tiêu chí để xếp hạng phương án.

  4. Giải pháp FLISR có thể áp dụng cho các loại lưới điện khác không?
    Mặc dù nghiên cứu tập trung vào lưới điện phân phối hình tia, nguyên lý và phương pháp FLISR có thể điều chỉnh để áp dụng cho lưới điện vòng hoặc có cấu trúc phức tạp hơn, với điều kiện có đủ dữ liệu và thiết bị hỗ trợ.

  5. Yêu cầu về hạ tầng công nghệ để triển khai FLISR là gì?
    Cần có hệ thống SCADA/DMS hiện đại, thiết bị bảo vệ kỹ thuật số, recloser, FTU có chức năng chỉ báo sự cố và mạng truyền dẫn tin cậy. Ngoài ra, phần mềm phân tích và mô phỏng lưới điện cũng đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành giải pháp.

Kết luận

  • Giải pháp FLISR ứng dụng trên lưới điện phân phối Củ Chi đã chứng minh khả năng phát hiện, định vị và cách ly sự cố nhanh chóng, chính xác.
  • Phương án khôi phục cung cấp điện được tối ưu hóa dựa trên hàm mục tiêu đa tiêu chí, cân bằng giữa tốc độ khôi phục và giảm tổn thất điện năng.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy giảm thời gian mất điện trung bình 30% và giảm tổn thất điện năng khoảng 12% so với phương pháp truyền thống.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện tại TP.HCM, hỗ trợ phát triển lưới điện thông minh.
  • Đề xuất mở rộng triển khai, nâng cấp hạ tầng và phát triển thuật toán tối ưu để nâng cao hiệu quả vận hành trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị quản lý lưới điện nên đẩy mạnh ứng dụng giải pháp FLISR, đồng thời đầu tư nâng cấp hạ tầng SCADA/DMS và đào tạo nhân lực để khai thác tối đa lợi ích từ công nghệ này.