Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối thành phố Quy Nhơn hiện đang đảm nhận nhiệm vụ cung cấp điện năng liên tục cho hơn 71.500 khách hàng sinh hoạt và sản xuất, trải dài trên địa bàn thành phố cùng các khu vực phụ tải đặc thù như xã đảo Nhơn Châu, bán đảo Nhơn Lý, Nhơn Hải và Nhơn Hội. Hệ thống hạ tầng này bao gồm 202 km đường dây trung thế 22kV, 315 km đường dây hạ thế 0,4kV, nhận nguồn trực tiếp từ 4 trạm biến áp 110kV hiện hữu gồm Quy Nhơn 1 (E21), Quy Nhơn 2 (E20), Nhơn Hội và Sông Cầu 1, cấp điện cho 375 trạm biến áp công cộng và 457 trạm biến áp chuyên dùng.

Trong quá trình quản lý vận hành, sự cố lưới điện phân phối trung áp thường xuyên xảy ra do tác động của thời tiết ven biển, giông sét và cây cối va quẹt vào hành lang tuyến. Dù phần lớn là sự cố thoáng qua, việc phán đoán và xác định điểm hỏng hóc gặp nhiều khó khăn do Tổ trực điện và Thao tác (T21) Điện lực Quy Nhơn thiếu thông tin giám sát tức thời, phải phụ thuộc hoàn toàn vào số liệu từ Phòng Điều độ Công ty Điện lực Bình Định (B37). Thực trạng này dẫn đến thời gian dò tìm sự cố kéo dài, làm gián đoạn cung cấp điện trên diện rộng và gia tăng chi phí nhân công.

Đề tài được thực hiện nhằm xây dựng hệ thống giám sát miniSCADA thu thập dữ liệu thời gian thực từ 24 bộ Recloser, 79 bộ dao cắt có tải LBS và 43 tủ RMU hiện có. Thông qua việc phân tích dữ liệu dòng áp kết hợp phần mềm mô phỏng SmartHMI Studio, nghiên cứu giúp khoanh vùng chính xác điểm ngắn mạch, rút ngắn khoảng 40% đến 50% thời gian xử lý sự cố, giảm thiểu bán kính mất điện và cải thiện rõ rệt các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện như SAIDI, SAIFI trong toàn bộ khu vực quản lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết phân tích ngắn mạch trong hệ thống điện phân phối, tập trung vào việc tính toán các dạng sự cố đối xứng (ngắn mạch 3 pha) và không đối xứng (ngắn mạch 1 pha chạm đất, ngắn mạch 2 pha chạm đất, ngắn mạch giữa 2 pha). Cơ sở tính toán dựa trên phương pháp các thành phần đối xứng kết hợp xác định ma trận tổng trở đường dây $Z = R + jX$, trong đó các thông số điện trở đơn vị $r_0$ và điện kháng $x_0$ trên mỗi km được chuẩn hóa theo từng chủng loại dây dẫn thực tế.

Bên cạnh đó, đề tài khai thác mô hình tự động hóa giám sát thu thập dữ liệu miniSCADA. Hệ thống hoạt động theo nguyên lý truyền dẫn thông số trạng thái thiết bị và dữ liệu đo lường (dòng điện, điện áp, công suất P và Q) từ các thiết bị ngoại vi về trung tâm điều hành qua cổng truyền thông RS-232, modem vô tuyến UHF, mạng viễn thông công cộng PSTN và giao thức chuẩn công nghiệp như IEC 60870-5-104, Modbus.

Khung khái niệm chính bao gồm: Thiết bị đóng cắt tự đóng lại (Recloser) tích hợp chức năng bảo vệ quá dòng và chu trình tự đóng lại (F79); Dao cắt phụ tải có buồng dập hồ quang dạng kín (LBS-C) tích hợp đo đếm dòng tức thời; Tủ phân phối trung thế RMU kết nối điều khiển xa; và Các chỉ số đánh giá độ tin cậy cung cấp điện theo tiêu chuẩn ngành điện lực Việt Nam.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu vận hành thực tế thu thập từ 4 trạm biến áp 110kV nguồn và hệ thống thiết bị đóng cắt trên 8 xuất tuyến 22kV trọng điểm (gồm các xuất tuyến 471, 472, 473, 474, 475, 476, 481, 482) thuộc Điện lực Quy Nhơn quản lý. Cỡ mẫu nghiên cứu bao quát toàn bộ 24 bộ Recloser, 79 bộ LBS và 43 tủ RMU đang vận hành trên lưới. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu toàn thể theo đối tượng thiết bị có khả năng kết nối và giám sát từ xa, đảm bảo tính đại diện tuyệt đối cho toàn bộ cấu trúc lưới điện khu vực.

Phương pháp phân tích được thực hiện qua hai bước chính: Thứ nhất, lập trình mô hình hóa cấu trúc lưới điện và xây dựng giao diện hiển thị trạng thái đóng cắt thời gian thực trên phần mềm SmartHMI Studio. Thứ hai, sử dụng phần mềm mô phỏng Recloser để trích xuất dữ liệu nhật ký vận hành (Event Log) và giá trị dòng điện sự cố cuối cùng (Last Current) từ các bộ điều khiển Cooper Form 6, NOJA, sau đó đối chiếu với cơ sở dữ liệu tính toán ngắn mạch nền đã thiết lập. Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp này là nhằm tạo ra công cụ giám sát trực quan, độc lập cho đơn vị cấp quận huyện mà không can thiệp vào quyền điều khiển của cấp điều độ tỉnh. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu, mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm được thực hiện xuyên suốt trong năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã xây dựng thành công cấu hình hệ thống miniSCADA kết nối giám sát tập trung cho 103 thiết bị đóng cắt phân đoạn và nhánh rẽ trên lưới điện Quy Nhơn. Trong số đó, hơn 66,7% thiết bị (bao gồm 24 Recloser và phần lớn LBS-C) đã được tích hợp truyền tín hiệu đo lường và cảnh báo sự cố 24/24 về máy chủ đặt tại Tổ trực điện và Thao tác T21 thông qua hạ tầng modem RS-232 kết hợp mạng truyền thông PSTN và GPRS.

Thứ hai, tác giả đã số hóa toàn bộ cơ sở dữ liệu kỹ thuật của 202 km đường dây trung thế 22kV, thiết lập bảng tra cứu tổng trở cho hơn 15 chủng loại dây dẫn đang vận hành như XLPE150 ($R = 0,211 \ \Omega\text{/km}, X = 0,36 \ \Omega\text{/km}$), AC240 ($R = 0,146 \ \Omega\text{/km}, X = 0,36 \ \Omega\text{/km}$), ABC95 ($R = 0,352 \ \Omega\text{/km}, X = 0,17 \ \Omega\text{/km}$). Cơ sở dữ liệu này cho phép tự động tính toán dòng điện ngắn mạch tại từng phân đoạn, nhánh rẽ trên các xuất tuyến 22kV xuất phát từ các trạm biến áp E20, E21, Nhơn Hội và Sông Cầu 1.

Thứ ba, hệ thống cho phép xác định khu vực xảy ra sự cố với độ chính xác trên 90%. Kết quả kiểm chứng thực nghiệm tại sự kiện ngày 28/08/2020 trên xuất tuyến 473/NHO khi máy cắt xuất tuyến trip chức năng F79 không thành công cho thấy: thuật toán đối chiếu dòng ngắn mạch đã phán đoán chính xác điểm sự cố nằm tại vị trí cột C94/65 (nguyên nhân do phóng sứ hỏng cách điện và đứt dây), giúp tiết kiệm hơn 50% thời gian tuần tra so với quy trình tìm kiếm thủ công truyền thống.

Thảo luận kết quả

Việc rút ngắn thời gian xử lý sự cố đạt được là nhờ cơ chế cập nhật dòng sự cố tức thời trực tiếp từ rơ-le bảo vệ về màn hình SmartHMI Studio, giúp nhân viên trực ca bỏ qua khâu liên lạc chờ đợi số liệu từ Điều độ B37. Trước đây, khi xảy ra sự cố, đội ngũ công nhân vận hành phải mất từ 60 đến 120 phút để đi kiểm tra thực địa từng phân đoạn đường dây. Với giải pháp mới, thời gian phán đoán và khoanh vùng sự cố giảm xuống chỉ còn khoảng 3 đến 5 phút.

Kết quả nghiên cứu có thể được trực quan hóa thông qua bảng ma trận đối chiếu dòng ngắn mạch tính toán với dòng sự cố ghi nhận tại các tủ điều khiển, cũng như biểu đồ cột so sánh thời gian phục hồi lưới điện trước và sau khi áp dụng miniSCADA. Sự tương quan chặt chẽ giữa số liệu đo đếm thực tế và kết quả mô phỏng trên sơ đồ một sợi của xuất tuyến 471/QNH2 hay 473/NHO chứng minh tính đúng đắn của mô hình tính toán tổng trở đường dây.

Ý nghĩa thực tiễn của phát hiện này thể hiện ở việc nâng cao vượt bậc các chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện của Điện lực Quy Nhơn trong tháng 08/2020, giảm thiểu sản lượng điện năng không cung cấp được do mất điện kéo dài, đồng thời tối ưu hóa năng suất lao động và nâng cao mức độ an toàn cho công nhân vận hành đường dây.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp hạ tầng truyền thông và trang bị bổ sung modem SCADA cho 33,3% số thiết bị đóng cắt còn lại (gồm các dao cắt LBS hở và tủ RMU chưa có kết nối từ xa). Phòng Kế hoạch Kỹ thuật Điện lực Quy Nhơn cần chủ trì phối hợp với nhà mạng viễn thông hoàn thành việc lắp đặt module truyền thông không dây công nghiệp 4G/GPRS trong quý 1 và quý 2 của năm kế hoạch, nhằm đạt mục tiêu giám sát 100% thiết bị đóng cắt trên lưới.

Thứ hai, lắp đặt bổ sung từ 30 đến 50 bộ chỉ thị sự cố đầu vào nhánh rẽ (thiết bị SFRI) có chức năng gửi cảnh báo qua đèn tín hiệu và tin nhắn SMS tại các vị trí xung yếu, nhánh rẽ xa trung tâm như tuyến Nhơn Hải, Nhơn Châu. Giải pháp này cần được triển khai trong vòng 6 tháng bởi Tổ quản lý vận hành đường dây, hướng tới mục tiêu giảm bán kính khoanh vùng sự cố xuống dưới 50m.

Thứ ba, nâng cấp và hoàn thiện phần mềm SmartHMI Studio thành hệ thống chẩn đoán thông minh tự động. Đội ngũ kỹ sư CNTT và kỹ thuật điện cần phát triển module tự động so khớp giá trị dòng ngắn mạch đo đếm với bảng cơ sở dữ liệu đường dây, tự động hiển thị vị trí sự cố dự báo trên bản đồ số GIS trong vòng 60 giây kể từ khi Recloser tác động, hoàn thành trước quý 4.

Thứ tư, hoàn thiện quy chế phối hợp và chia sẻ dữ liệu vận hành thời gian thực giữa Tổ trực điện T21 Điện lực Quy Nhơn và Phòng Điều độ B37 Công ty Điện lực Bình Định. Ban Giám đốc Điện lực cần phê duyệt và ban hành quy trình vận hành phối hợp mới trong quý 3, phấn đấu giảm chỉ số SAIDI của toàn đơn vị xuống dưới mức 150 phút/khách hàng/năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư quản lý vận hành và điều độ viên tại các Công ty Điện lực, Điện lực quận huyện: Luận văn cung cấp phương pháp khai thác dữ liệu thực tế từ các dòng tủ điều khiển Recloser Cooper Form 6, NOJA, cùng giải pháp xây dựng phần mềm giám sát miniSCADA chi phí thấp giúp nâng cao năng lực phản ứng nhanh trước các sự cố lưới điện trung thế 22kV.

Nhóm cán bộ lãnh đạo, hoạch định kỹ thuật ngành điện: Cung cấp case study thực tế về lộ trình hiện đại hóa lưới điện thông minh (Smart Grid) dựa trên việc tận dụng tối đa hạ tầng 79 bộ LBS, 24 bộ Recloser sẵn có mà không đòi hỏi nguồn vốn đầu tư quá lớn vào các hệ thống SCADA tập trung phức tạp.

Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa: Tài liệu mang lại giá trị tham khảo học thuật sâu sắc về phương pháp tính toán ngắn mạch không đối xứng trên lưới điện thực tế, ứng dụng công cụ mô phỏng HMI và kỹ thuật truyền thông công nghiệp phục vụ nghiên cứu tự động hóa lưới điện phân phối.

Các doanh nghiệp và kỹ sư tích hợp hệ thống tự động hóa công nghiệp: Luận văn là bản hướng dẫn chi tiết về cấu hình mạng truyền dẫn RS-232, modem PSTN/GPRS, chuẩn hóa giao tiếp tín hiệu SCADA từ thiết bị hiện trường về trung tâm giám sát theo thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống miniSCADA tại Điện lực Quy Nhơn có thể thực hiện thao tác đóng cắt thiết bị từ xa không?

Hệ thống miniSCADA được thiết kế trong luận văn chỉ thực hiện chức năng giám sát và thu thập thông số vận hành (dòng, áp, trạng thái đóng cắt) của 103 thiết bị trên lưới 22kV. Theo phân cấp điều độ, quyền thao tác đóng cắt từ xa thuộc về Phòng Điều độ B37 Công ty Điện lực Bình Định nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống điện.

Làm thế nào để xác định chính xác vị trí sự cố dựa trên dòng điện ngắn mạch?

Khi xảy ra sự cố, hệ thống ghi nhận giá trị dòng ngắn mạch cực đại từ chức năng Last Current hoặc nhật ký sự kiện của rơ-le Recloser/LBS. Giá trị này được đối chiếu trực tiếp với cơ sở dữ liệu ngắn mạch đã tính toán sẵn cho 202 km đường dây theo từng phân đoạn, từ đó xác định chính xác đoạn dây có dòng ngắn mạch tương ứng.

Phần mềm SmartHMI Studio đóng vai trò gì trong giải pháp này?

SmartHMI Studio đóng vai trò là giao diện người - máy (HMI) thời gian thực, trực quan hóa toàn bộ sơ đồ 1 sợi của 8 xuất tuyến 22kV. Phần mềm tiếp nhận tín hiệu từ các modem truyền thông, hiển thị màu sắc trạng thái đóng/cắt của 24 Recloser và 79 LBS, đồng thời phát âm thanh cảnh báo khi có sự cố phát sinh trên lưới.

Giải pháp này giúp cải thiện độ tin cậy cung cấp điện như thế nào?

Bằng việc rút ngắn thời gian phán đoán sự cố từ 60-120 phút xuống còn 3-5 phút, đơn vị vận hành có thể nhanh chóng cô lập phân đoạn bị hỏng và thực hiện thao tác chuyển tải cấp điện lại cho các phân đoạn không bị sự cố, qua đó giảm mạnh chỉ số SAIDI và SAIFI cho hơn 71.500 khách hàng trong tháng 08/2020.

Mô hình này có thể nhân rộng sang các đơn vị điện lực khu vực khác hay không?

Mô hình hoàn toàn có thể nhân rộng dễ dàng vì sử dụng nền tảng phần mềm mở SmartHMI Studio, tương thích đa giao thức chuẩn quốc tế (IEC 60870-5-104, Modbus) và tận dụng hiệu quả các thiết bị đóng cắt hiện hữu trên lưới phân phối 22kV với tổng chi phí đầu tư ban đầu rất thấp.

Kết luận

  • Đã thiết lập thành công hệ thống giám sát miniSCADA thời gian thực cho 24 bộ Recloser, 79 bộ LBS và 43 tủ RMU trên lưới điện phân phối khu vực Điện lực Quy Nhơn.
  • Hoàn thành việc số hóa dữ liệu tổng trở và thông số kỹ thuật của 202 km đường dây trung thế 22kV phục vụ tính toán tự động dòng ngắn mạch theo từng phân đoạn phụ tải.
  • Ứng dụng thành công phần mềm SmartHMI Studio để hiển thị trực quan trạng thái vận hành và cảnh báo sự cố 24/24 cho Tổ trực điện và Thao tác T21.
  • Nâng cao độ chính xác phán đoán điểm sự cố lên trên 90%, giảm hơn 50% thời gian dò tìm sự cố thực địa, điển hình qua việc xử lý thành công điểm đứt dây tại cột C94/65 xuất tuyến 473/NHO ngày 28/08/2020.
  • Cải thiện rõ rệt chất lượng điện năng và các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện (SAIDI, SAIFI), nâng cao mức độ hài lòng cho hơn 71.500 khách hàng sử dụng điện.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã giải quyết triệt để bài toán chia sẻ thông tin giám sát vận hành giữa cấp điều độ tỉnh và đơn vị quản lý trực tiếp tại hiện trường với chi phí tối ưu nhất. Trong lộ trình 12 tháng tiếp theo, đề tài mở ra hướng phát triển tích hợp thêm thiết bị cảnh báo SFRI và ứng dụng thuật toán học máy nhằm tự động hóa hoàn toàn quy trình xử lý sự cố. Đây là tài liệu học thuật và cẩm nang kỹ thuật thực tiễn mà các đơn vị quản lý vận hành lưới điện phân phối nên nhanh chóng tiếp cận và ứng dụng vào thực tế.