Tài liệu Nghiên cứu tình hình triển khai và ứng dụng smart grid trên thế giới

  • Số trang: 79 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 82 |
  • Lượt tải: 0
nhattuvisu

Đã đăng 27125 tài liệu

Mô tả:

Trang 1 CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Điện và thông tin liên lạc điện tử là một trong những công nghệ chính đóng góp đáng kể vào sự phát triển nhanh chóng của nền văn minh nhân loại trong thế kỷ XX. Đặc biệt trong thời đại hiện nay, nhu cầu về điện cho tất cả các lĩnh vực kinh tế, sản xuất, đời sống sinh hoạt ngày càng tăng cao. Sự thiếu hụt năng lượng đã phải đối mặt trong nhiều quốc gia gần đây đã trực tiếp ảnh hưởng kinh tế, xã hội, phát triển của đất nước. Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng theo cấp số nhân trên toàn thế giới và tiết kiệm năng lượng đã trở thành một nhu cầu của thời đại. Các hệ thống phân phối truyền tải điện (T&D) vẫn còn vận hành theo phương cách nhiều thập kỷ trước. Thiếu sự đầu tư cho việc cài đặt mới kết hợp với các thành phần mạng (lưới điện hiện hành trên 40 tuổi) đã dẫn đến hệ thống điện không hiệu quả và ngày càng không ổn định [1]. Hiện việc cung cấp điện hầu như chỉ dựa trên mục tiêu thỏa mãn tối đa nhu cầu bằng các biện pháp tăng nguồn cung cấp. Ngành điện có những đặc quyền kinh doanh, do Nhà nước quy định trong lĩnh vực này, cho nên cũng phải có nghĩa vụ cung cấp một nguồn năng lượng dồi dào ở mọi nơi và vào mọi lúc với giá rẻ cho xã hội và nền kinh tế vì mục tiêu tăng trưởng, thỏa mãn tối đa nhu cầu. Trong khi đó, các công ty điện lực đang vận hành không tạo ra được các phương thức khuyến khích đủ mạnh đối với người sử dụng, cũng như cơ quan điều tiết của Chính phủ. Và ngay cả chính các công ty này, để vận hành hệ thống đạt hiệu suất cao thì cũng gặp không ít khó khăn ban đầu. Thực tế cho thấy ngành điện cần phải được thay đổi để đáp ứng với nhu cầu của xã hội kỹ thuật số hiện đại. Khách hàng không chỉ yêu cầu về lượng điện đơn thuần cho sản xuất và sinh hoạt mà còn yêu cầu về chất lượng, độ tin cậy và cần có nhiều dịch vụ cung ứng điện để chọn lựa. Và đồng thời giá điện ngày càng tăng là một trong những vấn đề đáng quan tâm hiện nay. Trang 2 Bên cạnh đó, mọi người ngày càng nhận ra những ảnh hưởng tiêu cực đối với môi trường khi con người đốt các loại năng lượng hóa thạch để sản xuất điện, thiên tai xảy ra nhiều hơn với cường độ phá hoại ngày càng nghiêm trọng hơn và các nỗ lực đang được xây dựng trên nhiều lĩnh vực để giảm thiểu sự phát thải CO2. Sự nóng lên của trái đất do việc sử dụng năng lượng theo cách hiện nay đang được cho là quá sức chịu đựng của trái đất vào năm 2050 với dân số khoảng 9,5 tỷ người. Do đó tình hình biến đổi khí hậu hiện nay gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến ngành điện, đặc biệt là việc cung cấp điện. Nguồn nhiên liệu hóa thạch cũng sẽ cạn kiệt và đất nước chúng ta là phụ thuộc khá nhiều vào tài nguyên thiên nhiên hữu hạn cho các nhà máy điện [2]. Vấn đề bảo tồn năng lượng, tăng cường sự độc lập về năng lượng và vấn đề nóng lên của trái đất đang là sự quan tâm hàng đầu của Chính phủ nhiều nước trên thế giới. Một loạt các chính sách bao gồm thuế, luật tiết kiệm năng lượng và các chính sách khác được thiết lập để giảm thiểu việc đốt các dạng năng lượng hóa thạch đang được xem xét trên phạm vi toàn cầu. Vì vậy, hơn bao giờ hết, chúng ta cần phải thực hiện một số thay đổi trong ngành công nghiệp tiện ích này. Smart Grid - mạng lưới điện thông minh – được nâng cấp từ mạng lưới điện thông thường của thế kỷ XX có khả năng định tuyến điện và tính phí điện cho những người sử dụng năng lượng trong giờ cao điểm theo những cách tối ưu hơn. Do đó, sự ra đời của SG có ý nghĩa rất quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề bất cập trong việc sản xuất và phân phối điện hiện nay. Lưới điện thông minh (SG), là một giải pháp nhằm tối ưu hóa chất lượng, hiệu suất truyền tải và phân phối của lưới điện hiện tại, đồng thời ưu tiên hỗ trợ khai thác các nguồn điện thay thế. SG dựa trên các ứng dụng công nghệ thông tin tiên tiến cho phép sử dụng truyền thông hai chiều và điều phối thông tin thời gian thực giữa các nhà máy phát điện, nguồn phân phối và nhu cầu của các thiết bị đầu cuối. Giải pháp này được đưa ra nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng bức thiết về việc phân phối điện năng, quản lý, giám sát điện năng tiêu thụ, cũng như mong muốn sử dụng hiệu quả năng lượng trên toàn cầu. Theo ước tính đến năm 2020 sẽ có hơn 30 thành phố lớn xuất hiện trên Trái Đất. Dân số tăng cùng với nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng sẽ đòi hỏi công Trang 3 nghệ mới để có thể đáp ứng yêu cầu cao về nguồn năng lượng. Ước tính sơ bộ cho thấy đến năm 2050, cung cấp điện của thế giới sẽ cần phải tăng gấp ba lần để theo kịp với nhu cầu phát triển. Khách hàng không những ngày càng tiêu thụ nhiều điện hơn và công suất đỉnh tăng hàng năm (ở Việt Nam vào khoảng 14-15%/năm) mà nhu cầu về chất lượng điện năng ngày càng cao do những đòi hỏi về chất lượng cuộc sống và việc sử dụng rộng rãi các loại thiết bị điện tử giá rẻ. Ngoài ra, việc trao đổi và giám sát được sử dụng điện của chính bản thân khách hàng cũng là một nhu cầu của khách hàng thay vì chỉ hàng tháng nhận được một hóa đơn tiền điện khô khan. Theo điều tra, khi khách hàng có thể giám sát được việc sử dụng điện của mình thì họ có xu hướng giảm mức tiêu thụ khoảng từ 5% đến 10%. Việc trao đổi hai chiều giữa các công ty điện lực và khách hàng để tạo điều kiện cho khách hàng hiểu rõ hơn về ngành điện và ngược lại là nhu cầu của cả hai bên, nhưng chỉ có các công ty điện lực mới có thể triển khai với hệ thống SG. Năm 2003 tại Austin, Texas đã xây dựng mạng thông minh nhằm thay thế 1/3 công tơ thông minh kết nối qua lưới quản lý 200.000 thiết bị (công tơ, cảm biến nhiệt và các cảm biến) và dự kiến quản lý tới 500.000 thiết bị thời gian thực năm 2009 phục vụ khoảng 1 triệu hộ và 43.000 doanh nghiệp. Từ năm 1990 cơ quan quản lý điện của Bonneville Hoa Kỳ đã mở rộng nghiên cứu SG trong đó tích hợp các cảm biến có khả năng phân tích nhanh các hiện tượng bất thường về chất lượng điện trên diện rộng. Tại Hoa Kỳ, quan niệm về hệ thống điện thông minh được xác định theo yêu cầu hiện đại hoá hệ thống truyền tải và phân phối điện để nâng cao độ tin cậy và an toàn của cấu trúc hạ tầng ngành điện nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển trong tương lai theo các đặc trưng của hệ thống điện thông minh. Ở Anh quốc, lưới điện truyền tải đã được xây dựng một cách tương đối thông minh với hệ thống tự động, giám sát từ xa và các nút mạng quản lý lưới điện. Hiện nay quốc gia này đang tập trung thông minh hóa lưới điện phân phối. Nhưng những vấn đề cơ bản của kế hoạch xây dựng lưới điện thông minh tại đây có vẻ vẫn chưa hoàn chỉnh cho đến năm 2020 khi khoảng 30 triệu khách hàng sử dụng điện (hộ gia đình và công ty) được lắp đặt công tơ điện tử thông minh. Kế hoạch này sẽ được triển khai từ năm 2014 và dự kiến hoàn thành vào năm 2019. Nhìn chung toàn Châu Trang 4 Âu sẽ đầu tư khoảng 1,4 tỷ USD và có thể còn cao hơn nữa vào năm 2014 khi Pháp và Anh đẩy mạnh việc lắp đặt công tơ điện tử thông minh. Rõ ràng là có rất nhiều quốc gia, tổ chức và cá nhân đang bỏ công nghiên cứu xây dựng một hệ thống điện với một bộ não hiện đại của thế kỷ 21 – một hệ thống mà trong đó các bộ phận cấu thành của hệ thống có thể tương tác với nhau, hoạt động một cách tự động, tự điều khiển và vận hành, làm cho khách hàng sử dụng điện trở thành những người quản lý năng lượng thông minh và đặc điểm chính của hệ thống này là nó có tốc độ biến đổi nhanh đến chóng mặt trong tất cả các lĩnh vực liên quan. Điều này thể hiện ở tổng vốn đầu tư của toàn thế giới cho lưới điện thông minh vào năm 2010 là 16,2 tỷ USD, nhưng 2 năm sau đã tăng gấp đôi: 36,5 tỷ USD vào năm 2012. Con số nói trên thực sự cũng không đáng ngạc nhiên, bởi vì lưới điện thông minh hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích to lớn như giảm thiểu chi phí, nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện có khả năng tích hợp với năng lượng tái tạo, giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường... Với ưu điểm vượt trội là có thể tự quản lý dữ liệu, lưới điện thông minh có khả năng giải quyết nhiều vấn đề gai góc nhất trong quá trình vận hành một lưới điện thông thường. Chính vì vậy ý tưởng về lưới điện thông minh đã lan truyền đến mọi ngóc ngách của ngành công nghiệp điện, biến những bản vẽ, phác thảo thành những khoản đầu tư khổng lồ trên toàn cầu từ Châu Âu, Châu Á đến Bắc Mỹ. Lưới điện thông minh đang được phát triển theo nhiều cách khác nhau, một số quốc gia tập trung vào các hệ thống công nghệ mới, các quốc gia khác lại đầu tư cho các thiết bị chuyên dụng. Ngày càng có nhiều người đặt câu hỏi về tác động thực sự từ sự ra đời của SG là như thế nào. Câu trả lời rất đơn giản: SG sẽ mang rất nhiều lợi ích. Mặc dù không phải tất cả những lợi ích này đều ở dạng tiền tệ (tức là độ tin cậy và sự hài lòng của khách hàng). Thêm vào đó, những lợi ích này có thể ở hình thức giảm chi phí hiện tại hoặc giảm chi phí trong tương lai. SG còn có thể giúp cho khách hàng kiểm soát lượng điện tiêu thụ. Kinh nghiệm của thế giới cho thấy, triển khai SG với công nghệ tự động điều chỉnh phụ tải có thể tiết kiệm được từ 20-25% nguồn năng lượng. Trang 5 Vì vậy, nghiên cứu và phát triển SG góp phần giải quyết một phần thách thức đặt ra trong quá trình phát triển của ngành điện hiện tại và tương lai. SG là cơ sở hạ tầng quan trọng phục vụ việc vận hành thị trường điện theo các cấp độ, là nền tảng để triển khai các ứng dụng, quản lý, thu thập, xử lý thông tin để bảo đảm tính kịp thời và minh bạch trong giao dịch, mua bán và thanh toán tiền điện trên thị trường điện. SG là một giải pháp hiệu quả nhằm đạt lợi ích tổng hợp. Chính vì vậy, nhiều nước phát triển trên thế giới đang nỗ lực đầu tư hàng tỷ USD để xây dựng hệ thống SG. Tuy nhiên, việc triển khai này mới đang ở giai đoạn thử nghiệm và thống nhất các tiêu chuẩn công nghệ. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới minh chứng cho những tiện ích của SG, tuy nhiên SG vẫn phải đối mặt với một số thách thức trong việc thuyết phục các nhà đầu tư và người tiêu dùng. Họ vẫn còn hoài nghi về lợi ích của công nghệ SG. Tuy nhiên, đây mới chỉ là những bước đầu của một hệ thống SG quy mô và cần nhiều nghiên cứu, đầu tư hơn nữa. Do đó, đây là một đề tài cấp thiết để các nhà nghiên cứu tiến hành trong thời điểm hiện nay tại Việt Nam. 1.3. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu này được thực hiện nhằm tìm hiểu tình hình triển khai và ứng dụng SG trên thế giới. Đồng thời tìm hiểu về các công nghệ của SG trên thế giới nhằm đề ra những giải pháp cho việc áp dụng SG tại Việt Nam. 1.4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu này mục đích tìm hiểu về tình hình triển khai và ứng dụng SG trên thế giới. Do đó, kết quả của nghiên cứu này chỉ đúng với các đối tượng tham gia nghiên cứu và thời điểm nghiên cứu. Tuy nhiên, với hy vọng là kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp phần nào vào nguồn tài liệu nghiên cứu về vấn đề SG trên thế giới cũng như tại Việt Nam đồng thời là nền tảng cho những nghiên cứu trong các lĩnh vực có liên quan đến ngành công nghiệp điện. 1.5. Nội dung nghiên cứu Để đạt được các mục tiêu trên, nghiên cứu này được tiến hành nhằm giải quyết các vấn đề sau: Trang 6 - Tình hình triển khai và ứng dụng SG trên thế giới  Tình hình triển khai và mức độ ứng dụng SG ở các nhà máy, công ty điện trên thế giới như thế nào?  Hiệu quả mang lại về mặt kinh tế và phi kinh tế của SG so với mạng lưới điện thông thường là gì?  Nhận thức của các công ty điện lực về tính tiện ích của SG là như thế nào? - Tìm hiểu các công nghệ ứng dụng của SG trên thế giới  Tình hình triển khai công nghệ của SG trên thế giới như thế nào? - Các giải pháp khả thi nhằm để áp dụng SG tại Việt Nam Để trả lời được các câu hỏi nghiên cứu trên, các nội dung nghiên cứu mà đề tài đã thực hiện bao gồm: Nội dung 1: Nghiên cứu về tình hình triển khai và ứng dụng của SG trên thế giới. Nội dung 2: Tìm hiểu về công nghệ của SG trên thế giới. Nội dung 3: Xu hướng phát triển SG trên thế giới. Nội dung 4: Đề xuất các giải pháp cho việc áp dụng hiệu quả SG tại Việt Nam. 1.6. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu 1.6.1. Phương pháp luận - Thu thập các tài liệu từ các báo cáo khoa học, sách báo, tạp chí chuyên ngành; các luận án, luận văn trong và ngoài nước có liên quan đến các ứng dụng của SG trong ngành công nghiệp năng lượng điện. - Phân tích, đánh giá, xử lý và tổng hợp các tài liệu, số liệu từ các tài liệu khoa học đã được chọn lọc. 1.6.2. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được các mục tiêu và nội dung nghiên cứu đề ra, các phương pháp nghiên cứu sau đây đã được thực hiện: 1.6.2.1. Phương pháp thu thập thông tin  Thu thập các tài liệu tổng quan tình hình nghiên cứu về công nghệ SG từ các bài báo, tạp chí chuyên ngành, các luận án, luận văn trên thế giới. Trang 7  Thu thập thông tin, ý kiến, quan điểm của các nhà đầu tư, nhà máy cung cấp năng lượng về các tính năng ưu việt của SG so với mạng lưới điện thông thường đang được vận dụng hiện nay.  Thu thập các tài liệu nước ngoài về các công nghệ, ứng dụng của SG được áp dụng hiện nay trên thế giới.  Thu thập các tài liệu nước ngoài về xu hướng phát triển của SG được áp dụng hiện nay trên thế giới 1.6.2.2. Phương pháp chuyên gia Tham vấn từ các chuyên gia trong ngành điện nhằm hoàn thiện các giải pháp về áp dụng công nghệ SG tại Viêt Nam. Trang 8 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 2.1. Định nghĩa Smart Grid Thuật ngữ Smart Grid xuất hiện đầu tiên vào năm 2005, khi bài báo “Toward A Smart Grid” của S. Massoud Amin và Bruce F. Wollenberg xuất hiện trên IEEE P&E (tập 3, N0 5, trang 34-41) [3]. Thực ra, thuật ngữ này đã xuất hiện sớm hơn vào năm 1998 khi nhiều định nghĩa về SG với một số chức năng và định hướng sử dụng được công bố. Yếu tố chung nhất của SG là việc tham gia của kỹ thuật vi tính xử lý và truyền thông kỹ thuật số vào các hoạt động vận hành và quản lý hệ thống điện. Theo Ủy ban Châu Âu EU Commission, SG là một mạng lưới điện mà có thể tích hợp một cách thông minh những hoạt động của tất cả người sử dụng được kết nối với nó bao gồm máy phát điện, người tiêu dùng và điều đó tăng cường hiệu quả việc cung cấp điện bền vững, kinh tế và an toàn [4]. Hình 2.1 bên dưới là ví dụ minh họa cho hệ thống SG. Hình 2.1 Hệ thống Smart Grid Theo cơ quan năng lượng Mỹ, “Lưới điện thông minh tích hợp công nghệ cảm biến tiên tiến, phương pháp kiểm soát và truyền thông tích hợp vào lưới điện hiện nay". Về nguyên tắc hệ thống SG là sự nâng cấp và cập nhật hệ thống điện hiện có Trang 9 bằng công nghệ đo lường, điều khiển và bảo vệ kỹ thuật số với hệ thống truyền thông hiện đại nhằm đáp ứng nhu cầu về độ tin cậy, an toàn, chất lượng điện, tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, chức năng cơ bản của SG không phải là việc tích hợp các mạng đơn lẻ và các công ty phát điện với trình độ công nghệ khác nhau. Nó còn tăng cường kết nối, nâng cao trình độ tự động hoá và điều phối các nhà cung cấp, các hộ tiêu thụ và lưới điện nhằm thực hiện nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện trên phạm vi rộng cũng như cục bộ. SG phải có khả năng tự duy trì hoạt động trước các thay đổi bất thường. Lưới truyền tải cự ly xa và trung bình nói chung được kết nối bằng hệ thống siêu cao áp 500 kV, 220 kV, lưới địa phương qua đường dây 110 kV và thấp hơn. Kỹ thuật số cho phép trên cùng một thiết bị phần cứng có thể thực hiện nhiều chức năng điều khiển khác nhau, vấn đề chỉ cần thay đổi phần mềm. Sau đây là một số định nghĩa của SG:  Là một hệ thống điện có chứa nhiều hệ thống truyền tải và phân phối tự động (T & D), tất cả các hoạt động được thực hiện một cách đồng bộ, hiệu quả và đáng tin cậy.  Là một hệ thống điện phục vụ hàng triệu khách hàng và có một cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc thông minh, cho phép dòng thông tin kịp thời, an toàn và khả năng thích ứng cao cần thiết để cung cấp điện cho nền kinh tế kỹ thuật số đang phát triển hiện nay.  Là một hệ thống điện để tự xử lý, điều chỉnh trong những tình trạng khẩn cấp bằng cách những hành động "tự điều chỉnh" và đáp ứng nhu cầu tiện ích và thị trường năng lượng hiện nay.  Là một tập hợp rộng lớn của công nghệ truyền tải điện một cách linh hoạt, dễ tiếp cận, đáng tin cậy và có tính kinh tế. SG đáp ứng mong muốn của người sử dụng điện về việc phân phối, việc triển khai của hệ thống quản lý nhu cầu và lưu trữ năng lượng hoặc mở rộng tối ưu và quản lý tài sản lưới điện [5]. Trang 10 Từ quan điểm Công nghệ thông tin trên, công nghệ lưới điện SG sẽ tăng đáng kể về số lượng, chất lượng và việc sử dụng các dữ liệu nhận được từ các cảm biến và thiết bị đo khác nhau. Điều này sẽ giúp giải quyết hai vấn đề chính cấp bách hiện nay về lưới điện là vấn đề về môi trường và rối loạn điện. Sự ra đời của mạng lưới điện thông minh SG sẽ khắc phục cả vấn đề an ninh và tăng tính hiệu quả của việc cung cấp điện. Giải pháp SG được đưa ra với ý tưởng quản lý thiết bị tiêu thụ điện để giảm tải trong giờ cao điểm, kết nối các nguồn điện gia đình (điện mặt trời, điện gió, trạm thủy điện nhỏ) vào lưới, điều khiển các hệ thống lưu điện (lưu điện khi máy phát dư công suất và phát điện khi máy phát thiếu công suất) nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng bức thiết về việc phân phối điện năng, quản lý/giám sát điện năng tiêu thụ, cũng như mong muốn sử dụng năng lượng hiệu quả trên toàn cầu. SG áp dụng các tiến bộ công nghệ kỹ thuật số vào lưới điện, cho phép sử dụng 2 đường truyền và điều phối thông tin thời gian thực giữa các nhà máy phát điện/nguồn phân phối và nhu cầu của các thiết bị đầu cuối (phía khách hàng). Sau khi phân tích những định nghĩa trên, SG có các đặc điểm sau đây: Hình 2.2 Các chức năng của Smart Grid [25]  Thoả mãn yêu cầu thực tế ngày càng tăng.  Dễ dàng kết nối và đảm bảo vận hành cho tất cả các nguồn điện với các kích cỡ và công nghệ khác nhau, kể cả các nguồn điện phân tán như các nguồn năng lượng tái tạo, làm cho toàn bộ hệ thống vận hành hiệu quả hơn. Trang 11  Khả năng tự động khôi phục cung cấp điện khi có sự cố xảy ra mất điện đối với khách hàng.  Chống được sự tấn công cố ý đối với hệ thống cả về mặt vật lý và mạng máy tính.  Nâng cao độ tin cậy, chất lượng và an toàn của hệ thống cung cấp điện.  Hiệu quả cao trong sản xuất, truyền tải, phân phối, tiết kiệm điện.  Duy trì và cải tiến các dịch vụ hiện hành một cách hiệu quả.  Sử dụng rộng rãi các nguồn năng lượng tái tạo.  Cho phép các hộ gia đình dùng điện chủ động tham gia vào việc vận hành tối ưu hệ thống, làm cho thị trường điện phát triển.  Cung cấp cho các hộ dùng điện đầy đủ thông tin và các lựa chọn nguồn cung cấp.  Giảm thiểu các tác động ảnh hưởng tới môi trường.  Tích hợp (theo dõi, kiểm soát, bảo vệ, bảo trì, EMS, DMS, AMI) Hình 2.3 và Bảng 2.1 bên dưới so sánh các đặc tính của mạng lưới điện truyền thống và mạng lưới điện SG. Hình 2.3. Lưới truyền thống so với lưới thông minh Trang 12 Bảng 2.1 So sánh mạng lưới điện truyền thống và Smart Grid Cơ sở hạ tầng lưới điện hiện tại Cơ sở hạ tầng lưới điện Smart Grid 1 Phát điện tập trung Phát điện phân tán 2 Dòng điện một chiều Dòng điện hai chiều 3 Vận hành dựa trên kinh nghiệm Hoạt động dựa trên dữ kiện thời gian STT (chỉ số tải) 4 thực Hạn chế khả năng tiếp cận của Mở rộng khả năng tiếp cận lưới điện. nhà sản xuất điện mới Khách hàng tham gia vào thị trường điện 5 Sử dụng chủ yếu nguồn năng Dễ dàng kết nối và đảm bảo vận hành lượng hóa thạch. Hạn chế hoặc cho tất cả các nguồn điện với các kích khó để tích hợp các nguồn năng cỡ và công nghệ khác nhau lượng thay thế 6 Quản lý và kiểm soát mạng lưới Khả năng tự động khôi phục cung cấp phân phối kém. Khả năng mất điện khi có sự cố xảy ra mất điện đối truyền điện lên đến 20%, mất với khách hàng phân phối lên đến 30% 7 Không theo kịp với những thử Áp dụng các tiến bộ công nghệ kỹ thách thức hiện tại thuật số vào lưới điện Sau khi phân tích mục đích và các khả năng của SG, có thể rút ra các sự biến đổi đáng kể của lưới điện thông minh SG so với mạng lưới điện hiện hành (Hình 2.4). Trang 13 Hệ thống lưới điện hiện hành Hệ thống lưới điện Smart Grid Dễ bị tắt nghẽn, mất điện tạm thời An toàn, bền vững, hiệu suất cung cấp điện cao Do con người trực tiếp điều hành và kỹ thuật chuyên sâu phức tạp Tự động hóa các trạm biến áp thông minh Mạng lưới thông tin liên lạc không đồng nhất khác nhau về điện dung và dải tần Mạng lưới thông tin liên lạc thông minh đồng nhất bằng giao thức liên mạng và đường truyền tốc độ cao kết nối tất cả các các thành phần Tình trạng thiết bị chính không có khả năng tích hợp tất cả Điều kiện theo dõi, quản lý tài sản mạng lưới tốt hơn Phát điện tập trung và tiêu thụ phi tập trung Tích hợp các nguồn năng lượng phân phối (DER) và lưu trữ bởi các nhà máy điện ảo Hướng dẫn và phản ứng dựa trên kinh nghiệm điều hành trong các tình huống nghiêm trọng Khả năng tự khôi phục khi có sự cố xảy ra Không quản lý tốt được việc tiêu thụ điện hoặc không rõ ràng Quản lý được việc tải điện và định lượng thông minh Tối ưu hóa cấu trúc hiệu quả chu kỳ mạng lưới điện như một tiến trình độc lập. Tham gia tích cực vào việc xây dựng hệ thống lưới điện bao gồm cả người tiêu dùng, nhà sản suất và các thiết bị lưu trữ điện Hình 2.4 Các sự biến đổi đáng kể của lưới điện thông minh SG so với mạng lưới điện hiện hành [6] Nhìn chung, SG có thể được định nghĩa là "một hệ thống của nhiều hệ thống”. Nó có thể được xem như là một cơ sở hạ tầng tốt hơn trong việc cung cấp điện. Trang 14 2.2. Những yếu tố tiến bộ của mạng lưới điện Smart Gird Tổng quan về mạng lưới điện hiện hành thì cơ sở hạ tầng ngày càng già cỗi và khó khăn về vốn. Hiện tại, rất nhiều các nhà máy điện, đường dây truyền tải và phân phối đã trở nên già cỗi sau 20-30 năm vận hành và được thiết kế để cung cấp điện trong những thời đại trước. Các công ty điện lực thường có xu hướng giảm thiểu đầu tư vào cơ sở hạ tầng này và rất khó khăn tìm kiếm các nguồn đầu tư tin cậy để đảm bảo sự phát triển hợp lý các cơ sở hạ tầng này trong những thập kỷ tiếp theo. Hình 2.5 Mạng lưới điện thông thường Bên cạnh đó, vấn đề về chất lượng điện năng và tổn thất phi kỹ thuật là một trong những vấn đề được quan tâm trong ngành điện hiện nay. Với các nước đang phát triển như Việt Nam thì giảm được tổn thất phi kỹ thuật trong vận hành hệ thống điện cũng là các mối quan tâm hàng đầu. Trong đó các tổn thất phi kỹ thuật bao gồm ăn cắp điện, hư hỏng hoặc bất thường của thiết bị đo đếm làm phát sinh tranh chấp và chu kỳ thu tiền kéo dài. "SG là một phản ứng cần thiết cho nhu cầu về môi trường, xã hội và chính trị được đặt trên cung cấp năng lượng". Theo một nghiên cứu gần đây bởi công ty điện lực Na Uy, phần lớn các ngành phục vụ công cộng cho rằng công nghệ được xem là sự tiến bộ hàng đầu của SG. Hình 2.6 Mạng lưới điện Smart Grid Trang 15 SG có những đặc điểm kỹ thuật nổi trội hơn mạng lưới điện thông thường là do các đặc tính sau:  Truyền băng thông rộng trong toàn hệ thống đường dây điện cho phép hệ thống thông tin hai chiều.  Thiết bị giám sát và rơle đặt tại các trạm biến áp  Thiết bị giám sát đặt tại các máy biến áp và bộ ngắt điện  Điện kế hai chiều với hệ thống truyền thông hai chiều (vô tuyến điện) Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật đo lường, điều khiển thông minh và hệ thống truyền thông hiện đại dựa trên nền tảng kỹ thuật số tích hợp tất cả các lĩnh vực hoạt động trong hệ thống điện tạo nên hệ thống điện thông minh SG có kỹ thuật công nghệ tiên tiến nổi trội được thể hiện trong bảng 2.2 [7]. Bảng 2.2 Tổng quan về các yếu tố tiến bộ của mạng lưới điện SG. Công nghệ tiên tiến • Lưới điện thông minh có thể được xem như là sự hội tụ của CNTT, viễn thông và các thị trường năng lượng. • Các sản phẩm và giải pháp mới thông qua công nghệ tiên tiến. • Nguồn vốn đầu tư đáng kể vào các giải pháp và công nghệ lưới điện thông minh SG. Hiệu quả cao hơn với sự tối ưu hóa lưới điện • Nhiều điểm tích hợp cho phần cứng và phần mềm lưới điện từ việc truyền tải đến tiêu thụ. • Các cảm biến được cài đặt ứng dụng và có khả năng giám sát. • Triển khai mạng lưới thông tin liên lạc hai chiều tiên tiến. • Tăng cường cung cấp năng lượng tái tạo và lưu trữ điện. • Cấu trúc mạng và các hệ thống có khả năng hỗ trợ cho nhiều hình thức của việc phát, phân phối và lưu trữ điện. • Hỗ trợ thông minh cho nhiều hình thức của các nguồn năng lượng tái tạo liên tục (Tập trung và / hoặc phân phối). Dịch vụ khách hàng tiên tiến Trang 16 • Hệ thống quản lý năng lượng tiêu dùng tiên tiến và đơn giản. • Cài đặt thiết bị nối mạng trong "ngôi nhà thông minh". • Mô hình định giá mới có hiệu quả cho việc sử dụng điện. Kiến trúc hạ tầng bền và an toàn • Mạng / hệ thống có khả năng chống được sự tấn công cố ý đối với hệ thống cả về mặt vật lý và mạng máy tính. • Khả năng dự đoán và tự động khôi phục cung cấp điện khi có sự cố xảy ra. Chất lượng điện thế kỷ • Cung cấp, phân phối năng lượng mà không xảy ra các hiện tượng thất thường, đột biến, rối loạn và bị gián đoạn. Ngoài ra, công nghệ tiết kiệm năng lượng mới là cần thiết cho lưới thông minh. Với kỹ thuật công nghệ tiến tiến như vậy có thể làm giảm nhu cầu các nhà máy điện dự phòng và có thể cắt giảm chi phí mất điện. Công nghệ tiết kiệm năng lượng cũng có thể giải quyết những biến đổi của năng lượng tái tạo, như năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Một yếu tố khác của lưới điện thông minh là các phương pháp “thông minh” mới trong sử dụng năng lượng. Điều đó có nghĩa là tối ưu hóa nguồn năng lượng (ví dụ như việc phát điện riêng hoặc lưới điện phân phối), cũng như tối ưu hóa thời gian sử dụng (ví dụ như tránh việc sử dụng trong giờ cao điểm). Lưới điện SG có đặc tính thân thiện môi trường và hiệu quả kinh tế. 2.2.1 Chất lượng điện Ngày nay, mọi người đang rất phụ thuộc vào điện. Nó là một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người hiện nay. Người sử dụng điện không chỉ quan tâm đến việc cung cấp nguồn năng lượng đáng tin cậy mà còn nhu cầu về chất lượng điện đủ để hỗ trợ nhu cầu hiện đại của cuộc sống số. Các nhà vận hành mạng lưới điện hiện nay chủ yếu tập trung giải quyết vấn đề mất điện hơn là vấn đề chất lượng. Nhưng điều này sẽ sớm thay đổi khi các nhà quản lý đưa ra các quy định chặt chẽ hơn liên quan đến chất lượng điện năng. Nếu không có chất lượng năng lượng thích hợp, một thiết bị điện có thể hư hỏng hoặc Trang 17 không hoạt động. Với tất cả các trung tâm dữ liệu hiện nay, các mạng di động và các thiết bị y tế, con người dễ dàng nhận ra rằng chất lượng điện năng đáng tin cậy là điều vô cùng quan trọng. 2.2.2 An toàn điện An toàn điện là một yếu tố quan trọng trong mạng lưới. Hệ thống phân phối điện SG dựa vào phần cứng và phần mềm ngày càng tinh vi. An toàn điện đang ngày càng phụ thuộc vào thông tin hai chiều giữa các hệ thống và phản ứng của hệ thống đối với đầu vào. Chức năng an toàn phụ thuộc vào thiết bị hoặc hệ thống hoạt động một cách chính xác để đáp ứng với đầu vào năng lượng của nó. Chức năng an toàn điện bao gồm: • Phần mềm • Phần cứng • Khả năng tương thích điện từ • Quản lý an toàn Chức năng an toàn điện nhằm giảm thiểu nguy cơ chấn thương thể chất và sức khỏe của con người (trực tiếp hoặc thông qua môi trường). Việc tạo ra lưới điện an toàn là một yếu tố quan trọng trong mạng lưới SG. 2.2.3. Tính năng dự đoán của lưới điện Smart Grid SG không chỉ thông minh mà nó còn có thể dự đoán trước những vấn đề có thể xảy ra trên hệ thống nhờ vào các bộ cảm biến và các bộ xử lý tập trung. Lưới điện thông minh có thể dự đoán và cảnh báo cho những người quản lý hệ thống về những vấn đề trên lưới điện ngay khi nó xảy ra, hoặc thậm chí là trước khi nó xảy ra. Một khi sự cố xảy ra, lưới điện thông minh có thể biết trước khi khách hàng gọi đến để thông báo về sự cố nhờ vào các công tơ thông minh. Ngoài các công tơ thông minh, các thiết bị giám sát hoạt động của các máy biến áp cũng có hiệu quả rất lớn trong việc thu thập thông tin về các sự cố có thể xảy ra. Việc này khá quan trọng vì các máy biến áp có thời gian sử dụng lâu năm thì càng có khả năng xảy ra sự cố và sự cố của máy biến áp thường gây ảnh hưởng tiêu cực trong phạm vi rộng lớn. Trang 18 Ngoài ra, trên hệ thống điện phân phối, SG còn có khả năng dò tìm sự cố và duy trì hoạt động cấp điện một cách tự động. Hiệu quả là rất lớn do khách hàng có điện sử dụng liên tục, còn công ty điện lực thì duy trì được sản lượng và doanh thu bán điện. 2.2.4. Tính độc lập năng lượng và an ninh trong việc cung cấp điện Độc lập về năng lượng là một trong những vấn đề nóng được thảo luận trong các chương trình nghị sự chính trị [8]. Nhập khẩu nguồn cung cấp khí đốt và các nguồn khác cho việc sản xuất năng lượng từ nước ngoài đã được chứng minh là không đáng tin cậy. Điều quan trọng là SG có khả năng tự cung cấp các nguồn cho việc sản xuất năng lượng. Điều này được thực hiện bằng cách tối ưu hóa sử dụng năng lượng (đáp ứng nhu cầu) và tăng sản xuất năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo cũng như sự phát điện phân phối. Ví dụ: Xe điện cũng được xem là một giải pháp để giảm sự phụ thuộc vào năng lượng nước ngoài vì họ không sử dụng dầu nhập khẩu từ nước ngoài. Tuy nhiên, công nghệ này không thể thành công mà không cần đến lưới điện thông minh. Cụ thể như hệ thống điều khiển nâng cao và mạng lưới giao thông là một phần của lưới điện thông minh có khả năng sạc điện mà không gây ra các sự cố do tải điện vào giờ cao điểm do hàng ngàn hộ gia đình nạp điện vào xe của họ sau giờ làm việc. 2.2.5. Phát triển việc phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo Nếu không có sự ra đời của SG, các nguồn năng lượng tái tạo vẫn chưa được tận dụng triệt để. Cả khách hàng và các dịch vụ sẽ được hưởng lợi ích từ việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện thông thường. Rất nhiều quốc gia châu Âu đang chạy đua hướng tới mục tiêu “20/20/20”. Đó là mục tiêu cắt giảm 20% lượng khí thải nhà kính vào năm 2020 so với mức của năm 1990, gia tăng 20% trong tỷ trọng nguồn năng lượng tái tạo trong năng lượng tích hợp và cắt giảm 20% tiêu thụ năng lượng. Sự ra đời của lưới điện SG sẽ không chỉ giúp để đạt được mục tiêu trên mà còn hứa hẹn sẽ cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng bổ sung. Vấn đề lưu trữ năng lượng được thảo luận thêm trong mục 2.3.2 của nghiên cứu này. Trang 19 2.2.6. Phát triển công nghệ Có một số kỹ thuật, công nghệ cho phép lưới điện thông minh có thể sử dụng được trên thị trường hiện nay. Lưới thông minh góp phần quan trọng trong việc biến đổi ngành công nghiệp tiện ích trở thành thời đại thông tin vì tất cả các thông tin, dữ liệu về tiêu thụ năng lượng, phát điện, phân phối và lưu trữ sẽ luôn sẵn sàng và được tính theo thời gian thực. Đến ngày hôm nay, ngành điện đã tụt lại phía sau so với các ngành công nghiệp khác do không nắm bắt cơ hội trong thời đại truyền thông hiện đại và công nghệ mạng. Vì vậy, bước đầu tiên trong việc giới thiệu mạng lưới thông minh SG sẽ không phải là sáng tạo công nghệ mới mà là giới thiệu các công nghệ hiện nay. 2.2.7. Nhu cầu năng lượng Nhu cầu năng lượng toàn cầu dự kiến sẽ tăng cao 44% vào năm 2030 (xem hình 2.7) với hầu hết các nhu cầu đến từ các nước đang phát triển như Trung Quốc, Nga, Ấn Độ và Brazil. Hình 2.7 Dự báo nhu cầu về năng lượng Trang 20 Tuy nhiên, các nước EU cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng cao, đồng thời giá điện liên tục tăng. Do đó, các nguồn năng lượng thay thế cần được xem xét. Và đã đến lúc thị trường nên thích ứng với các công nghệ mới. Bộ điều khiển SG sẽ hỗ trợ cả những nỗ lực tiết kiệm năng lượng trực tiếp và gián tiếp. Nâng cao cơ sở hạ tầng đo tiên tiến hứa hẹn sẽ cung cấp cho các trung tâm điều khiển với các thông tin thời gian thực về vấn đề tiêu thụ điện. Điều này sẽ cải thiện đáng kể hiệu quả hoạt động của lưới điện phân phối và cho phép các ứng dụng năng lượng hiệu quả như nhu cầu cung được đăng ký với quy mô đầy đủ. 2.2.8. Mức tải đỉnh và giá thành theo thời gian sử dụng thực Để làm giảm nhu cầu tải điện trong các giờ cao điểm với giá điện rất cao, các thiết bị thông minh chức năng có liên quan đến các phương tiện liên lạc và công nghệ đo được lắp đặt tại nhà hoặc trong văn phòng, khi nhu cầu năng lượng cao. Các thiết bị này lần lượt theo dõi số lượng điện tiêu thụ và đăng nhập thời gian sử dụng của nó. Để khuyến khích khách hàng phải cắt giảm năng lượng sử dụng trong giờ cao điểm, ngành điện đã tăng giá điện trong giai đoạn nhu cầu sử dụng điện cao và giảm giá điện trong giai đoạn nhu cầu sử dụng điện thấp. Dự kiến người tiêu dùng và các ngành kinh doanh sẽ có xu hướng tiêu thụ ít năng lượng hơn trong giờ cao điểm vì họ nhận thức được giá điện sẽ cao khi sử dụng điện trong giờ cao điểm. Ví dụ, một số hộ gia đình có thể nấu bữa tối lúc 9 giờ tối thay vì lúc 5 giờ chiều. Người ta cho rằng với chính sách như vậy sẽ làm giảm lượng dự trữ quay mà công ty điện lực phải hoạt động liên tục. Các biểu đồ phụ tải sẽ tự chỉnh mức thông qua việc kết hợp của giá thành và trung tâm điều khiển một số các thiết bị dịch vụ quản lý điện năng (tập hợp) chi trả cho người tiêu dùng một phần công suất tải đỉnh được tiết kiệm khi người tiêu dùng tắt các thiết bị điện của họ trong giờ cao điểm.
- Xem thêm -