Phát triển hệ thống điện thông minh [Kỳ 3]: Phương pháp tiếp cận của Hoa Kỳ

Theo dõi KTMT trên

Để phục vụ cho chương trình chuyển đổi năng lượng, hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng 0, Hoa Kỳ đang khẩn trương ứng dụng công nghệ mới để cải tạo lưới điện, nâng cao độ bền bỉ, dẻo dai và cho ra đời hệ thống lưới điện thông minh để đáp ứng nhiệm vụ trong tình hình mới.

Hành trình đến với lưới điện thông minh của Hoa Kỳ:

Văn phòng Điện lực (OE) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) gọi lưới điện của Hoa Kỳ là “một kỳ quan kỹ thuật”. Theo OE, hệ thống này có hơn 9.200 tổ máy phát điện, với công suất phát điện hơn một triệu MW được kết nối với hơn 600.000 dặm đường dây truyền tải. Đó là một hệ sinh thái bao gồm chủ sở hữu tài sản, nhà sản xuất, nhà cung cấp dịch vụ và quan chức chính phủ ở cấp liên bang, tiểu bang, địa phương, tất cả cùng làm việc để vận hành một mạng lưới phân phối điện có độ tin cậy cao.

Tại Mỹ, giải thưởng Lưới điện thông minh (Smart Grid Award) được Tạp chí Điện (Power) công bố lần đầu năm 2011, vinh danh Hợp tác xã Điện lực Vermont (VEC), vì có công phát triển một “chiến lược hiện đại hóa lưới điện” sáng tạo. Trong số các hạng mục đã hoàn thành có lắp đặt hệ thống đo đếm thông minh và công nghệ hạ tầng đo lường tiên tiến.

VEC cũng trang bị cho các đội hiện trường và đội vận hành một hệ thống lập bản đồ và quản lý sự cố mất điện có hỗ trợ GPS, loại bỏ sự phụ thuộc vào bản đồ giấy, vốn thường được sử dụng vào thời điểm đó.

VEC cũng đã triển khai hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu để tự động hóa trạm biến áp và kết nối tất cả các trạm biến áp với trung tâm điều khiển của mình bằng cáp quang. Đây đều là những nâng cấp hiện đại nhất vào thời điểm đó, giúp nâng cao độ dẻo dai, bền bỉ cho hệ thống. Và ngày nay, chúng vẫn mang tính thời sự và phổ biến.

Cải tạo lưới điện nhìn từ kinh nghiệm của VEC:

Theo Power, từ kinh nghiệm của VEC cho thấy, có ba yếu tố mang tính “điểm nhấn” để tạo ra hệ thống lưới điện thông minh, đó là: Tài trợ công nghệ lưới điện thông minh, sử dụng công nghệ mới có sẵn và sử dụng trí tuệ nhân tạo cho lưới điện thông minh.

1/ Tài trợ công nghệ lưới điện thông minh:

Các công nghệ lưới điện thông minh đã được thực hiện nhờ các công nghệ giao tiếp hai chiều, hệ thống điều khiển và xử lý máy tính. Những công nghệ tiên tiến này bao gồm:

- Các cảm biến cấp cao được gọi là Đơn vị đo lường pha (PMU) cho phép người vận hành đánh giá độ ổn định của lưới điện.

- Công tơ kỹ thuật số tiên tiến cung cấp cho người tiêu dùng thông tin tốt hơn và tự động báo cáo sự cố mất điện.

- Rơle tự động cảm nhận và phục hồi sau các sự cố trong trạm biến áp.

- Công tắc trung chuyển tự động giúp định tuyến lại nguồn điện xung quanh các sự cố.

- Pin lưu trữ năng lượng dư thừa và cung cấp cho lưới điện sau này để đáp ứng nhu cầu của khách hàng.

DOE hỗ trợ phát triển các công nghệ lưới điện thông minh theo nhiều cách. Ví dụ: Vào ngày 18 tháng 11 năm 2022, DOE đã công bố các cơ hội tài trợ mới trị giá 13 tỷ đô la để mở rộng và hiện đại hóa lưới điện quốc gia. Được tài trợ bởi Luật Cơ sở hạ tầng lưỡng đảng, chương trình Đối tác đổi mới khả năng phục hồi lưới điện (GRIP) và Chương trình tạo điều kiện truyền tải cùng nhau đại diện cho khoản đầu tư liên bang trực tiếp lớn nhất từ trước đến nay vào cơ sở hạ tầng truyền tải và phân phối quan trọng.

Chương trình GRIP: Tiền của chương trình GRIP sẽ được chia thành ba chương trình. Các dự án dự kiến sẽ được thực hiện trong các lĩnh vực sau:

- Tiện ích phục hồi lưới điện và tài trợ cho ngành: 2,5 tỷ USD sẽ được sử dụng để tài trợ cho các giải pháp công nghệ truyền tải, phân phối toàn diện dự kiến sẽ giảm thiểu nhiều mối nguy hiểm trên toàn khu vực, hoặc trong cộng đồng (bao gồm cháy rừng, lũ lụt, bão, nhiệt độ cực cao, cực lạnh và bất kỳ sự kiện nào khác có thể gây ra một sự gián đoạn cho hệ thống điện). Các ứng viên đủ điều kiện (bao gồm nhà điều hành lưới điện, nhà điều hành lưu trữ, máy phát điện, chủ sở hữu, hoặc nhà điều hành truyền tải, nhà phân phối và nhà cung cấp nhiên liệu).

- Tài trợ lưới điện thông minh: 3 tỷ USD sẽ được sử dụng để tăng tính linh hoạt, hiệu quả, độ tin cậy và khả năng phục hồi của hệ thống điện. Đặc biệt tập trung vào việc tăng công suất của hệ thống truyền tải, ngăn ngừa các sự cố có thể dẫn đến cháy rừng, hoặc các rối loạn hệ thống khác, tích hợp năng lượng tái tạo tại các cấp độ truyền tải và phân phối. Đồng thời tạo điều kiện tích hợp số lượng ngày càng tăng của các phương tiện chạy điện, các tòa nhà sử dụng điện để cấp nhiệt và nước nóng, cũng như các thiết bị cạnh lưới điện khác. Chương trình dành cho các tổ chức trong nước bao gồm các tổ chức giáo dục đại học, tổ chức vì lợi nhuận, phi lợi nhuận, tổ chức chính quyền tiểu bang và địa phương, cũng như các khu vực của bộ lạc.

- Chương trình Đổi mới lưới điện: 5 tỷ USD sẽ được sử dụng để cung cấp hỗ trợ tài chính cho một, hoặc nhiều tiểu bang, bộ lạc, chính quyền địa phương và các ủy ban tiện ích công cộng để cộng tác với các chủ sở hữu, nhà điều hành lưới điện nhằm triển khai các dự án sử dụng các phương pháp tiếp cận sáng tạo đối với cơ sở hạ tầng truyền tải, lưu trữ, phân phối nhằm cải thiện lưới điện khả năng phục hồi và độ tin cậy.

- Chương trình hỗ trợ truyền dẫn: Thiết lập một quỹ quay vòng đổi mới để giúp vượt qua khó khăn tài chính, nâng cấp các đường dây truyền tải hiện có và ở một số bang, vùng lãnh thổ nhất định, việc thành lập các lưới điện siêu nhỏ. Luật Cơ sở hạ tầng lưỡng đảng cho phép DOE, thông qua chương trình, vay tới 2,5 tỷ USD để hỗ trợ xây dựng các đường dây truyền tải công suất cao với cách tiếp cận sáng tạo có thể thúc đẩy các đường dây mới có giá trị mà nếu không sẽ không được xây dựng, hoặc tăng công suất của các tuyến đã được quy hoạch.

2/ Sử dụng công nghệ mới có sẵn:

So với lúc mới bắt đầu triển khai, ngày nay đã có sẵn công nghệ lưới điện thông minh khác. Ví dụ: S&C Electric có trụ sở chính tại Chicago, Illinois, công ty đi đầu trong lĩnh vực hiện đại hóa lưới điện, sẽ ra mắt hệ thống EdgeRestore mới, công bố tại hội nghị quốc tế DISTRIBUTECH ở San Diego, California, từ ngày 7 đến ngày 9 tháng 2 năm 2023. Công ty tiết lộ về cái nhìn ban đầu độc quyền về hệ thống EdgeRestore.

EdgeRestore là hệ thống khôi phục phân phối ngầm, giúp giảm tác động của các vụ mất điện thường kéo dài nhiều giờ xuống còn 60 giây, hoặc ngắn hơn. EdgeRestore hiện đại hóa phân đoạn cuối cùng của phân phối điện ngầm để nhanh chóng xác định và cách ly các chạm chập, khôi phục nguồn điện, đồng thời cải thiện độ tin cậy và độ dẻo dai bằng cách giảm các vụ mất điện dài.

Khi một lỗi ngầm, hoặc mất nguồn đơn lẻ xảy ra trên một vòng lặp dân cư ngầm, hệ thống EdgeRestore sẽ tự động xác định vị trí và cách ly lỗi, cũng như định tuyến lại nguồn điện từ một nguồn thay thế - tất cả trong vòng 60 giây. Hệ thống thông minh này làm giảm tác động của sự cố mất điện liên tục thường kéo dài hàng giờ và loại bỏ nhu cầu can thiệp của nhân viên ngay lập tức, giữ nguồn điện cho đến khi vấn đề cơ bản có thể được giải quyết. Tính năng tự động cách ly các sự cố cũng giúp đơn giản hóa rất nhiều quy trình xác định vị trí sự cố trên các mạch điện dân dụng ngầm và giảm mức độ tiếp xúc với điện áp trung bình cho các đội.

Hơn nữa, các thiết bị không cần bất kỳ chương trình, bản cập nhật chương trình cơ sở, máy tính, kết nối internet, pin, radio hoặc ăng-ten nào.

Anders Sjoelin - Chủ tịch và Giám đốc điều hành của S&C cho biết: “EdgeRestore thực sự hiện đại hóa đến điểm cuối cùng của hệ thống phân phối điện ngầm, giảm tình trạng mất điện kéo dài thành gián đoạn tạm thời, giúp lưới điện an toàn hơn, thông minh hơn và linh hoạt hơn trước những thách thức về thời tiết và nhu cầu điện ngày càng tăng. Lịch sử lâu dài về đổi mới lưới điện và tập trung vào khách hàng của S&C giúp chúng tôi đưa ra các giải pháp giải quyết những thách thức mà các công ty điện gặp phải ngày nay và dự đoán những thách thức mà họ sẽ gặp phải vào ngày mai”.

Công ty Điện và Chiếu sáng Florida (FPL) dự kiến sẽ sớm áp dụng công nghệ này. Manny Miranda - Phó chủ tịch điều hành phụ trách cung cấp điện của FPL cho biết: “Trong gần hai thập kỷ, FPL đã, đang trên hành trình xây dựng một mạng lưới năng lượng mạnh mẽ hơn, thông minh hơn và có khả năng chống bão tốt hơn để phục vụ khách hàng tốt hơn”.

3/ Ứng dụng trí tuệ nhân tạo cho lưới điện thông minh:

Azarang Golmohamdi - Giám đốc học máy của Beyond Limits - Công ty AI [trí tuệ nhân tạo] công nghiệp - nơi chuyên phát triển các giải pháp AI lai bằng cách kết hợp dữ liệu và kiến thức chuyên môn giải thích: AI có thể hỗ trợ hiệu suất của lưới điện thông minh theo hai cách chính. Một là dự đoán chính xác về nhu cầu và sản lượng, hai là vận hành lưới điện theo thời gian thực.

Các công ty điện lực chủ yếu dựa vào các dự đoán ngắn hạn và dài hạn. Ví dụ, ngày hôm nay họ yêu cầu dự đoán chính xác nhu cầu điện của ngày hôm sau. Nhu cầu điện liên quan nhiều đến dữ liệu thời tiết, hoạt động kinh doanh và mọi thứ ảnh hưởng đến các hoạt động kinh doanh đó. Vì vậy, họ xem xét dữ liệu lịch sử để tìm các mẫu và điểm liên kết giữa hai dữ liệu đó để có dự đoán chính xác.

Một trong những ứng dụng quan trọng của AI đã được sử dụng bởi nhiều công ty điện lực và cũng là một chủ đề nghiên cứu nóng - là mã hóa những dự đoán này bằng các công cụ AI khác nhau, cho dù chúng ở dạng mạng thần kinh, hay mô hình cành cây. Các mô hình này xem qua dữ liệu lịch sử và được đào tạo về bất kỳ tính năng nào có thể ảnh hưởng đến nhu cầu điện của ngày hôm sau. Kết quả, làm giảm chi phí vận hành và cũng giảm lượng khí thải carbon do chạy các tổ máy phát điện không cần thiết.

Dự đoán thời tiết chính xác cũng rất quan trọng. Hiện tại, hầu hết các công ty sử dụng các phương pháp số như tối ưu hóa số để cải thiện hoạt động của nhà máy điện. Nhưng khi số lượng các đơn vị phát điện tái tạo tăng lên, các tính toán số trở nên phức tạp hơn với nhiều biến số quyết định hơn, thường bị ảnh hưởng rất nhiều bởi thời tiết. Nếu các tiện ích muốn giải quyết những vấn đề đó trong thời gian thực, thì việc tối ưu hóa bằng số sẽ không thành công, đặc biệt là khi nguồn điện có độ không chắc chắn cao.

Cách mà AI trợ giúp, theo đề xuất của nhiều nghiên cứu gần đây, là thay thế tối ưu hóa số bằng các phương pháp như học tăng cường. Các mô hình học tăng cường có thể được đào tạo trên nhiều tình huống hoạt động và sau khi được đào tạo, chúng có thể đưa ra các quyết định có thể mở rộng trong thời gian rất ngắn - chúng có thể giảm thời gian chạy ít nhất ba bậc số mũ. Chúng có thể đưa ra quyết định trong tích tắc, trái ngược với các phương pháp số đòi hỏi vài phút, hoặc thậm chí hàng giờ cho một vấn đề quy mô lớn.

Đón đọc kỳ tới...

KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

(THEO: POWERMAG - 4/2023)

Link tham khảo:

https://www.powermag.com/the-journey-to-a-smart-grid-funding-and-new-technology-make-it-possible/

Theo Tạp chí Năng lượng Việt Nam