Ô tô chạy điện - Một yếu tố thúc đẩy lưới điện thông minh phát triển
Ở châu Âu, lưới điện thông minh được hiểu là lưới điện sử dụng các sản phẩm và dịch vụ tiên tiến cùng với các công nghệ theo dõi, điều khiển, truyền thông, và tự sửa chữa nhằm:
• Tạo điều kiện tốt hơn cho việc nối lưới và vận hành các nguồn điện thuộc mọi công suất và công nghệ;
• Cho phép hộ tiêu thụ có vai trò trong việc tối ưu hóa vận hành lưới điện;
• Cung cấp cho hộ tiêu thụ nhiều thông tin và nhiều phương án hơn về lựa chọn người cung cấp điện.
• Giảm đáng kể tác động của toàn hệ thống cung cấp điện đối với môi trường;
• Duy trì hoặc thậm chí nâng cao hơn nữa độ tin cậy hiện có của hệ thống, chất lượng và an ninh cung cấp điện;
• Duy trì và cải thiện các dịch vụ hiện có một cách hiệu quả.
Ở Mỹ, lưới điện thông minh được định nghĩa là hiện đại hóa hệ thống truyền tải và phân phối điện trong nước nhằm duy trì một cơ sở hạ tầng điện tin cậy và vững chắc, có khả năng đáp ứng tăng trưởng nhu cầu trong tương lai và đạt được tất cả các yếu tố dưới đây, mà tổng hợp lại chính là đặc trưng của lưới điện thông minh:
1. Tăng cường sử dụng thông tin số và công nghệ điều khiển để nâng cao độ tin cậy, an ninh, và hiệu quả của lưới điện.
2. Tối ưu hóa động các hoạt động và nguồn lực của lưới điện, đảm bảo an ninh máy tính.
3. Triển khai và tích hợp các tài nguyên và nguồn điện phân bố, kể cả các tài nguyên tái tạo.
4. Phát triển và hợp nhất các nguồn lực đáp ứng nhu cầu phụ tải, nguồn lực phía phụ tải, và nguồn lực hiệu quả năng lượng.
5. Triển khai các công nghệ “thông minh” (thời gian thực, tự động hóa, các công nghệ tương tác có khả năng tối ưu hóa việc vận hành các thiết bị và khí cụ của hộ tiêu thụ) trong đo đếm điện, truyền thông liên quan đến vận hành và tình trạng lưới điện, và tự động hóa phân phối.
6. Tích hợp các thiết bị “thông minh” và khí cụ của hộ tiêu thụ.
7. Triển khai và tích hợp các công nghệ tiên tiến về tích trữ điện và san bằng phụ tải đỉnh, kể cả các loại xe chạy điện kiểu cắm điện (chạy bằng điện nạp từ lưới điện - plug-in electric vehicle) và xe kết hợp động cơ điện và động cơ đốt trong (hybrid electric vehicle), và điều hòa không khí kiểu tích nhiệt (thermal-storage air conditioning).
8. Cung cấp kịp thời cho hộ tiêu thụ thông tin và các phương án điều khiển.
9. Xây dựng các tiêu chuẩn về truyền thông và khả năng tương tác của các khí cụ và thiết bị đấu nối với lưới điện, kể cả cơ sở hạ tầng phục vụ lưới điện.
10. Nhận diện và giảm nhẹ những gì bất hợp lý hoặc không cần thiết ngăn cản việc chấp nhận các công nghệ, thông lệ và dịch vụ lưới điện thông minh.
Bối cảnh ra đời và mục tiêu
Việc triển khai lưới điện thông minh đòi hỏi phải thiết kế lại về căn bản ngành dịch vụ điện, tuy nhiên cần tập trung vào cơ sở hạ tầng kỹ thuật.
Lịch sử
Lưới điện xoay chiều đang sử dụng trên thế giới hiện nay ra đời năm 1896, một phần dựa trên thiết kế của Nikola Tesla đã được công bố từ năm 1888. Nhiều ý tưởng thiết kế ngày nay vẫn sử dụng dựa trên những công nghệ còn giới hạn cách đây 120 năm. Nhiều giả định và đặc điểm lỗi thời của lưới điện (ví dụ như nguồn điện tập trung; truyền tải điện, phân phối điện theo một hướng; và điều khiển theo phụ tải) thể hiện quan điểm từ thế kỷ 19 về những gì có thể thực hiện được.
Điều này một phần là do các công ty điện lực cảm thấy ngần ngại không muốn sử dụng các công nghệ chưa được thử thách cho một cơ sở hạ tầng tối quan trọng mà họ có trách nhiệm phải duy trì.
Lưới điện của thế kỷ 20 ban đầu được xây dựng ở dạng lưới điện địa phương, nhưng rồi theo thời gian, chúng được liên kết với nhau vì như vậy có lợi hơn về kinh tế và độ tin cậy. Một trong những hệ thống điện lớn nhất từ trước tới nay đã được xây dựng là lưới điện liên kết, đã chín muồi của cuối những năm 1960 được thiết kế nhằm “phân chia và phân phối” sản lượng lớn điện năng, từ một số tương đối nhỏ (tức là hàng nghìn) “nhà máy điện trung tâm” tới các trung tâm phụ tải lớn, và từ đó đến một số lượng lớn các hộ tiêu thụ cá nhân lớn và nhỏ. Bản chất của công nghệ phát điện trong 75 năm đầu của thế kỷ 20 là càng lớn thì hiệu suất càng cao (nên không hiếm các nhà máy điện công suất 1.000 – 3.000 MW), và phụ thuộc vào địa điểm (nhà máy thủy điện gần các đập nước lớn, các nhà máy nhiệt điện than, khí đốt, dầu gần nguồn nhiên liệu, nhà máy điện hạt nhân gần nơi có nguồn nước làm mát), và do nhiều lý do khác nhau, tất cả các nhà máy điện này phải đặt xa các trung tâm dân cư trong điều kiện đảm bảo tính kinh tế của nhà máy. Vì ngành điện tiếp tục sản xuất ngày càng nhiều điện năng với giá chấp nhận được cho lượng khách hàng ngày càng tăng nên vào cuối những năm 1960, đường dây điện đã vươn tới hầu như mọi gia đình, mọi doanh nghiệp ở các nước phát triển.
Tuy nhiên, năng lực thu thập và xử lý dữ liệu thời đó chỉ đạt tới trình độ các số liệu thống kê, lấy bình quân nên việc truyền các tín hiệu về giá, về cung và cầu qua hệ thống là rất hạn chế. Đồng thời, quan ngại về môi trường ngày một tăng kết hợp với sự phụ thuộc chính trị xã hội vào điện khí hóa ngày càng cao đã gây trở ngại cho việc phát triển theo qui mô. Cuối thế kỷ 20, giá thành điện năng tại các khu vực đô thị lớn leo thang đến mức khó chấp nhận. Các công nghệ na ná như thời những người sáng lập ra ngành điện cách đây một thế kỷ giờ đây không còn phù hợp với nền kinh tế dựa trên thông tin và dịch vụ.
Thử nghiệm thiết bị đo vectơ pha (PMU)
Trong 50 năm qua, lưới điện không còn theo kịp với các thách thức thời hiện đại, cụ thể như:
• Đe dọa về an ninh, từ phía người cung cấp năng lượng hoặc do tấn công mạng.
• Nhiều nước đề ra các chỉ tiêu sử dụng các nguồn điện xoay chiều gián đoạn khiến cho việc duy trì điện ổn định trở nên phức tạp hơn đáng kể.
• Để đạt mục tiêu bảo toàn, cần giảm phụ tải đỉnh ban ngày, giảm tổn thất năng lượng, đảm bảo mức dự phòng nguồn hợp lý.
• Yêu cầu cao về nguồn điện gián đoạn.
• Dụng cụ điện điều khiển bằng số có thể thay đổi bản chất của phụ tải điện (cho phép công ty điện tắt thiết bị điện trong nhà bạn nếu họ thấy phù hợp), kết quả là nhu cầu điện không còn tương thích với hệ thống điện vốn được xây dựng để phục vụ “nền kinh tế analog”. Một ví dụ: Chương trình vô truyến được nhiều người ưa thích có thể gây tăng đột ngột phụ tải bởi vì các máy vô tuyến được bật lên gần như cùng lúc. Gia tăng sử dụng những thiết bị như vậy mà không có sự điều phối của lưới điện thông minh, sẽ dẫn đến các vấn đề về độ tin cậy cung cấp điện, giảm chất lượng điện, mất điện, và cắt điện luân phiên.
Mặc dầu các luận điểm này về lưới điện thông minh có xu hướng ngày một trở nên quen thuộc hơn, thế nhưng tầm quan trọng của chúng cũng là vấn đề còn phải bàn. Cụ thể như mặc dầu các phương tiện thông tin đại chúng nói nhiều đến điểm yếu của lưới điện nhưng cho đến nay ở Mỹ cũng như ở châu Âu chưa từng có vụ tấn công dạng tin tặc vào lưới điện. Tuy nhiên, tháng 4/2009, gián điệp đã thâm nhập vào lưới điện, có thể với mục đích một ngày đó sẽ tấn công. Về trường hợp năng lượng tái tạo và tính đa dạng của nó, một công trình mới đây thực hiện ở châu Âu gợi ý rằng lưới điện có thể nhận tới 30% năng lượng tái tạo (ví dụ như gió, mặt trời) mà không cần có bất cứ sự thay đổi nào.
Trong khi đó, các tiến bộ về tự động hóa, truyền dữ liệu, và nguồn điện phân bố bắt đầu tỏ ra phù hợp để hỗ trợ ý tưởng về lưới điện thông minh, có thể đáp ứng nhu cầu của người cung cấp và hộ tiêu thụ trong một rải rộng các tình huống, năng lực lớn hơn trong việc tiên liệu và đáp ứng các điều kiện vận hành thay đổi, và hiệu quả kinh tế cao hơn.
Thuật ngữ lưới điện thông minh có từ bao giờ?
Thuật ngữ lưới điện thông minh được sử dụng ít nhất là từ năm 2005, khi mà bài viết “Tiến tới lưới điện thông minh” của các tác giả S. Masoud Amin và Bruce F. Wollengerg đăng trên tạp chí IEEE P&E số tháng 9/tháng 10. Thuật ngữ này đã được sử dụng trước đó, có thể từ năm 1998. Rất nhiều định nghĩa đã được đưa ra, một số dựa vào góc độ chức năng, một số dựa vào công nghệ hoặc lợi ích. Yếu tố chung cho phần lớn các định nghĩa là ứng dụng xử lý và truyền thông số vào lưới điện, khiến cho việc quản lý dòng dữ liệu và truyền thông trở thành trung tâm của lưới điện thông minh. Sử dụng tích hợp sâu công nghệ số vào lưới điện đem lại nhiều khả năng khác nhau, và việc tích hợp các dòng thông tin mới về lưới điện vào qui trình xử lý và các hệ thống của lưới điện là một trong những vấn đề then chốt trong thiết kế lưới điện thông minh.
Các công ty điện lực hiện đang tiến hành thay đổi theo ba cấp: Cải thiện cơ sở hạ tầng; bổ sung lớp kỹ thuật số, vốn là bản chất của lưới điện thông minh; và thay đổi qui trình kinh doanh cần thiết cho việc đầu tư vào công nghệ thông minh. Hiện đại hóa lưới điện, đặc biệt là tự động hóa trạm biến áp và tự động hóa phân phối điện, giờ đây được đưa vào ý tưởng chung của lưới điện thông minh, tuy nhiên các năng lực bổ sung cũng đang tiến hóa.
Công nghệ lưới điện thông minh khởi đầu khá sớm với các ý tưởng về điều khiển, đo lường và theo dõi bằng điện tử. Trong thập niên 1980, công nghệ đọc tự động chỉ số công tơ (automatic meter reading – AMR) được sử dụng để theo dõi phụ tải các hộ tiêu thụ lớn. Tới thập kỷ 1990, công nghệ này phát triển thành cơ sở hạ tầng đo chỉ số công tơ tiên tiến (advanced metering infrastructure – AMI), theo đó công tơ có thể lưu trữ dữ liệu về tiêu thụ điện năng tại các thời điểm khác nhau trong ngày. Công tơ thông minh có thêm khả năng truyền thông nhờ đó cho phép theo dõi theo thời gian thực, và từ đó mở đường tới các thiết bị nhận thức được nhu cầu và “ổ điện thông minh” trong hộ gia đình. Dạng ban đầu của các công nghệ quản lý phụ tải (demand side management – DSM) là các thiết bị nhận thức nhu cầu động, có khả năng cảm nhận thu động phụ tải lưới điện bằng cách theo dõi các thay đổi về tần số nguồn điện. Các thiết bị như máy điều hòa nhiệt độ, máy lạnh và máy sưởi dùng trong công nghiệp và trong các hộ gia đình tự chúng điều chỉnh chu kỳ làm việc để tránh kích hoạt vào thời điểm lưới điện ở tình trạng phụ tải đỉnh. Dự án Telegestore của Italia khởi đầu năm 2000 là dự án đầu tiên nối mạng một số lượng lớn (27 triệu) hộ gia đình bằng cách sử dụng các công tơ thông minh kết nối với nhau thông qua truyền thông đường dây điện tải ba (power line communication – PLC) băng tần thấp. Các dự án gần đây sử dụng công nghệ PLC băng tần rộng (broadband over power line – BPL) hoặc công nghệ không dây, loại như nối mạng mắt lưới (mesh networking), được đánh giá là có khả năng kết nối tin cậy hơn các thiết bị rời rạc trong hộ gia đình, đồng thời có khả năng hỗ trợ đọc chỉ số công tơ các dịch vụ cung cấp khí đốt và nước.
Theo dõi và đồng bộ hóa các mạng diện rộng được cách mạng hóa vào đầu thập kỷ 1990 với việc Điện lực Bonneville (Mỹ) mở rộng nghiên cứu lưới điện thông minh với các cảm biến nguyên mẫu có khả năng phân tích rất nhanh các bất thường về chất lượng điện trên địa bàn rất rộng. Kết quả của công trình này là Hệ thống đo lường trên diện rộng (Wide Area Measurement System – WAMS) vào năm 2000. Nhiều nước khác đang nhanh chóng tích hợp công nghệ này, cụ thể như Trung Quốc sẽ có hệ WAMS quốc gia vào năm 2015.
Các thành phố đầu tiên có lưới điện thông minh
• Lưới điện thông minh ra đời sớm nhất, và cũng là lớn nhất hiện nay là hệ thống điện của Italia do công ty Enel (Italia) lắp đặt. Hoàn thành năm 2005, dự án Telegestore này rất độc đáo trong thế giới các công ty điện lực bởi vì Enel (Công ty điện lực Italia) đã tự thiết kế và chế tạo các công tơ, tích hợp mạng và phát triển phần mềm hệ thống. Dự án Telegestore được đánh giá rộng rãi là ứng dụng qui mô thương mại đầu tiên của công nghệ lưới điện thông minh tới các hộ gia đình, hằng năm tiết kiệm được tới 500 triệu euro đối với một dự án có giá thành 2,1 tỉ euro.
• Ở Mỹ, từ năm 2003, thành phố Austin (thủ phủ bang Texas) bắt đầu xây dựng lưới điện thông minh với việc thay thế 1/3 số công tơ thường bằng công tơ thông minh truyền thông qua mạng không dây. Năm 2008, lưới điện quản lý 200.000 thiết bị thời gian thực (công tơ thông minh, điều nhiệt thông minh và cảm biến trong phạm vi dịch vụ), và năm 2009 hỗ trợ 500.000 thiết bị thời gian thực, dịch vụ 1 triệu khách hàng và 43.000 doanh nghiệp. Tháng 8/2008, thành phố Boulder (bang Colorado) hoàn thành giai đoạn đầu của dự án lưới điện thông minh. Hai hệ thống này đều sử dụng công tơ thông minh là cổng nối với mạng tự động hóa gia đình (home automation network – HAN) có chức năng kiểm soát các ổ điện và thiết bị thông minh. Một số đơn vị thiết kế HAN đi theo hướng tách rời các chức năng kiêm soát ra khỏi công tơ vì họ lo ngại sau này có thể không phù hợp với các tiêu chuẩn và công nghệ mới trong điều kiện mảng kinh doanh các thiết bị điện tử gia dụng phát triển nhanh hiện nay.
• Công ty Hydro One (tỉnh Ontario, Canađa) đang triển khai sáng kiến Lưới điện Thông minh với qui mô lớn, cơ sở hạ tầng truyền thông phù hợp với tiêu chuẩn do công ty Trilliant thực hiện. Hiện nay hệ thống phục vụ 1,4 triệu khách hàng trong tỉnh Ontario. Sáng kiến này được Utility Planning Network tặng giải thưởng “Sáng kiến AMR hay nhất Bắc Mỹ”.
• Thành phố Mannheim (Đức) hiện sử dụng truyền thông đường dây điện tải ba băng tần rộng (BPL) trong dự án mẫu “MoMa” của thành phố.
• InovGrid là dự án mang tính cách tân được triển khai tại thành phố Evora (Bồ Đào Nha). Mục tiêu của dự án là trang bị phương tiện và cung cấp cho lưới điện các thông tin nhằm tự động hóa quản lý lưới điện, nâng cao chất lượng dịch vụ, giảm chi phí vận hành, thúc đẩy hiệu quả năng lượng và môi trường bền vững, tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo và xe chạy điện. Từ đó sẽ có khả năng điều khiển và quản lý tình trạng toàn bộ lưới điện phân phối vào thời điểm bất kỳ, cho phép các nhà cung cấp và các công ty dịch vụ năng lượng sử dụng cơ sở hạ tầng công nghệ này để cung cấp cho các hộ tiêu thụ các thông tin và các sản phẩm và dịch vụ năng lượng giá trị gia tăng. Với việc triển khai dự án lắp đặt lưới điện thông minh này, Bồ Đào Nha và Công ty Điện lực Bồ Đào Nhà được đánh giá ở vị trí cao trong cải tiến công nghệ và cung cấp dịch vụ ở châu Âu.
Mục tiêu của lưới điện thông minh
Đáp ứng với nhiều điều kiện về cung và cầu
Dòng dữ liệu tiềm ẩn là mối quan ngại lớn. Một số kiến trúc công tơ thông minh thời kỳ ban đầu còn chấp nhận dữ liệu nhận được dữ liệu chậm tới 24 giờ, nhờ đó ngăn ngừa những phản ứng có thể xảy ra của các thiết bị phía cung cũng như phía cầu.
Nhu cầu năng lượng thông minh
Nhu cầu năng lượng thông minh mô tả thành phần người sử dụng năng lượng của lưới điện thông minh. Ý nghĩa của nó không đơn thuần chỉ là sự kết hợp giữa hiệu quả năng lượng và đáp ứng nhu cầu. Nhu cầu năng lượng thông minh là cái đem lại lợi ích cho đa số công tơ thông minh và lưới điện thông minh.
Nhu cầu năng lượng thông minh là khái niệm rộng. Nó bao gồm mọi hoạt động của người sử dụng năng lượng nhằm:
• Nâng cao độ tin cậy.
• Giảm nhu cầu phụ tải đỉnh.
• Chuyển sử dụng điện ra ngoài giờ cao điểm.
• Giảm tiêu thụ năng lượng tổng.
• Quản lý tích cực việc nạp điện xe chạy điện.
• Quản lý tích cực các ứng dụng khác nhằm phản ứng với các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió, v.v.
• Mua các đồ dùng và thiết bị hiệu quả cao hơn theo thời gian nhờ hiểu rõ hơn về cách thức năng lượng được sử dụng trong mỗi đồ dùng hoặc thiết bị.
Tất cả các hành động này giảm thiểu tác động bất lợi lên lưới điện và người sử dụng tiết kiệm được tối đa.
Các cơ chế và chiến thuật của nhu cầu năng lượng thông minh
• Công tơ thông minh.
• Tính giá động.
• Bộ điều nhiệt thông minh và đồ dùng điện thông minh.
• Điều khiển tự động hóa thiết bị.
• Phản hồi thông tin năng lượng theo thời gian thực và ngày hôm sau cho người sử dụng điện.
• Sử dụng theo dữ liệu của đồ dùng điện, và
• Lập lịch biểu và kiểm soát các phụ tải như máy nạp điện cho xe chạy điện, mạng hộ gia đình (home area network – HAN), v.v.
Megabit cung cấp, kiểm soát điện bằng kilobit, bán phần còn lại
Lượng dữ liệu cần thiết để theo dõi và đóng cắt tự động đồ dùng điện nhà là rất nhỏ so với lượng dữ liệu để hỗ trợ tiếng nói, an ninh, các dịch vụ Internet và TV. Nhiều trường hợp, việc nâng cấp băng tần rộng lưới điện thông minh được chi trả bằng cách cung cấp thừa để hỗ trợ thêm cả các dịch vụ của hộ tiêu thụ, và trợ cấp cho truyền thông các dịch vụ liên quan đến năng lượng hoặc trợ cấp các dịch vụ liên quan đến năng lượng. Điều này đặc biệt đúng đối với trường hợp chính phủ đảm nhiệm cả hai dạng dịch vụ ở dạng độc quyền công, ví dụ như ở Ấn Độ. Mặc dầu các tiêu chuẩn điều khiển điện xoay chiều gợi ý nối mạng đường dây điện tải ba là phương tiện truyền thông hàng đầu giữa các thiết bị lưới điện thông minh và các hộ gia đình nhưng việc nối mạng ban đầu có thể không phải qua BPL mà qua con đường không dây. Đây có thể chỉ là giải pháp tạm thời, tuy nhiên, việc tách rời các kết nối điện và dữ liệu khiến cho không thể khống chế được đầy đủ.
(Theo KHCNĐ)
