Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối khu vực Thành phố Hồ Chí Minh là một trong những hệ thống năng lượng có quy mô lớn và mật độ phụ tải cao nhất cả nước. Trong 8 tháng đầu năm 2019, hệ thống tiếp nhận sản lượng điện đạt 17.278 triệu kWh, ghi nhận công suất phụ tải cực đại chạm mốc 4.568 MW và cung cấp điện liên tục cho hơn 2.451.000 khách hàng. Hệ thống phân phối vận hành khối lượng tài sản kỹ thuật khổng lồ với 203 tuyến cáp ngầm, 477 tuyến đường dây nổi 22kV có tổng chiều dài 7.047 km, cùng 12.626 trạm biến áp phân phối đạt tổng dung lượng 12.156 MVA. Trước áp lực gia tăng nhu cầu điện năng từ 8% đến 11% mỗi năm, công tác quản lý vận hành truyền thống dựa trên thao tác thủ công tại hiện trường bộc lộ nhiều hạn chế, khiến thời gian xác định vị trí sự cố và khôi phục cung cấp điện bị kéo dài.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá thực trạng và phân tích giải pháp ứng dụng các phần mềm tự động hóa lưới điện phân phối, điển hình như hệ thống DAS Survalent và DMS Alstom-GE. Đề tài tập trung nghiên cứu cơ chế điều khiển từ xa, tích hợp thiết bị đóng cắt thông minh và tự động hóa chức năng định vị sự cố, cô lập phân đoạn lỗi và khôi phục cấp điện cho các vùng không bị ảnh hưởng. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ lưới điện trung thế 22kV do Tổng công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh quản lý trong giai đoạn 2019 - 2020. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc nâng cao chất lượng dịch vụ, giảm thiểu tổn thất kinh tế và tối ưu hóa các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện, đưa chỉ số thời gian mất điện trung bình thực tế do sự cố xuống mức 7,53 phút so với mục tiêu giao 29 phút.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết phân tích hệ thống điện hiện đại kết hợp kiến trúc lưới điện thông minh. Mô hình tham chiếu 7 lớp OSI/ISO được áp dụng để chuẩn hóa hạ tầng truyền thông công nghiệp trong môi trường trạm biến áp và mạng phân phối trung thế. Tiêu chuẩn quốc tế IEC 61850 đóng vai trò khung lý thuyết chủ đạo trong việc định nghĩa cấu trúc dữ liệu, mô hình đối tượng và giao tiếp kỹ thuật số giữa các thiết bị điện tử thông minh.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp các khái niệm cốt lõi của hệ thống SCADA/DMS/OMS bao gồm:

  • Chức năng phát hiện vị trí sự cố, cô lập và khôi phục cấp điện tự động (FLISR).
  • Thiết bị điện tử thông minh (IED) tích hợp vi xử lý đa chức năng.
  • Thiết bị đóng cắt tự động đóng lại (Recloser) và dao cắt phụ tải (LBS) trang bị bộ chỉ báo sự cố (FI).
  • Đặc tính phối hợp thời gian - dòng điện (TCC) của rơle bảo vệ quá dòng.
  • Các giao thức truyền dữ liệu chuyên ngành điện gồm Modbus, DNP3, IEC 60870-5-101 và IEC 60870-5-104.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập từ nhật ký vận hành thời gian thực của Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Thành phố Hồ Chí Minh, báo cáo kỹ thuật 8 tháng đầu năm 2019 và cơ sở dữ liệu SCADA của 58 trạm biến áp trung gian 110/22kV. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 680 tuyến xuất tuyến trung thế 22kV và 12.626 trạm biến thế phân phối trên địa bàn thành phố. Phương pháp chọn mẫu toàn bộ được lựa chọn nhằm đảm bảo tính bao quát, phản ánh chính xác cấu trúc mạng hỗn hợp giữa đường dây trên không và cáp ngầm đô thị.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa thống kê định lượng, so sánh đối chuẩn kỹ thuật và kiểm chứng thực nghiệm. Lý do lựa chọn phương pháp này là vì hệ thống điện phân phối yêu cầu tính tiền định và thời gian thực rất cao, đòi hỏi phải so sánh đối đầu hiệu năng xử lý giữa giao thức nối tiếp truyền thống IEC 101 với giao thức mạng TCP/IP của IEC 104, cũng như kiểm tra giải thuật FLISR trên hai nền tảng phần mềm DMS Alstom-GE và DAS Survalent. Tiến độ nghiên cứu được triển khai chặt chẽ từ tháng 02/2020 đến tháng 08/2020, hoàn thành các giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích mô hình và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, hệ thống tự động hóa giúp kiểm soát vượt bậc các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện. Trong 8 tháng đầu năm 2019, chỉ số số lần mất điện thoáng qua trung bình (MAIFI) do sự cố đạt 0,11 lần, chỉ chiếm 22,00% mức giao kế hoạch 0,5 lần. Chỉ số số lần mất điện kéo dài trung bình (SAIFI) do sự cố đạt 0,17 lần, hoàn thành 32,08% chỉ tiêu năm là 0,53 lần. Đặc biệt, chỉ số thời gian mất điện trung bình (SAIDI) do sự cố giảm sâu xuống 7,53 phút, đạt tỷ lệ xuất sắc 25,97% so với mức trần cho phép 29 phút.

Thứ hai, việc vận hành phần mềm DAS Survalent và DMS Alstom-GE đã rút ngắn thời gian xử lý sự cố trung thế từ 45 - 60 phút xuống dưới 3 phút ở chế độ tự động. Nhờ khả năng tương tác trực tiếp với các thiết bị Recloser và LBS có SCADA, hệ thống đã cô lập chính xác phân đoạn hỏng hóc và đóng nguồn liên kết để cấp điện trở lại ngay lập tức cho khoảng 70% đến 85% khách hàng thuộc khu vực không bị sự cố.

Thứ ba, nghiên cứu chứng minh tính ưu việt của giao thức IEC 60870-5-104 so với IEC 60870-5-101. Giao thức IEC 101 vận hành trên kênh nối tiếp với tốc độ giới hạn 9600 bit/giây qua cơ chế hỏi vòng thường xuyên gây nghẽn mạch dữ liệu. Ngược lại, giao thức IEC 104 truyền thông theo sự kiện trên nền tảng Fast Ethernet TCP/IP, nâng cao tốc độ truyền tin lên gấp hàng chục lần, giảm thiểu tỷ lệ lỗi gói tin và đáp ứng hoàn hảo tiêu chí thời gian thực của lưới điện thông minh.

Thứ tư, hệ thống lưới điện đã vận hành an toàn trước sự gia tăng mạnh mẽ của phụ tải. Sản lượng điện tiêu thụ trong ngày cao nhất đạt 90,04 triệu kWh vào ngày 24/04/2019, tăng 11% so với đỉnh 81,13 triệu kWh của năm 2018. Khối lượng khách hàng không dùng tiền mặt đạt 92,30%, tạo nền tảng số hóa đồng bộ từ hạ tầng đo đếm AMI đến điều độ SCADA.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của công tác quản lý vận hành bắt nguồn từ việc phối hợp chính xác giữa bảo vệ rơle số và các thiết bị đóng cắt thông minh. Thực tế cho thấy khoảng 70% đến 80% sự cố trên đường dây phân phối trên không là sự cố thoáng qua do giông sét hoặc chạm chập cây cối. Việc cài đặt chuỗi thời gian đóng lặp lại hợp lý trên Recloser kết hợp đường đặc tính dòng - thời gian (TCC) đã giải trừ triệt để các sự cố này mà không làm gián đoạn cung cấp điện kéo dài.

Khi so sánh hai nền tảng tự động hóa, DAS Survalent thể hiện ưu thế vượt trội về tính linh hoạt, cấu hình trực quan, chi phí hợp lý và khả năng triển khai nhanh theo cấu trúc vòng khép kín vận hành hở (loop automation). Trong khi đó, DMS Alstom-GE cung cấp các công cụ toán học nâng cao như ước lượng trạng thái lưới điện, tính toán trào lưu công suất thời gian thực và quản lý xuất tuyến phức tạp.

Các kết quả nghiên cứu trên có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ dạng cột so sánh các chỉ số SAIDI, SAIFI thực tế với chỉ tiêu kế hoạch, kết hợp với bảng ma trận đánh giá chi tiết 10 tiêu chí kỹ thuật giữa hệ thống DAS Survalent và DMS Alstom-GE. Lưu đồ giải thuật FLISR mô tả chuỗi hành động phát hiện sự cố, gửi lệnh cắt phân đoạn và khôi phục đóng điện giúp minh họa rõ nét quy trình vận hành tự động hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Hiện đại hóa 100% thiết bị đóng cắt trung thế: Tiến hành thay thế các cầu dao truyền thống bằng thiết bị đóng cắt thông minh Recloser, tủ RMU cách điện khí SF6 và dao cắt phụ tải LBS tích hợp động cơ điều khiển từ xa cùng bộ cảnh báo sự cố (FI) trên toàn bộ 680 tuyến dây 22kV. Mục tiêu đạt tỷ lệ tự động hóa thao tác từ xa 100% trước quý IV/2021 do Ban Kỹ thuật EVNHCMC chủ trì.
  • Nâng cấp hạ tầng truyền thông và chuyển đổi giao thức: Chuyển đổi toàn diện phương thức kết nối từ IEC 60870-5-101 sang giao thức IEC 60870-5-104 trên nền tảng cáp quang nội bộ và mạng viễn thông bảo mật, đồng thời áp dụng tiêu chuẩn IEC 61850 cho toàn bộ thiết bị IED. Mục tiêu giảm độ trễ truyền tín hiệu SCADA xuống dưới 300 ms trong giai đoạn 2021 - 2023 do Trung tâm Điều độ phối hợp với Ban Công nghệ thông tin thực hiện.
  • Triển khai mở rộng chức năng FLISR tự động hoàn toàn: Mở rộng phạm vi ứng dụng phần mềm DAS Survalent và DMS Alstom cho toàn bộ các tuyến xuất tuyến liên lạc đa nguồn, thiết lập kịch bản tự động chuyển tải không cần can thiệp thủ công. Mục tiêu duy trì chỉ số SAIDI sự cố dưới 15 phút/năm từ năm 2022 do Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Thành phố Hồ Chí Minh đảm nhiệm.
  • Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu GIS và tích hợp hệ thống Smart Grid: Liên kết đồng bộ dữ liệu không gian GIS/AM/FM với hệ thống SCADA/DMS và hệ thống quản lý thông tin mất điện OMS theo chuẩn mô hình thông tin chung CIM. Mục tiêu hoàn thành tích hợp dữ liệu lưới điện trước tháng 12/2022 do các Công ty Điện lực thành viên triển khai.
  • Đào tạo và nâng cao năng lực đội ngũ kỹ thuật: Tổ chức các chương trình đào tạo chuyên sâu về bảo vệ rơle kỹ thuật số, lập trình logic IED và làm chủ phần mềm tự động hóa lưới điện cho 100% kỹ sư và điều độ viên. Mục tiêu hoàn thành sát hạch chuyên môn định kỳ hàng năm do Ban Nhân sự và Trung tâm Điều độ thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư điều độ và vận hành hệ thống điện: Nắm vững phương pháp phân tích sự cố thời gian thực, quy trình vận hành các chế độ tự động hóa của phần mềm DAS/DMS và nguyên lý điều khiển thiết bị Recloser/LBS từ xa.
  • Cán bộ quản lý kỹ thuật tại các công ty điện lực: Có cơ sở dữ liệu thực chứng để lập kế hoạch đầu tư lưới điện thông minh, lựa chọn kiến trúc phần mềm điều khiển và tối ưu hóa chi phí bảo trì tài sản lưới điện.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện: Sử dụng tài liệu như một công trình tham khảo chuyên sâu về mô hình hóa Smart Grid, tiêu chuẩn truyền thông IEC 61850 và các thuật toán FLISR ứng dụng trong đô thị lớn.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế và tích hợp hệ thống SCADA: Khai thác kinh nghiệm thực tế về cấu hình thiết bị IED, lựa chọn giao thức IEC 104 và xử lý tương thích thiết bị đa nhãn hiệu trên lưới điện phân phối Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống tự động hóa lưới điện phân phối DAS giúp cải thiện độ tin cậy như thế nào? Hệ thống DAS tích hợp các thiết bị đóng cắt từ xa với trung tâm điều khiển, tự động phát hiện vị trí sự cố qua tín hiệu FI và thực hiện cô lập điểm lỗi trong vòng vài chục giây. Việc khôi phục cấp điện cho các phân đoạn không sự cố được thực hiện tự động, giúp giảm chỉ số SAIDI sự cố từ 29 phút xuống còn 7,53 phút.

Tại sao giao thức IEC 60870-5-104 lại vượt trội hơn giao thức IEC 60870-5-101? Giao thức IEC 104 truyền thông theo sự kiện trên nền tảng mạng TCP/IP qua cổng Ethernet tốc độ cao, loại bỏ hoàn toàn cơ chế hỏi vòng định kỳ làm tăng dung lượng đường truyền của IEC 101. Nhờ đó, IEC 104 giảm độ trễ dữ liệu, nâng cao tính thời gian thực và tận dụng tối đa hạ tầng cáp quang sẵn có của ngành điện.

Sự khác biệt cốt lõi giữa hai phần mềm DAS Survalent và DMS Alstom-GE là gì? Phần mềm DAS Survalent tập trung vào chức năng mini-SCADA, vận hành tự động hóa vòng dây phân phối với giao diện trực quan và khả năng triển khai linh hoạt. Trong khi đó, DMS Alstom-GE là hệ thống quản lý phân phối quy mô lớn, tích hợp tính toán trào lưu công suất, ước lượng trạng thái và tối ưu hóa điện áp trên mạng lưới phức tạp.

Thiết bị Recloser đóng vai trò gì trong việc giảm sự cố mất điện? Recloser là máy cắt thông minh có chức năng tự đóng lại theo chuỗi thời gian cài đặt trước. Do có từ 70% đến 80% sự cố trên lưới điện trên không mang tính thoáng qua, Recloser sẽ tự động đóng điện trở lại để khôi phục cung cấp điện tức thì, ngăn chặn tình trạng mất điện kéo dài cho hàng nghìn phụ tải.

Làm thế nào để phối hợp thời gian tác động giữa các rơle bảo vệ quá dòng trên lưới phân phối? Việc phối hợp bảo vệ dựa trên các đường đặc tính thời gian - dòng điện (TCC), cài đặt nấc dòng khởi động và thời gian trễ theo nguyên tắc chọn lọc. Rơle đặt gần điểm sự cố nhất sẽ tác động cắt trước với thời gian nhanh nhất, các rơle phía nguồn tác động sau nhằm khoanh vùng sự cố ở phạm vi nhỏ nhất và tránh nhảy vượt cấp.

Kết luận

  • Tự động hóa lưới điện phân phối là giải pháp công nghệ cốt lõi giúp Tổng công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh nâng cao chất lượng điện năng và tối ưu hóa các chỉ số SAIFI, SAIDI, MAIFI.
  • Nghiên cứu đã làm rõ cấu trúc kỹ thuật của các thiết bị bảo vệ thông minh gồm Recloser, tủ RMU, dao cắt phụ tải LBS gắn FI và thiết bị điện tử thông minh IED theo chuẩn IEC 61850.
  • Khẳng định tính tất yếu của việc chuyển dịch hạ tầng truyền thông từ giao thức nối tiếp IEC 60870-5-101 sang giao thức mạng IEC 60870-5-104 trên nền TCP/IP.
  • Đánh giá thực chứng hiệu quả vận hành của phần mềm DAS Survalent và DMS Alstom-GE, chứng minh khả năng cô lập sự cố và cấp điện trở lại trong thời gian dưới 3 phút.
  • Luận văn đóng góp hệ thống giải pháp toàn diện về kỹ thuật, truyền thông và đào tạo nhân lực nhằm mở rộng mô hình Smart Grid giai đoạn 2021 - 2025.

Quý độc giả, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm đến lĩnh vực tự động hóa hệ thống điện có thể liên hệ bộ môn Hệ thống Điện thuộc Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh để tham khảo toàn văn công trình nghiên cứu và trao đổi học thuật chuyên sâu.