Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối tại TP. Hồ Chí Minh là một trong những hệ thống điện quan trọng, phục vụ trung tâm kinh tế, văn hóa và công nghệ cao của cả nước. Đến cuối năm 2018, lưới điện trung thế 22kV có tổng chiều dài đường dây khoảng 4.858 km, với hơn 24.950 trạm biến thế dung lượng 10.720 MVA, cùng hơn 1.200 thiết bị đóng cắt như Recloser, LBS và RMU. Năm 2015, công suất tiêu thụ cực đại đạt 3.575 MW, sản lượng điện tiêu thụ cao nhất là 69,9 triệu kWh, chiếm khoảng 1/8 tổng tiêu thụ điện cả nước. Tuy nhiên, chỉ số thời gian mất điện trung bình (SAIDI) là 730 phút/năm và số lần mất điện trung bình (SAIFI) là 6,96 lần, cho thấy còn nhiều thách thức trong việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng hệ thống MiniSCADA/DMS nhằm tự động hóa vận hành lưới điện phân phối, giảm thiểu thời gian và khu vực mất điện khi xảy ra sự cố. Mục tiêu cụ thể là phát triển hệ thống thu thập, giám sát và điều khiển các thiết bị đóng cắt trung thế 22kV, áp dụng sơ đồ mạch vòng Miniscada để phát hiện, cô lập sự cố và khôi phục cung cấp điện nhanh chóng. Nghiên cứu được thực hiện trên lưới điện khu vực TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi thời gian từ năm 2015 đến 2020, nhằm nâng cao chất lượng cung cấp điện, giảm chỉ số SAIDI từ 1100 phút xuống còn 150 phút và SAIFI từ 10,5 lần xuống còn 1 lần.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc hiện đại hóa hệ thống SCADA hiện có, tích hợp thêm chức năng DMS, giúp tăng cường khả năng giám sát đến từng thiết bị trên lưới trung thế, nâng cao độ tin cậy, giảm tổn thất điện năng và giảm lực lượng lao động vận hành. Đây là bước tiến quan trọng trong công cuộc hiện đại hóa ngành điện lực, góp phần đảm bảo an toàn, liên tục và hiệu quả trong cung cấp điện cho khu vực đô thị lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình vận hành lưới điện phân phối hiện đại, trong đó có:

  • Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): Là hệ thống giám sát và điều khiển từ xa các thiết bị điện, thu thập dữ liệu trạng thái, đo lường và điều khiển thiết bị đóng cắt tại các trạm biến áp và trên lưới điện trung thế.

  • Hệ thống DMS (Distribution Management System): Mở rộng chức năng SCADA, cho phép phân tích, đánh giá trạng thái lưới điện, hỗ trợ điều độ viên trong việc phát hiện, cô lập sự cố và đề xuất phương án khôi phục cung cấp điện tối ưu.

  • Sơ đồ mạch vòng Miniscada: Mô hình vận hành tự động trên lưới điện phân phối có cấu trúc mạch vòng, sử dụng các thiết bị đóng cắt có khả năng điều khiển từ xa như Recloser, LBS, RMU để phát hiện sự cố, cô lập phần tử sự cố và tái lập cung cấp điện cho các phân đoạn không bị sự cố.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Recloser: Thiết bị đóng cắt trung thế có khả năng tự động đóng lại sau khi cắt do sự cố thoáng qua.

  • Bảo vệ rơ le: Các loại rơ le bảo vệ quá dòng, bảo vệ so lệch, bảo vệ khoảng cách, bảo vệ điện áp và tần số, đảm bảo an toàn cho các phần tử lưới điện.

  • Giao diện HMI (Human Machine Interface): Giao diện người dùng giúp giám sát và điều khiển hệ thống SCADA/DMS.

  • Chỉ số SAIDI và SAIFI: Các chỉ số đánh giá độ tin cậy cung cấp điện, lần lượt là thời gian mất điện trung bình và số lần mất điện trung bình của khách hàng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp, phân tích và thực nghiệm trên lưới điện thực tế khu vực TP. Hồ Chí Minh, với các bước chính:

  • Thu thập dữ liệu: Số liệu về lưới điện, thiết bị đóng cắt, các chỉ số vận hành, sự cố và các thông số kỹ thuật được thu thập từ Tổng Công ty Điện lực TP.HCM và các hệ thống SCADA hiện có.

  • Phân tích lý thuyết: Nghiên cứu các mô hình SCADA/DMS, sơ đồ Miniscada, các thuật toán điều khiển và bảo vệ rơ le, dựa trên tiêu chuẩn IEC và các tài liệu kỹ thuật quốc tế.

  • Xây dựng mô hình thử nghiệm: Thiết lập mô hình mạch vòng Miniscada gồm 5 Recloser và 6 phân đoạn trên lưới điện trung thế 22kV, sử dụng thiết bị Recloser Cooper với tủ điều khiển F6, FXD, kết nối qua mạng viễn thông 3G.

  • Phát triển phần mềm: Sử dụng phần mềm SCADA_Alstom và FG_Builder để xây dựng cơ sở dữ liệu và giao diện HMI giám sát, điều khiển từ xa.

  • Thí nghiệm và đánh giá: Thực hiện các kịch bản sự cố giả lập tại phòng thí nghiệm và trên lưới điện thực tế, kiểm tra khả năng phát hiện, cô lập sự cố và tái lập cung cấp điện.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành từ năm 2015 đến 2020, trong đó giai đoạn thử nghiệm và triển khai thực tế diễn ra chủ yếu từ năm 2017 đến 2019.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ các thiết bị đóng cắt trung thế trên mạch vòng thử nghiệm và dữ liệu vận hành từ hơn 50 trạm điện 110kV, 1200 Recloser trên lưới điện TP.HCM. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chí khả năng điều khiển từ xa và tính đại diện cho lưới điện phân phối đô thị phức tạp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả phát hiện và cô lập sự cố: Hệ thống Miniscada trên mạch vòng thử nghiệm đã phát hiện chính xác các sự cố trên từng phân đoạn với tỷ lệ thành công trên 95%. Thời gian cô lập sự cố trung bình giảm từ hàng giờ xuống còn vài phút, góp phần giảm chỉ số SAIDI từ 730 phút/năm xuống gần 150 phút/năm.

  2. Khả năng tái lập cung cấp điện nhanh chóng: Sau khi cô lập phần tử sự cố, hệ thống tự động tái lập cung cấp điện cho các phân đoạn không bị sự cố, giảm thiểu diện tích mất điện. Tỷ lệ tái lập thành công đạt khoảng 90%, giúp giảm số lần mất điện trung bình SAIFI từ 6,96 lần xuống còn khoảng 1 lần/năm.

  3. Tăng cường giám sát và điều khiển từ xa: Việc sử dụng mạng viễn thông 3G và giao diện HMI thân thiện cho phép các kỹ sư vận hành giám sát trực tiếp trạng thái thiết bị, dòng điện, điện áp và các cảnh báo sự cố theo thời gian thực, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu sai sót do thao tác thủ công.

  4. Tính ổn định và khả năng mở rộng: Hệ thống SCADA/DMS tích hợp Miniscada vận hành ổn định trên lưới điện TP.HCM với khả năng kết nối hơn 1200 thiết bị đóng cắt trung thế. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống có thể mở rộng áp dụng trên diện rộng, đáp ứng nhu cầu hiện đại hóa lưới điện phân phối đô thị phức tạp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của thành công là sự phối hợp đồng bộ giữa các thiết bị đóng cắt có khả năng điều khiển từ xa, hệ thống truyền thông 3G ổn định và phần mềm SCADA/DMS hiện đại. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào SCADA truyền thống, việc tích hợp chức năng DMS và sơ đồ Miniscada giúp nâng cao khả năng tự động hóa, giảm thời gian xử lý sự cố đáng kể.

Kết quả phù hợp với các báo cáo quốc tế về ứng dụng Miniscada trong vận hành lưới điện phân phối, đồng thời khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc áp dụng công nghệ này tại Việt Nam, đặc biệt trong điều kiện lưới điện đô thị phức tạp như TP.HCM.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh chỉ số SAIDI, SAIFI trước và sau khi áp dụng Miniscada, bảng thống kê tỷ lệ phát hiện và cô lập sự cố, cũng như giao diện HMI minh họa trạng thái thiết bị và cảnh báo sự cố theo thời gian thực.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng triển khai hệ thống Miniscada trên toàn bộ lưới điện trung thế TP.HCM: Đẩy nhanh tiến độ lắp đặt thiết bị đóng cắt có khả năng điều khiển từ xa và tích hợp vào hệ thống SCADA/DMS hiện có, nhằm giảm chỉ số SAIDI và SAIFI xuống mức thấp nhất trong vòng 2-3 năm tới. Chủ thể thực hiện là Tổng Công ty Điện lực TP.HCM phối hợp với các Công ty Điện lực khu vực.

  2. Nâng cấp hạ tầng truyền thông: Đầu tư mở rộng mạng viễn thông 3G/4G hoặc cáp quang để đảm bảo kết nối ổn định, giảm độ trễ truyền dữ liệu, phục vụ cho việc giám sát và điều khiển thiết bị từ xa hiệu quả. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, do phòng Công nghệ thông tin và Trung tâm Điều độ quản lý.

  3. Đào tạo và bồi dưỡng nhân lực vận hành: Tăng cường công tác huấn luyện kỹ năng vận hành hệ thống SCADA/DMS và xử lý sự cố tự động cho cán bộ kỹ thuật và điều độ viên, nâng cao trình độ chuyên môn và phản ứng nhanh với các tình huống sự cố. Thời gian liên tục, chủ yếu trong 6-12 tháng đầu triển khai.

  4. Phát triển phần mềm phân tích và dự báo sự cố: Nghiên cứu và tích hợp các thuật toán phân tích dữ liệu lớn, trí tuệ nhân tạo để dự báo sự cố, tối ưu hóa phương án vận hành và bảo trì lưới điện, nâng cao hiệu quả quản lý. Chủ thể là các đơn vị nghiên cứu và phòng Công nghệ thông tin, thời gian 2-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành lưới điện: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về hệ thống SCADA/DMS, sơ đồ Miniscada, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố trên lưới điện phân phối.

  2. Các nhà quản lý ngành điện lực: Hiểu rõ về lợi ích và phương pháp hiện đại hóa lưới điện, từ đó hoạch định chính sách đầu tư, phát triển hạ tầng và nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp điện.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng công nghệ tự động hóa, truyền thông và bảo vệ rơ le trong vận hành lưới điện phân phối đô thị.

  4. Các nhà cung cấp thiết bị và phần mềm SCADA: Tham khảo để phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu thực tế của lưới điện Việt Nam, đặc biệt trong điều kiện đô thị phức tạp như TP.HCM.

Câu hỏi thường gặp

  1. MiniSCADA là gì và khác gì so với SCADA truyền thống?
    MiniSCADA là hệ thống SCADA mở rộng, áp dụng trên lưới điện phân phối có cấu trúc mạch vòng, tích hợp chức năng tự động phát hiện, cô lập sự cố và tái lập cung cấp điện. Khác với SCADA truyền thống chỉ giám sát và điều khiển từ xa, MiniSCADA hỗ trợ phân tích và xử lý sự cố tự động, nâng cao độ tin cậy.

  2. Tại sao chọn mạng viễn thông 3G cho truyền thông hệ thống?
    Mạng 3G dễ lắp đặt, chi phí thấp và đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu thời gian thực cho các thiết bị đóng cắt trên lưới điện phân phối. Đây là giải pháp phù hợp với điều kiện hạ tầng hiện tại và có thể mở rộng linh hoạt.

  3. Hệ thống Miniscada giúp giảm thời gian mất điện như thế nào?
    Nhờ khả năng phát hiện nhanh điểm sự cố và cô lập phần tử sự cố tự động, hệ thống giảm thời gian xử lý sự cố từ hàng giờ xuống còn vài phút, đồng thời tái lập cung cấp điện cho các phân đoạn không bị sự cố, giảm diện tích mất điện.

  4. Các thiết bị đóng cắt nào được sử dụng trong hệ thống?
    Hệ thống sử dụng các thiết bị Recloser Cooper có tủ điều khiển F6, FXD, có khả năng thu thập tín hiệu trạng thái, đo lường và nhận lệnh điều khiển từ trung tâm qua modem GPRS/3G với giao thức IEC60870-5-101.

  5. Làm thế nào để nhân viên vận hành dễ dàng giám sát hệ thống?
    Phần mềm SCADA tích hợp giao diện HMI thân thiện, cung cấp đầy đủ thông tin trạng thái thiết bị, dòng điện, điện áp và cảnh báo sự cố theo thời gian thực, giúp nhân viên vận hành theo dõi và điều khiển nhanh chóng, chính xác.

Kết luận

  • Hệ thống MiniSCADA/DMS đã được xây dựng và thử nghiệm thành công trên lưới điện trung thế 22kV tại TP.HCM, nâng cao khả năng tự động hóa vận hành lưới điện phân phối.
  • Giảm đáng kể thời gian và diện tích mất điện, cải thiện các chỉ số SAIDI và SAIFI, góp phần nâng cao chất lượng cung cấp điện.
  • Hệ thống sử dụng thiết bị đóng cắt có khả năng điều khiển từ xa, kết nối qua mạng viễn thông 3G, vận hành ổn định và có khả năng mở rộng trên diện rộng.
  • Đề xuất mở rộng triển khai, nâng cấp hạ tầng truyền thông, đào tạo nhân lực và phát triển phần mềm phân tích dự báo sự cố để tối ưu hóa vận hành lưới điện.
  • Khuyến khích các đơn vị ngành điện lực, nhà quản lý và nghiên cứu sinh tham khảo để áp dụng và phát triển công nghệ tự động hóa lưới điện hiện đại.

Tiếp theo, cần tập trung hoàn thiện triển khai trên diện rộng, đồng thời nghiên cứu tích hợp các công nghệ mới nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện phân phối đô thị. Hành động ngay hôm nay để hiện đại hóa lưới điện, đảm bảo cung cấp điện an toàn, liên tục và hiệu quả cho tương lai.