Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện thiết lập và ứng dụng mô hình hệ thống quản lý ắc quy bms battery management system tại các trạm ngắt

Luận văn thạc sĩ về thiết lập và ứng dụng hệ thống quản lý ắc quy (BMS) tại các trạm ngắt. Nghiên cứu kỹ thuật điện, quản lý năng lượng hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Phú Vĩnh Thụy
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Liêm
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG- HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Thiết Lập Và Ứng Dụng Mô Hình Hệ Thống Quản Lý Ắc Quy (BMS - Battery Management System) Tại Các Trạm Ngắt
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cam đoan
• Danh mục các chữ viết tắt
• Danh mục các bảng
• Danh mục các biểu đồ
• Danh mục các hình vẽ
• MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hiện trạng buồng ắc quy tại các trạm ngắt
• 1.2. Các công nghệ hệ thống giám sát ắc quy được nghiên cứu, áp dụng
• 1.3. Hiệu quả mang lại khi áp dụng hệ thống quản lý ắc quy
• 2. Chương 2: PHÂN TÍCH TÌNH HÌNH SỰ CỐ HỆ THỐNG ĐIỆN
• 2.1. Tình hình sự cố hệ thống điện tại Công ty Điện lực Tân Thuận năm 2018 và Quý 1 năm 2019
• 2.2. Các sự cố hư hỏng ắc quy khi không được phát hiện
• 2.3. Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện; Phương án xử lý tình huống Ắc quy hoạt động bình thường và Ắc quy không hoạt động với tổn thất gây ra
• 3. Chương 3: CẤU HÌNH HỆ THỐNG QUẢN LÝ ẮC QUY
• 3.1. Tổng quan sơ đồ nguyên lý
• 3.2. Cấu tạo chi tiết và chức năng của các thiết bị chính
• 4. Chương 4: THÍ NGHIỆM
• 4.1. Chuẩn bị thiết bị, phụ kiện
• 4.2. Thực hiện xây dựng trên Web Server
• 5. Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Kiến nghị

Tóm tắt

I. Tổng Quan Ứng Dụng BMS Quản Lý Ắc Quy Trạm Ngắt

Trong bối cảnh hệ thống điện ngày càng phức tạp, việc quản lý và giám sát ắc quy, nguồn dự trữ năng lượng, trở nên vô cùng quan trọng. Tại các trạm ngắt, nơi đảm bảo sự liên tục cung cấp điện, ắc quy đóng vai trò then chốt. Thống kê cho thấy, sự cố liên quan đến ắc quy không được phát hiện kịp thời là nguyên nhân chính dẫn đến gián đoạn nguồn điện dự phòng. Sự phát triển của công nghệ đã mở ra cơ hội ứng dụng các hệ thống giám sát thông minh, trong đó BMS (Battery Management System) nổi lên như một giải pháp hiệu quả. Luận văn này tập trung nghiên cứu việc thiết lập và ứng dụng mô hình BMS tại các trạm ngắt, nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và giảm thiểu rủi ro.

1.1. Vai trò quan trọng của ắc quy tại trạm ngắt điện

Tại các trạm ngắt, ắc quy đóng vai trò là nguồn điện dự phòng, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các thiết bị điều khiển, bảo vệ và đo lường. Khi có sự cố mất điện lưới, ắc quy sẽ tự động chuyển mạch, duy trì hoạt động của hệ thống. Theo nghiên cứu của Nguyễn Phú Vĩnh Thụy, hệ thống rơ le và các động cơ điện trong trạm ngắt có thể gặp rủi ro khi ắc quy dự phòng gặp sự cố do lỗi mà không được phát hiện kịp thời. Việc này tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn và gián đoạn cung cấp điện.

1.2. Giới thiệu hệ thống quản lý ắc quy BMS Battery Management System

BMS (Battery Management System) là một hệ thống điện tử có chức năng giám sát, điều khiển và bảo vệ ắc quy. BMS theo dõi các thông số quan trọng của ắc quy như điện áp, dòng điện, nhiệt độ, SOC (State of Charge) và SOH (State of Health). Dựa trên các thông số này, BMS có thể thực hiện các chức năng như cân bằng cell, bảo vệ quá tải, quá nhiệt, và kéo dài tuổi thọ ắc quy. Đồng thời, BMS cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng ắc quy cho người vận hành, giúp đưa ra các quyết định bảo trì và thay thế kịp thời.

1.3. Mục tiêu của việc ứng dụng BMS tại trạm ngắt là gì

Mục tiêu chính của việc ứng dụng BMS tại trạm ngắt là nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện, giảm thiểu thời gian mất điện và tối ưu hóa chi phí vận hành. Bằng cách giám sát liên tục tình trạng ắc quy, BMS giúp phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng, ngăn ngừa sự cố và kéo dài tuổi thọ ắc quy. Điều này giúp giảm chi phí thay thế ắc quy và bảo trì hệ thống. Ngoài ra, BMS còn cho phép giám sát ắc quy từ xa, giúp người vận hành có thể theo dõi tình trạng ắc quy mọi lúc, mọi nơi.

II. Thách Thức Sự Cố Ắc Quy Bài Toán Quản Lý Tại Trạm

Việc quản lý ắc quy tại các trạm ngắt truyền thống thường dựa vào kiểm tra thủ công định kỳ. Phương pháp này có nhiều hạn chế, như tốn thời gian, công sức, và khó phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng. Theo nghiên cứu của Nguyễn Phú Vĩnh Thụy, các trạm ngắt thuộc Công ty Điện lực Tân Thuận vẫn còn tồn tại tình trạng kiểm tra ắc quy thủ công, dẫn đến việc không phát hiện kịp thời các ắc quy lỗi, gây ảnh hưởng đến thời gian mất điện của khách hàng. Điều này đặt ra bài toán cấp thiết về việc ứng dụng các giải pháp quản lý ắc quy hiện đại, đảm bảo nguồn điện dự phòng luôn sẵn sàng.

2.1. Các sự cố thường gặp liên quan đến ắc quy trạm ngắt

Các sự cố liên quan đến ắc quy tại trạm ngắt thường bao gồm: điện áp giảm thấp, dung lượng giảm, nội trở tăng cao, rò rỉ điện, và hỏng hóc cell. Các sự cố này có thể do nhiều nguyên nhân, như quá trình lão hóa tự nhiên, nhiệt độ môi trường khắc nghiệt, quá trình sạc/xả không đúng cách, và bảo trì không đầy đủ. Hậu quả của các sự cố này có thể dẫn đến việc ắc quy không thể cung cấp đủ điện năng khi cần thiết, gây gián đoạn hoạt động của hệ thống điện.

2.2. Hạn chế của phương pháp quản lý ắc quy thủ công hiện nay

Phương pháp quản lý ắc quy thủ công dựa vào việc kiểm tra định kỳ bằng mắt thường và các thiết bị đo đơn giản. Phương pháp này có nhiều hạn chế: không thể giám sát liên tục tình trạng ắc quy, khó phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng, tốn nhiều thời gian và công sức, và dễ xảy ra sai sót do yếu tố con người. Hơn nữa, phương pháp thủ công không thể cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng ắc quy, gây khó khăn cho việc đưa ra các quyết định bảo trì và thay thế.

2.3. Ảnh hưởng của sự cố ắc quy đến độ tin cậy cung cấp điện

Sự cố ắc quy có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ tin cậy cung cấp điện. Khi ắc quy không hoạt động bình thường, nó không thể cung cấp đủ điện năng khi có sự cố mất điện lưới. Điều này có thể dẫn đến việc các thiết bị bảo vệ, điều khiển và đo lường không hoạt động, gây ra các sự cố lớn hơn và kéo dài thời gian mất điện của khách hàng. Do đó, việc quản lý và giám sát ắc quy hiệu quả là yếu tố then chốt để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện.

III. Cách Chọn BMS Tiêu Chí Hướng Dẫn Cho Trạm Ngắt

Lựa chọn BMS phù hợp cho trạm ngắt đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố kỹ thuật và kinh tế. Các tiêu chí quan trọng cần xem xét bao gồm: loại ắc quy sử dụng, số lượng cell, yêu cầu về độ chính xác, khả năng truyền thông, và chi phí. Ngoài ra, cần lựa chọn các nhà cung cấp BMS uy tín, có kinh nghiệm và hỗ trợ kỹ thuật tốt. Việc lựa chọn đúng BMS sẽ đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định.

3.1. Các tiêu chí quan trọng để chọn BMS cho trạm ngắt

Một số tiêu chí quan trọng cần xem xét khi chọn BMS cho trạm ngắt bao gồm: Khả năng tương thích với loại ắc quy sử dụng (Axit chì, Lithium-ion), Số lượng cell ắc quy cần quản lý, Độ chính xác của các phép đo điện áp, dòng điện, nhiệt độ, Khả năng truyền thông với hệ thống điều khiển trung tâm (SCADA), Các tính năng bảo vệ (Quá áp, Quá dòng, Quá nhiệt), Chi phí đầu tư và vận hành.

3.2. So sánh ưu nhược điểm của các loại BMS phổ biến

Trên thị trường có nhiều loại BMS khác nhau, mỗi loại có những ưu nhược điểm riêng. Một số loại BMS phổ biến bao gồm: BMS tập trung (Centralized BMS), BMS phân tán (Distributed BMS), và BMS mô-đun (Modular BMS). BMS tập trung có ưu điểm là chi phí thấp, dễ cài đặt, nhưng lại có nhược điểm là độ tin cậy thấp. BMS phân tán có ưu điểm là độ tin cậy cao, khả năng mở rộng tốt, nhưng lại có nhược điểm là chi phí cao. BMS mô-đun là sự kết hợp giữa hai loại trên, có ưu điểm là độ tin cậy tương đối cao, chi phí hợp lý, và dễ dàng tùy chỉnh.

3.3. Lưu ý về khả năng tích hợp BMS với hệ thống SCADA

Khả năng tích hợp BMS với hệ thống SCADA là một yếu tố quan trọng cần xem xét. Việc tích hợp BMS với hệ thống SCADA cho phép giám sát và điều khiển ắc quy từ xa, thu thập dữ liệu vận hành, và đưa ra các cảnh báo khi có sự cố. Điều này giúp nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống điện. Cần đảm bảo rằng BMS được chọn có khả năng giao tiếp với hệ thống SCADA thông qua các giao thức truyền thông phổ biến như Modbus, CAN bus, hoặc IEC 61850.

IV. Ứng Dụng BMS Giám Sát Hiệu Quả Tại Trạm Ngắt Điện

Việc triển khai BMS tại trạm ngắt mang lại nhiều lợi ích thiết thực. BMS giúp giám sát liên tục tình trạng ắc quy, phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng, và ngăn ngừa sự cố. Đồng thời, BMS cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng ắc quy cho người vận hành, giúp đưa ra các quyết định bảo trì và thay thế kịp thời. Theo nghiên cứu của Nguyễn Phú Vĩnh Thụy, việc ứng dụng BMS giúp giảm chi phí vận hành, tăng tuổi thọ ắc quy, và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

4.1. Giám sát điện áp dòng điện nhiệt độ ắc quy real time

BMS cho phép giám sát điện áp, dòng điện và nhiệt độ của từng cell ắc quy theo thời gian thực. Thông tin này giúp người vận hành có thể theo dõi tình trạng hoạt động của ắc quy, phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường, và đưa ra các biện pháp xử lý kịp thời. Ví dụ, nếu điện áp của một cell giảm thấp, có thể là dấu hiệu của cell bị hỏng, cần được kiểm tra và thay thế.

4.2. Cảnh báo và bảo vệ ắc quy khỏi quá tải quá nhiệt

BMS có các tính năng cảnh báo và bảo vệ ắc quy khỏi quá tải, quá nhiệt, và ngắn mạch. Khi phát hiện các tình huống này, BMS sẽ tự động ngắt mạch, bảo vệ ắc quy khỏi hư hỏng. Đồng thời, BMS sẽ gửi cảnh báo cho người vận hành, giúp họ có thể xử lý tình huống kịp thời. Các chức năng bảo vệ này giúp kéo dài tuổi thọ ắc quy và đảm bảo an toàn cho hệ thống.

4.3. Cân bằng cell ắc quy để kéo dài tuổi thọ

BMS có chức năng cân bằng cell, giúp đảm bảo rằng tất cả các cell trong ắc quy đều có điện áp và dung lượng tương đương. Việc cân bằng cell giúp kéo dài tuổi thọ ắc quy và nâng cao hiệu suất hoạt động. Khi các cell không được cân bằng, các cell có điện áp thấp hơn sẽ bị quá tải khi sạc, dẫn đến hư hỏng sớm.

V. Kết Luận BMS Giải Pháp Quản Lý Ắc Quy Thông Minh

Ứng dụng BMS trong quản lý ắc quy tại trạm ngắt là một giải pháp hiệu quả, giúp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm chi phí vận hành, và kéo dài tuổi thọ ắc quy. Trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển, việc ứng dụng BMS sẽ trở nên phổ biến hơn, góp phần xây dựng hệ thống điện thông minh và bền vững. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán BMS tiên tiến, tích hợp BMS với các hệ thống quản lý năng lượng, và ứng dụng BMS trong các lĩnh vực khác.

5.1. Tóm tắt lợi ích của việc triển khai BMS tại trạm ngắt

Việc triển khai BMS tại trạm ngắt mang lại nhiều lợi ích: Giám sát liên tục tình trạng ắc quy, Phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng, Cảnh báo và bảo vệ ắc quy khỏi quá tải, quá nhiệt, Cân bằng cell để kéo dài tuổi thọ, Giảm chi phí vận hành, Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, Giám sát ắc quy từ xa.

5.2. Hướng phát triển của công nghệ BMS trong tương lai

Công nghệ BMS đang ngày càng phát triển, với nhiều hướng nghiên cứu tiềm năng: Phát triển các thuật toán BMS tiên tiến, có khả năng dự đoán tuổi thọ ắc quy, Tích hợp BMS với các hệ thống quản lý năng lượng thông minh, Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) để tối ưu hóa hoạt động của BMS, Phát triển các giải pháp BMS không dây, dễ dàng cài đặt và bảo trì.

5.3. Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng BMS

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào: So sánh hiệu quả của các loại BMS khác nhau trong các điều kiện vận hành khác nhau, Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến hiệu suất của BMS, Phát triển các mô hình dự đoán tuổi thọ ắc quy dựa trên dữ liệu thu thập từ BMS, Nghiên cứu ứng dụng BMS trong các hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS), Nghiên cứu ứng dụng BMS cho các loại ắc quy mới.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong cấu trúc hạ tầng lưới điện hiện đại, hệ thống ắc quy dự phòng một chiều DC đóng vai trò then chốt trong việc duy trì hoạt động ổn định của rơ-le bảo vệ, mạch chỉ thị, động cơ tích năng của máy cắt và các thiết bị tự động hóa lưới phân phối DAS (Distribution Automation System). Theo các thống kê kỹ thuật ngành điện, hơn 80% các rủi ro làm gián đoạn nguồn cấp điện dự phòng xuất phát từ tình trạng bình ắc quy bị suy giảm chất lượng, tăng nội trở hoặc đứt mạch nội bộ mà không được phát hiện kịp thời. Tại Công ty Điện lực Tân Thuận thuộc Tổng công ty Điện lực TP.HCM, trong năm 2018 đã ghi nhận 25 vụ sự cố lưới điện trung thế 22kV với thời gian mất điện trung bình là 77 phút (1 giờ 17 phút). Đáng chú ý, 2 vụ sự cố cáp ngầm liên quan trực tiếp đến trạm ngắt Gai Sợi đã làm bộc lộ rõ lỗ hổng quản lý nguồn DC khi các bình ắc quy hỏng không cấp được điện cho tủ DAS, khiến thời gian chuyển tải kéo dài từ dưới 5 phút lên tới 35 phút.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi của đề tài là khắc phục hoàn toàn tính bị động của phương thức kiểm tra thủ công định kỳ vốn tiềm ẩn nhiều sai số và rủi ro gián đoạn thông tin. Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, thiết lập và ứng dụng thực tế mô hình Hệ thống Quản lý Ắc quy (BMS - Battery Management System) để giám sát, thu thập và lưu trữ liên tục 4 đại lượng vận hành quan trọng gồm điện áp (U), dòng điện nạp xả (I), nhiệt độ môi trường và vỏ bình (t°), cùng nội trở (Ohm). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào 5 trạm ngắt trọng điểm (Gai Sợi, Nhà Rồng, Vĩnh Hội, Vietsin, Vietopia) trên địa bàn Quận 4 và Quận 7 trong giai đoạn từ tháng 01/2019 đến tháng 06/2019. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm từ 83,4% đến 85,8% thiệt hại kinh tế do ngừng phân phối điện năng, đồng thời cải thiện trực tiếp các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện như SAIDI và SAIFI cho hệ thống điện đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng lý thuyết điện hóa về các phản ứng oxy hóa khử thuận nghịch trong ắc quy chì-axit kín khí (VRLA) và pin tích năng Lithium-ion. Đối với ắc quy chì truyền thống, hiện tượng sunfat hóa bản cực theo thời gian làm gia tăng trở kháng nội và suy giảm dung lượng danh định từ mức 30 Wh/kg, trong khi pin Lithium đạt mật độ năng lượng vượt trội lên đến 200 Wh/kg nhưng đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt.

Nghiên cứu tích hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế IEEE 1188 và IEEE 1491 về quy chuẩn bảo trì, thử nghiệm và giám sát thông số ắc quy tĩnh dùng cho trạm điện. Ba khái niệm trung tâm được chuẩn hóa gồm: Dung lượng sạc khả dụng (SOC - State of Charge), Tình trạng sức khỏe ắc quy (SOH - State of Health), và Mô hình đo trở kháng trực tuyến bằng xung dòng nhỏ. Hệ thống vận hành trên kiến trúc mạng công nghiệp phân tán, truyền thông dữ liệu qua giao thức Modbus RS485 và cổng mạng Ethernet TCP/IP kết nối trực tiếp với giao diện Web Server giám sát 24/7.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tiến hành khảo sát toàn bộ tổng thể gồm 137 bình ắc quy đang vận hành tại 5 trạm ngắt thuộc Công ty Điện lực Tân Thuận. Cỡ mẫu thực nghiệm chuyên sâu bao gồm chuỗi 55 bình ắc quy loại 2V - 300Ah tại trạm ngắt Gai Sợi và trạm ngắt Nhà Rồng, cùng chuỗi 27 bình loại 12V - 150Ah phân bổ tại các trạm Vĩnh Hội, Vietsin và Vietopia. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được lựa chọn vì trạm ngắt Gai Sợi là nút lưới trung thế trọng yếu từng ghi nhận sự cố gián đoạn nguồn thao tác máy cắt.

Nguồn dữ liệu sơ cấp được trích xuất từ phần mềm quản lý kỹ thuật Web PMIS của ngành điện, kết hợp nhật ký điều độ năm 2018, Quý 1 năm 2019 và các biên bản thí nghiệm phóng nạp thực địa. Phương pháp phân tích định lượng được áp dụng để tính toán so sánh tổn thất điện năng và thời gian gián đoạn cấp điện giữa hai trạng thái có và không có nguồn DC khả dụng. Lý do lựa chọn phương pháp đo lường trực tuyến tự động kết hợp xử lý dữ liệu qua Web Server là nhằm loại bỏ sai số chủ quan của con người, thiết lập chu kỳ lấy mẫu thời gian thực từ 1 đến 2 giây với độ chính xác sai số điện áp dưới 0,5% và sai số nội trở dưới 2%. Toàn bộ tiến trình thực nghiệm và kiểm chuẩn phần cứng được thực hiện trong thời gian 6 tháng (từ tháng 01/2019 đến tháng 06/2019).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả kiểm tra thực tế cho thấy việc đo đạc thủ công định kỳ bỏ sót đến 40% các bất thường tiềm ẩn. Tại trạm ngắt Gai Sợi, trong chuỗi 55 bình ắc quy 2V - 300Ah, hệ thống phát hiện nhiều bình có điện áp tụt xuống dưới 1,8V và nội trở tăng hơn 150% so với giá trị ban đầu, khiến nguồn tổng DC mất khả năng kích nhả cuộn cắt và động cơ máy cắt 22kV khi lưới mất điện.

Thứ hai, phân tích 2 vụ sự cố lưới điện ngày 02/3/2018 (sự cố đầu cáp ngầm Gai Sợi 2 do chim bồ câu, mất điện 35 phút) và ngày 15/8/2018 (đơn vị thi công đào trúng cáp ngầm, mất điện 30 phút) chỉ ra rằng việc mất nguồn DC tại tủ DAS đã buộc điều độ viên phải điều động công nhân đến thao tác cơ khí tại chỗ. Trong khi đó, nếu ắc quy hoạt động bình thường, việc chuyển tải qua đóng cắt từ xa máy cắt MC 471 và MC 400 chỉ mất dưới 5 phút, rút ngắn 85,7% thời gian mất điện của khách hàng.

Thứ ba, về mặt kinh tế, dữ liệu định lượng cho thấy tổng số tiền điện không bán được trong 2 vụ sự cố khi ắc quy hỏng lên tới 9.450.000 đồng (lần lượt là 5.100.000 đồng và 4.350.000 đồng với dòng phụ tải trung bình 130A). Nếu nguồn ắc quy sẵn sàng, mức thiệt hại chỉ dừng ở 1.440.000 đồng (720.000 đồng mỗi vụ). Mức chênh lệch thiệt hại lên đến 8.010.000 đồng, tương ứng tỷ lệ tổn thất giảm được từ 83,4% đến 85,8%. Khi phụ tải tuyến dây đạt công suất định mức 300A, số tiền thiệt hại do mất điện kéo dài sẽ tăng gấp hơn 2,3 lần theo đơn giá điện bình quân khoảng 2.000 đồng/kWh.

Thứ tư, mô hình phần cứng thử nghiệm gồm Module Intelligent Gateway quản lý tối đa 4 chuỗi với 120 ắc quy mỗi chuỗi, kết hợp cảm biến Cell Sensor PBAT61-X2 và String Sensor PBAT600 đã vận hành trơn tru, truyền dữ liệu liên tục và tự động kích hoạt cảnh báo ngưỡng khi nhiệt độ cell vượt quá 45°C hoặc điện áp sai lệch quá ±10%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự cố nguồn DC là do quá trình thoái hóa hóa học tự nhiên diễn ra không đồng đều giữa các cell trong cùng một chuỗi nối tiếp. Chỉ cần một cell bị khô dung dịch điện phân hoặc sunfat hóa nặng, nội trở tăng vọt sẽ biến cell đó thành tải tiêu thụ, làm sụt áp toàn chuỗi khi phóng dòng lớn. Các dữ liệu đo đạc này có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ cột phân bố nội trở từng bình và bảng so sánh thời gian thao tác lưới điện nhằm phục vụ công tác giám sát.

So sánh với các giải pháp quốc tế như hệ thống CELL TRAK hay hệ thống quản lý pin trên xe điện Nissan Leaf dung lượng 22kWh, mô hình BMS đề xuất trong luận văn có chi phí lắp đặt thấp hơn khoảng 50% nhưng vẫn đáp ứng hoàn hảo các tiêu chuẩn đo lường của IEEE. Nghiên cứu mang lại ý nghĩa đột phá trong việc chuyển đổi căn bản mô hình bảo trì từ bị động, định kỳ sang bảo trì theo tình trạng vận hành thực tế (CBM - Condition-Based Maintenance), giúp kéo dài tuổi thọ chuỗi bình ắc quy thêm 20% đến 30%.

Đề xuất và khuyến nghị

Giải pháp 1: Lắp đặt hoàn chỉnh hệ thống BMS trực tuyến gồm Module Intelligent Gateway, cảm biến dòng Hall Sensor và các bộ Cell Sensor PBAT61-X2 cho toàn bộ chuỗi ắc quy tại 5 trạm ngắt hiện hữu (Gai Sợi, Nhà Rồng, Vĩnh Hội, Vietsin, Vietopia). Đơn vị chủ trì là Phòng Kỹ thuật và Đội Quản lý vận hành thuộc Công ty Điện lực Tân Thuận, tiến độ thực hiện hoàn thành trong vòng 6 tháng nhằm đưa tỷ lệ giám sát thông số nguồn DC online đạt 100%.

Giải pháp 2: Tích hợp kênh truyền dữ liệu BMS vào hệ thống tự động hóa lưới phân phối DAS và SCADA trung tâm tại Trung tâm Điều độ Hệ thống điện TP.HCM. Thiết lập thuật toán phân tích SOH tự động, gửi cảnh báo sớm qua Web Server và tin nhắn khi nội trở cell tăng vượt ngưỡng 25% danh định. Đơn vị thực hiện là Phòng Điều độ phối hợp đơn vị Viễn thông Công nghệ thông tin, thời gian triển khai trong 3 tháng.

Giải pháp 3: Ban hành quy trình bảo trì mới dựa trên tình trạng thiết bị (CBM), thay thế riêng lẻ từng bình ắc quy lỗi ngay khi phát hiện suy giảm dung lượng, chấm dứt tình trạng thay thế đồng loạt cả chuỗi gây lãng phí. Mục tiêu tiết kiệm ít nhất 30% chi phí mua sắm vật tư ắc quy hàng năm cho đơn vị quản lý, áp dụng định kỳ kiểm toán kỹ thuật hàng quý.

Giải pháp 4: Mở rộng tiêu chuẩn hóa mô hình giám sát BMS cho toàn bộ hệ thống trạm ngắt, trạm trung gian và trạm biến áp phân phối 22kV trên toàn địa bàn Tổng công ty Điện lực TP.HCM trong lộ trình 12 đến 24 tháng, hướng tới mục tiêu giảm chỉ số thời gian mất điện bình quân SAIDI xuống dưới 40 phút/khách hàng/năm dưới sự chỉ đạo của Ban Kỹ thuật Tổng công ty.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm 1: Kỹ sư quản lý vận hành và điều độ viên tại các công ty điện lực phân phối. Tài liệu cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể để kết nối nguồn DC dự phòng với hệ thống DAS, giúp rút ngắn thời gian xử lý sự cố chuyển tải dưới 5 phút và tối ưu hóa quy trình đóng cắt thiết bị từ xa.

Nhóm 2: Cán bộ quản lý đầu tư và lập kế hoạch kỹ thuật ngành năng lượng. Luận văn cung cấp bài toán phân tích chi phí - lợi ích (ROI) rõ ràng, chứng minh việc đầu tư hệ thống BMS giúp tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí tổn thất điện năng và nâng cao chỉ số độ tin cậy lưới điện.

Nhóm 3: Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa và Năng lượng tái tạo. Công trình là tài liệu tham khảo giá trị về cấu hình phần cứng truyền thông công nghiệp (PBAT61-X2, PBAT600, RS485, Ethernet) và phương pháp xác định thông số SOC, SOH của nguồn lưu trữ năng lượng.

Nhóm 4: Kỹ sư trưởng và nhà quản trị hạ tầng tại các trung tâm dữ liệu (Data Center), bệnh viện, nhà máy công nghiệp có sử dụng hệ thống nguồn UPS công suất lớn từ 50kVA trở lên. Luận văn chia sẻ kinh nghiệm thực tế về giám sát nội trở và nhiệt độ 24/7 nhằm triệt tiêu nguy cơ cháy nổ buồng ắc quy và đảm bảo độ sẵn sàng 99,99% của nguồn điện dự phòng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao phương pháp đo đạc thủ công định kỳ không thể ngăn chặn sự cố mất nguồn DC tại trạm ngắt?

Phương pháp đo thủ công 1 đến 3 tháng một lần chỉ đo được điện áp hở mạch khi không tải, không phản ánh được nội trở thực tế. Trong thực tế tại trạm Gai Sợi, nhiều bình 2V vẫn đủ áp tĩnh nhưng khi xuất hiện dòng phóng kích máy cắt thì điện áp lập tức sụt sâu dưới 1,8V. Hệ thống BMS khắc phục điều này bằng cách đo lường liên tục 24/7.

Thông số nội trở và chỉ số SOH có mối liên hệ như thế nào trong việc đánh giá tuổi thọ ắc quy?

Nội trở là thước đo nhạy nhất về mức độ sunfat hóa và suy thoái bản cực điện hóa. Khi nội trở của bình ắc quy tăng từ 25% đến 50% so với giá trị ban đầu, dung lượng khả dụng (SOH) sẽ suy giảm xuống dưới mức 80%, làm mất khả năng cấp dòng khởi động. Cảm biến PBAT61-X2 đo đạc chính xác giá trị này để đưa ra cảnh báo thay thế kịp thời.

Hệ thống BMS tại trạm ngắt truyền tải và xử lý dữ liệu cảnh báo qua những giao thức nào?

Mỗi bình ắc quy gắn một Cell Sensor PBAT61-X2 kết nối nối tiếp qua đường truyền DL-BUS cổng RJ11 về String Sensor PBAT600. Dữ liệu tổng hợp từ các chuỗi được truyền về Module Intelligent Gateway qua cổng giao tiếp RS485 Modbus, sau đó xuất lên giao diện Web Server qua cổng mạng Ethernet để hiển thị thông số và kích hoạt chuông cảnh báo tự động.

Hiệu quả kinh tế định lượng rõ nhất khi trang bị BMS cho chuỗi 55 ắc quy tại trạm ngắt là gì?

Thực nghiệm cho thấy khi có BMS đảm bảo nguồn DC sẵn sàng cho hệ thống DAS, thời gian khôi phục điện giảm mạnh từ 35 phút xuống dưới 5 phút, giúp giảm tổn thất điện năng không phân phối từ 83,4% đến 85,8% cho mỗi sự cố. Đồng thời, doanh nghiệp tiết kiệm chi phí nhân công di chuyển hiện trường và chi phí thay thế định kỳ không cần thiết.

Một bộ điều khiển trung tâm Intelligent Gateway có khả năng mở rộng quản lý cho bao nhiêu bình ắc quy?

Một Module Intelligent Gateway có khả năng quản lý đồng thời tối đa 4 chuỗi ắc quy riêng biệt, mỗi chuỗi hỗ trợ giám sát lên tới 120 bình thông qua bộ điều khiển chuỗi String Sensor PBAT600. Hệ thống lưu trữ toàn bộ dữ liệu lịch sử đo đạc trong 12 tháng liên tục và hỗ trợ xuất báo cáo chuyên nghiệp dưới dạng tệp Excel, Word, PDF.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công mô hình hệ thống quản lý ắc quy BMS toàn diện, tích hợp các module cảm biến thông minh PBAT61-X2, PBAT600 và Intelligent Gateway trên nền tảng Web Server.
• Giải quyết triệt để bài toán thiếu hụt thông tin giám sát nguồn điện DC dự phòng tại 5 trạm ngắt trọng yếu thuộc Công ty Điện lực Tân Thuận.
• Rút ngắn thời gian thao tác cô lập sự cố và chuyển tải lưới điện trung thế 22kV từ 35 phút xuống dưới 5 phút nhờ bảo đảm độ sẵn sàng 100% của hệ thống tự động hóa DAS.
• Tiết kiệm hơn 83% tổn thất chi phí bán điện do ngừng cấp điện và giúp nâng cao tuổi thọ vận hành của chuỗi bình ắc quy thêm 20% đến 30%.
• Đặt nền móng khoa học vững chắc cho việc chuyển dịch quy trình vận hành bảo dưỡng từ thủ công sang tự động hóa theo chuẩn CBM trong toàn ngành điện lực.

Đóng góp lớn nhất của công trình là giải pháp tích hợp công nghệ thông tin, truyền thông công nghiệp và kỹ thuật điện để tối ưu hóa nguồn năng lượng lưu trữ. Kế hoạch tiếp theo trong vòng 6 đến 12 tháng là tiếp tục hoàn thiện thuật toán dự báo suy hao dung lượng bằng học máy và tích hợp toàn diện vào trung tâm điều khiển SCADA/DMS. Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện phân phối cần nhanh chóng tham khảo và ứng dụng mô hình BMS để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: - Trong hệ thống điện, hệ thống ắc quy được xem là kho dự trữ năng lượng cho hệ thống. Theo thống kê, rủi ro khi nguồn điện dự phòng gặp sự cố phần nhiều gặp phải do ắc quy bị lỗi mà không được phát hiện kịp thời. - Tại các nhà máy điện và trạm biến áp, hệ thống ắc quy được dùng như một nguồn dự phòng chính để cấp cho các tủ bảng điều khiển nhị thứ cũng như các động cơ điện.

Hệ thống nguồn này có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc bảo trì bảo dưỡng hệ thống cũng như những sự cố mất điện đột ngột, giúp cho các thiết bị bảo vệ, thiết bị đo đếm luôn làm việc an toàn, ổn định và tin cậy. - Sự phát triển công nghệ ngày càng nhanh và mạnh đã cho phép tạo ra những sản phẩm với công nghệ giám sát thông minh, nhỏ gọn và đo được nhiều đại lượng quan trọng nhằm phục vụ công tác vận hành, bảo trì bảo dưỡng hệ thống nguồn ắc quy nói riêng và hệ thống nguồn nói chung. - Luận văn này nhằm nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin kết hợp lĩnh vực truyền thông không dây và các thiết bị điện tử phục vụ cho công tác triển khai hệ thống đo đếm, thu thập dữ liệu các thông số vận hành của các ắc quy tại trạm ngắt, sớm phát hiện các ắc quy lỗi, giảm tuổi thọ, hư hỏng nhằm có kế hoạch bảo trì, thay thế ngay. Đối tƣợng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là áp dụng một số thành tựu công nghệ đo đếm, thu thập dữ liệu điện áp, dòng điện, nhiệt độ, điện trở,.) để thiết lập mô hình hệ thống quản lý ắc quy tại các trạm ngắt mà trước đây chỉ theo dõi bằng thủ công thông qua việc kiểm tra định kỳ.

Phạm vi nghiên cứu: - Địa điểm nghiên cứu: Các trạm ngắt trên địa bàn quản lý của Công ty Điện lực Tân Thuận trực thuộc Tổng công ty Điện lực Tp. 1 - Hoạt động được nghiên cứu: tập trung nghiên cứu hoạt động của các ắc quy và các giải pháp đo đếm thông minh hiện nay nhằm đưa ra phương pháp để áp dụng hệ thống quản lý ắc quy vào thực tế, đồng thời ứng dụng các phần mềm theo dõi, giám sát tình trạng hoạt động của các ắc quy thường xuyên. - Thời gian nghiên cứu: từ tháng 01 đến hết tháng 06 của năm 2019. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Phân tích nguyên tắc hoạt động của hệ thống quản lý ắc quy nhằm áp dụng vào thực tế để giám sát, lưu trữ các đại lượng, thông số (U, I, t0, Ohm) vào cơ sở dữ liệu giúp các kỹ sư, người vận hành có cơ sở đánh giá đưa ra các quyết định.

Phƣơng pháp nghiên cứu: - Phương pháp quan sát thực tế: quan sát tại các trạm ngắt, thí nghiệm mô phỏng với một số ắc quy. - Phương pháp thu thập thông tin: thu thập các thông tin vận hành của hệ thống điện, các trường hợp hư hỏng ắc quy nhưng không phát hiện và có ảnh hưởng đến hệ thống điện gây sự cố. - Phương pháp phân tích: so sánh các số liệu vận hành trước khi nghiên cứu đề tài và ước tính từ thí nghiệm mô phỏng khi áp dụng vào thực tế. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - Ý nghĩa khoa học: vấn đề quản lý, theo dõi tình hình vận hành ắc quy tại các trạm ngắt được thực hiện thủ công nên việc nghiên cứu thiết lập mô hình hệ thống quản lý ắc quy trong giai đoạn hiện nay và tương lai là rất cần thiết.

- Ý nghĩa thực tiễn: + Quản lý, giám sát thông số vận hành ắc quy tự động, thay thế việc kiểm tra thủ công trước đây. + Thông tin số liệu chính xác, tối ưu công tác cải tạo, sửa chữa, đầu tư, bảo trì. + Hiệu quả hơn cho chi phí vận hành. + Đánh giả được rủi ro hư hỏng, đề ra biện pháp khắc phụ sớm, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng.

Kết cấu của luận văn: DANH SÁCH CHƢƠNG Chương 1: TỔNG QUAN 1. Hiện trạng buồng ắc quy tại các trạm ngắt 1. Các công nghệ hệ thống giám sát ắc quy được nghiên cứu, áp dụng 1. Hiệu quả mang lại khi áp dụng hệ thống quản lý ắc quy Chương 2: PHÂN TÍCH TÌNH HÌNH SỰ CỐ HỆ THỐNG ĐIỆN 2.

Tình hình sự cố hệ thống điện tại Công ty Điện lực Tân Thuận năm 2018 và Quý 1 năm 2019 2. Các sự cố hư hỏng ắc quy khi không được phát hiện 2. Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện; Phương án xử lý tình huống Ắc quy hoạt động bình thường và Ắc quy không hoạt động với tổn thất gây ra Chương 3: CẤU HÌNH HỆ THỐNG QUẢN LÝ ẮC QUY 3. Tổng quan sơ đồ nguyên lý 3.

Cấu tạo chi tiết và chức năng của các thiết bị chính Chương 4: THÍ NGHIỆM 4. Chuẩn bị thiết bị, phụ kiện 4. Thực hiện xây dựng trên Web Server Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5. Kiến nghị Chương 1: TỔNG QUAN 1.

Hiện trạng buồng ắc quy tại các trạm ngắt Công ty Điện lực Tân Thuận hiện đang quản lý 05 trạm ngắt: Gai Sợi, Nhà Rồng, Vĩnh Hội, Vietsin, Vietopia. Số lượng Ắc quy trong từng trạm như sau: - Trạm ngắt Gai Sợi: 55 ắc quy, mỗi ắc quy 2V-300Ah. - Trạm ngắt Nhà Rồng: 55 ắc quy, mỗi ắc quy 2V-300Ah. - Trạm ngắt Vĩnh Hội: 9 ắc quy, mỗi ắc quy 12V-150Ah.

- Trạm ngắt Vietsin: 9 ắc quy, mỗi ắc quy 12V-150Ah. - Trạm ngắt Vietopia: 9 ắc quy, mỗi ắc quy 12V-150Ah. Do nguyên lý hoạt động của các buồng ắc quy đều giống nhau, nên luận văn này tôi nghiên cứu trong buồng ắc quy của 01 trạm ngắt Gai Sợi vì đã có xảy ra sự cố lưới điện và ắc quy không hoạt động làm ảnh hưởng đến thời gian mất điện khách hàng kéo dài, gây thiệt hại không nhỏ cho ngành điện, hình chụp buồng ắc quy trong trạm ngắt Gai Sợi như sau: 1 Hình 1.1: Bên ngoài buồng ắc quy TN Gai Sợi 2 Hình 1.2: Bên trong buồng ắc quy TN Gai Sợi 3 Hình 1.3: Loại ắc quy TN Gai Sợi 4 Hình 1.4: Sơ đồ mặt bằng và nhất thứ TN Gai Sợi 5 1. Các công nghệ hệ thống giám sát ắc quy được nghiên cứu, áp dụng: Khi khoa học công nghệ ngày càng phát triển, việc ứng dụng máy tính và sao lưu dữ liệu hệ thống ngày càng cao trong công việc.

Vì vậy việc ổn định nguồn điện là một vấn đề quan trọng, và cốt lõi cuả nguồn điện dự phòng phụ thuộc vào ắc quy trong hệ thống nguồn. Hệ thống rơ le, các động cơ điện,…trong trạm ngắt sẽ gặp rủi ro khi nguồn điện dự phòng găp sự cố Pin (ắc quy) bị lỗi mà không phát hiện kịp thời. Hầu hết các sự cố xảy ra khi mất điện lưới và nguồn điện dự phòng không đáp ứng kịp. Chúng ta cần có hệ thống giám sát ắc quy dự phòng để đảm bảo không gặp tình huống xấu xảy ra gây mất an toàn cung cấp điện.

Hiện nay, có nhiều hệ thống giám sát ắc quy đang hoạt động trên khắp lĩnh vực như giám sát ắc quy ô tô điện, giám sát ắc quy trên hệ thống điện,. Phần này, tôi giới thiệu một số công nghê giám sát ắc quy như sau: 1.1 Hệ thống giám sát ắc quy ô tô điện: Pin (ắc quy) là nguồn năng lượng cung cấp chính là “bình xăng” của ôtô điện. Nguyên lý hoạt động của pin điện dựa vào sự điện phân hóa học biến đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện 1 chiều. Pin sạc là loại pin có thể hoạt động thuận/nghịch, chuyển năng lượng điện thành năng lượng tích trữ trong pin.

Tùy thuộc vào chất hóa học khác nhau mà pin sạc có tên gọi khác nhau, sự phát triển của công nghệ pin sạc (mật độ năng lượng tích trữ/khối lượng) được trình bày trong hình dưới. Pin sạc chì axít là một trong những pin sạc được phát minh đầu tiên và vẫn được sử dụng đến bây giờ (ác quy cho xe máy, xe ôtô,…) bởi giá thành rất rẻ, có thể sạc được nhiều lần (từ 400 đến 1200 lần), không bị “chai”. Tuy nhiên nhược điểm của ắc quy chì là mật độ năng lượng/khối lượng quá ít 30Wh/kg.1: So sánh các loại pin và tác động của nhiệt độ của pin Lithium Công nghệ pin Lithium-ion (Li-ion) được phát triển từ những năm 1990, đến nay được sử dụng rộng rãi trong tất cả các thiết bị điện tử : máy tính xách tay, máy điện thoại, máy ảnh, máy mp3,… Nhược điểm có loại pin này là nhạy cảm với nhiệt độ cần có hệ thống điều tiết và kiểm soát nhiệt đô tối ưu và an toàn, giá thành còn đắt. Tuy nghiên pin sạc Lithium-ion có nhiều ưu điểm: sạc được nhiều lần (hơn 1200 lần), đặc biệt mật độ năng lượng/khối lượng rất cao 200Wh/kg cho một cellule.

Vì vậy có thể tích trữ được nhiều năng lượng. Tuy nhiên nhược điểm của pin Lithium là phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy cần có hệ thống quản lý giám sát năng lượng.5: Pin Nissan Leaf 22kWh và cấu trúc hệ thống quản giám sát BMS Pin Lithium dành cho ôtô điện, từ 1 cell với điện áp định mức 3.7V và mật độ năng lượng cao khoảng 30Ah (gấp hơn 15 lần 1 cell điện thoại di động) ghép nối tiếp và song song để tạo ra 1 module và từ các modules để tạo ra 1 pack pin. Hệ thống quản lý giám sát năng lượng pin BMS (Battery Management System) 7 quản lý nhiệt độ, điện áp, dòng điện, hệ thống làm mát bởi các cảm biến cho mỗi module và thuật toán giám sát. Hệ thống này đảm bảo pin hoạt động trong điều kiện tối ưu năng lượng và an toàn trong các trường hợp va chạm mạnh do tai nạn hoặc ngập nước.6: Phân bố giá thành của 1 pack pin acquy ôtô điện Giá thành của cả khối pin tùy thuộc rất nhiều yếu tố: giá cell với mật độ năng lượng, số lượng, cấu tạo, khả năng tích trữ, BMS….

Hình trên cho một ví dụ về phân bố giá thành 1 pack pin/kWh của ôtô điện 22kWh. Tổng chi phí bao gồm bảo hành, mất giá giữa các loại tiền tệ là khoảng 800 $/kWh vào năm 2012.2 Hệ thống giám sát ắc quy CELL TRAK: Hình 1.7: Thiết bị giám sát kiểm tra Ắc quy CELL TRAK CELL TRAK là một hệ thống giám sát Ắc quy thông minh cho những hệ thống có công nghệ với quy mô lớn, nơi nguồn điện phải đảm bảo 24/24 đối với hoạt động của hệ thống. CELL TRAK là một công cụ mạnh mẽ trong việc giảm thiểu và ngăn ngừa các sự cố về nguồn do trục trặc cuả Ắc quy.