1. Sự cần thiết phải xây dựng Smart Grid

1.1 Sự xuất hiện của nhu cầu

Có những sự thay đổi đang đến trong tương lai đối với ngành công nghiệp điện. Đó là cách thức mà Năng lượng điện được sản xuất, phân phối và sử dụng. Hiệu ứng nóng lên của trái đất, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch, sự bùng nổ tăng trưởng của các nước đang phát triển,

lượng dân số cùng với tầng lớp trung lưu trong xã hội đã dẫn thế giới đến việc phải phát minh ra những phương cách mới trong việc cung cấp và sử dụng năng lượng. Đây là một sự thay đổi cần thiết đối với một ngành công nghiệp mà chúng ta chưa từng thấy trong 120 năm phát triển của nó.

Hiện nay 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 qui định trong lĩnh vực này, cho nên họ 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. Không thể phủ nhận được ngành điện đã là nhân tố quyết định cho sự phát triển vượt bậc của xã hội loài người trong thế kỷ 20 và chắc chắn là cả trong các thế kỷ tiếp theo. Ngành điện, phát triển dựa trên nguyên tắc thỏa mãn tối đa nhu cầu. Tuy nhiên, các công ty điện lực đang vận hành không tạo ra được các phương thức khuyến khích đủ mạnh đối với người sử dụng, cơ quan điều tiết của Chính phủ và ngay cả chính các công ty này, để tiến hành những bước đi khó khăn ban đầu cho việc phát triển và vận hành một hệ thống điện đạt hiệu suất cao từ sản xuất, phân phối đến khâu sử dụng.

Tuy nhiên, trong khoảng 5 năm vừa qua đã xuất hiện nhiều nhân tố có giá trị thúc đẩy sự thay đổi cách thức nhà cung cấp và người sử dụng vận hành hệ thống điện. Các nhân tố này bao gồm:

Qui định và Luật:

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 được việc đốt các dạng năng lượng hóa thạch đang được xem xét trên phạm vi toàn cầu. Ví dụ ở Mỹ, Luật xây dựng Hệ thống điện thông minh với việc thành lập Ủy ban Liên bang về hiện đại hóa hệ thống điện đã yêu cầu các công ty điện lực xem xét các cơ chế khuyến khích xây dựng Smart Grid, sử dụng hiệu quả năng lượng và sự tham gia của phía có nhu cầu (demand response-DR); Luật này đã tạo ra sự tập trung của cả nước Mỹ vào việc phát triển Smart Grid. Trong gói kích cầu của Chính phủ Mỹ năm 2009 cũng đã có đến 4 tỷ USD cộng thêm với 4,5 tỷ USD của Bộ Năng lượng Mỹ được dành để tài trợ cho các dự án Smart Grid trong tài khóa 2009-2010. Hiện nay, các nước trong khu vực như Thái Lan, Singapore, Hàn Quốc…cũng đã thành lập Ủy ban Quốc gia để điều hành chương trình phát triển Smart Grid.

Sự biến đổi khí hậu của Thế giới:

Trong xã hội, 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 nghiệm trong 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. Nhiệt độ của Trái đất cũng được tự nhiên cân bằng theo những qui luật riêng của nó, tương tự như nhiệt độ cơ thể của con người là khoảng 370C, nếu chỉ tăng lên khoảng 0,3-0,50C có nghĩa là cơ thể chúng ta đang có bệnh. Theo dự báo cho đến cuối thế kỷ, nhiệt độ trung bình của trái đất có thể tăng lên đến 60C mà chưa tính đến vòng phản hồi dương của sự phát thải CO2 khi trái đất nóng lên. Loài người cần phải có hành động ngay lập tức để giảm ảnh hưởng của việc sử dụng năng lượng hóa thạch đến khí hậu Trái đất, để đến cuối thế kỷ không phải là 60C mà chỉ là 2-30C mặc dù chúng ta cũng không biết trước được là Trái đất có chịu nổi sự nóng lên với nhiệt độ này hay không. Một bộ phim của Mỹ rất ăn khách với tựa đề “2012” đã cho mọi người một hình dung về ảnh hưởng của sự biến đổi khí hậu với hình ảnh ngọn sóng thần đánh lên tới đỉnh Himalaya. Rõ ràng là trong lịch sử, ông Noah muốn cứu loài người thì không thể chỉ khởi công đóng thuyền Oak khi trời bắt đầu mưa.

Nhu cầu của khách hàng:

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 Smart Grid.

Cơ sở hạ tầng ngày càng già cỗi và khó khăn về vốn:

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.

Vấn đề về chất lượng điện năng và tổn thất phi kỹ thuật:

Các giải pháp đảm bảo chất lượng điện năng đã được xác định và dựa trên dữ liệu thu nhận được từ hệ thống thì các công ty điện lực có thể đưa ra các giải pháp hợp lý hơn cho các nguồn phát sóng hài và các nguồn gây ra vấn đề về chất lượng điện năng trên bình diện là các giải pháp công nghiệp. Với các nước đang phát triển thì giảm được tổn thất phi kỹ thuật trong vận hành hệ thống điện cũng là các mối quan tâm hàng đầu, 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

+ Chu kỳ thu tiền điện kéo dài

Với khả năng kết nối trực tiếp với thiết bị và trao đổi dữ liệu với các hệ thống quản lý sẽ đảm bảo cho các công ty điện lực đạt được mục tiêu giảm tổn thất này với ước tính lên đến 30-40% tổng tổn thất trong kinh doanh của ngành điện.

1.2  Tại sao chúng ta cần Smart Grid

Đối với hệ thống điện Việt Nam hiện nay thì vấn đề nào đứng đằng sau sự cần thiết phải xây dựng Smart Grid:

* Yêu cầu về cung cấp và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả. Rõ ràng đất nước chúng ta đang trên con đường phát triển không thể không cần đến các nhà máy điện hiện có cũng như vẫn phải xây dựng thêm các nhà máy điện mới nhưng với phần công suất và điện năng tiết kiệm được do việc xây dựng Smart Grid sẽ được coi như một loại nguồn điện bổ sung trong cân bằng công suất và điện năng. Theo thống kê của Mỹ, vào thời điểm hiện nay trên thế giới, chi phí để tiết kiệm được 1kWh sẽ khoảng 1,7cent. Trong khi chi phí để sản xuất và phân phối 1kWh sẽ là 7cent. Các lĩnh vực mà Smart Grid có thể cho chúng ta biện pháp để tác động trước mắt bao gồm:

* Nâng cao hiệu suất hoạt động của các nhà máy điện

* Tối ưu hóa nhằm giảm tổn thất kỹ thuật trong vận hành hệ thống điện

* Giảm hệ số đàn hồi giữa tốc độ tăng nhu cầu sử dụng điện trên tốc độ tăng GDP từ 2 lần như hiện nay xuống còn 1,1 đến 1,5 lần như các nước trong khu vực

* Giảm lượng năng lượng sử dụng trung bình trên giá trị 1 đồng GDP

* Giảm tổn thất phi kỹ thuật

* Tạo ra văn hóa tiết kiệm và bảo tồn năng lượng trong xã hội

* Tạo điều kiện phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và các loại nguồn điện nhỏ phân tán để giảm phát thải CO2.

Để có thể đạt được các mục tiêu ở trên chúng ta phải xây dựng một hệ thống điện với phương thức vận hành và kinh doanh nó có khả năng cho phép chỉ ra những nhà máy phải nâng cao hiệu suất, các loại nguồn điện mới sẽ được khuyến khích phát triển như năng lượng mặt trời, gió, sinh khối ở những địa điểm thích hợp. Và hệ thống mới này sẽ thúc đẩy sự thay đổi cách thức sử dụng điện với sự thay đổi đầu tiên là cải thiện đồ thị phụ tải và khuyến khích cao độ cho sự phát triển các ngành công nghiệp và sử dụng thiết bị tiết kiệm điện. Hệ thống mà chúng ta nói đến ở dây chính là Smart Grid.

Các khuyến nghị cơ bản:

Để nhanh chóng phát triển Smart Grid vì lợi ích của cả đơn vị cung cấp điện và khách hàng sử dụng điện, cũng như tạo ra các bước thay đổi trong văn hóa tiết kiệm và bảo tồn năng lượng vì một môi trường xanh hơn, chúng ta cần các chính sách và cơ chế rõ ràng của Nhà nước ngay lập tức và có tính chất dài hạn. Các khuyến nghị chính bao gồm:

* Bộ Công Thương cần nghiên cứu ban hành các qui định, văn bản pháp luật và các cơ chế cần thiết để thúc đẩy sự phát triển Smart Grid với những ưu đãi đủ để khuyến khích cũng như những yêu cầu rõ ràng đối với các cơ quan liên quan cùng các công ty điện lực và khách hàng sử dụng điện trong việc đầu tư vào Smart Grid.

* Đề ra mục tiêu cụ thể đối với từng nhà máy, từng công ty truyền tải và phân phối các chỉ tiêu nâng cao hiệu quả sản xuất và phân phối năng lượng.

* Đặt ra yêu cầu triển khai ngay các thành phần cần thiết của của Smart Grid từ các hệ thống SCADA/EMS/DMS.  Phân tích hiệu suất hoạt động nhà máy điện, hạ tầng quản lý đo đếm điện năng, phân tích hiệu quả và kiểm toán sử dụng năng lượng, hệ thống thông tin khách hàng sử dụng điện,...

* Ngành điện cần có hệ thống cung cấp thông tin theo thời gian (5 phút, 15 phút, 30 phút  hoặc 1 giờ) về chi phí sản xuất và phân phối điện cho khách hàng sử dụng điện và các đơn vị liên quan.

* Khách hàng hoặc người đại diện của họ cần được truy cập vào dữ liệu theo thời gian (5 phút, 15 phút hoặc 30 phút) về việc sử dụng điện của mình và tạo ra được khả năng trao đổi thông tin hai chiều giữa công ty điện lực và khách hàng. Trước mắt chúng ta có thể triển khai ở các hộ công nghiệp và thương mại lớn.

* Bộ Công Thương và Cục điều tiết Điện lực Việt Nam (ERAV) cần tiếp tục hoàn thiện các qui định cụ thể về qui hoạch, phát triển và vận hành hệ thống điện một cách tin cậy và hiệu quả.

* Nghiên cứu thành lập Nhóm công tác để dẫn đến thành lập một Ủy ban điều phối việc triển khai Smart Grid ở Việt Nam. Nhiệm vụ điều phối của Nhóm công tác hay Ủy ban sẽ gồm các vấn đề liên quan đến kỹ thuật, công nghệ và cả việc phối hợp hành động giữa các bên liên quan vì lợi ích chung, bao gồm cả công tác tìm kiếm và phân phối các nguồn tài trợ từ các quĩ hỗ trợ năng lượng sạch và chống biến đổi khí hậu cũng như các nguồn vốn ODA.

Cho đến hiện nay, chưa một ai hoặc một tổ chức nào khẳng định chắc chắn về các công nghệ sẽ được sử dụng trong Smart Grid của tương lai, tuy nhiên chúng ta có thể chỉ ra được các đặc tính chính của Smart Grid sẽ bao gồm:

2. Thiết kế cơ bản của Smart Grid
Hình dưới đây khái quát về giải pháp Smart Grid do ATS đề xuất.3. Giải pháp và sản phẩm của ATS
Trần Anh Thái: Email:  This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it  (Công ty ATS http://www.ats.com.vn)

* 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

* Trợ giúp sự phát triển các nguồn điện phân tán (phát điện, dự trữ năng lượng, cắt giảm nhu cầu…)

* Trợ giúp sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo

* Cung cấp khả năng nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện

* Tối ưu hóa vận hành HTĐ để giảm chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối kể cả giảm chi phí đầu tư mới và nâng cấp hệ thống điện

* Công cụ cơ bản của vận hành Thị trường điện rộng rãi

Để tạo được sự tiến bộ trong việc giải quyết được những thách thức của hệ thống hiện tại cũng như những đặc tính chính của Smart Grid trong tương lai, các công ty điện lực cần tập trung vào bốn lĩnh vực sau:

Thu thập dữ liệu: Dữ liệu cần được thu thập từ rất nhiều nguồn khác nhau của hệ thống điện (hệ thống bảo vệ, điều khiển, công tơ điện, các bộ I/O..), các bộ thu thập dữ liệu tiêu thụ điện của thiết bị tại các nhà máy và thậm chí tại nhà ở của khách hàng và các nguồn thông tin “không điện” như thời tiết,… Khả năng thu thập dữ liệu được dựa trên sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ thông tin và viễn thông trong thế kỷ 21.

Phân tích và Dự báo: Dữ liệu thu thập từ nhiều nguồn khác nhau ở trên, theo tính toán với một hệ thống có 2 triệu khách hành sử dụng điện thì lượng dữ liệu sẽ khoảng 22GB/ngày, cần được phân tích cho các mục tiêu vận hành và kinh doanh. Cho mục đích vận hành hệ thống điện các phân tích sẽ được dựa trên số liệu thời gian thực và cận thời gian thực. Còn đối với mục đích kinh doanh thì sẽ sử dụng số liệu quá khứ. Các số liệu thời gian thực và quá khứ cũng được sử dụng cho công tác dự báo từ dài cho đến trung hạn phục vụ công tác lập qui hoạch, kế hoạch phát triển và phương thức vận hành.

Giám sát/Quản lý/Điều khiển: Dữ liệu được thu thập và xử lý thành thông tin phục vụ công tác vận hành, điều khiển hệ thống điện cũng như được lưu trữ cho các mục đích khác nhau theo yêu cầu của các qui định trong quản lý và điều tiết hoạt động điện lực. Trong lĩnh vực kinh doanh, các thông tin này được sử dụng để xác định mức sử dụng và tính toán chi phí thanh toán giữa các bên tham gia Thị trường điện và khách hàng.

Phát triển hệ thống cho phép trao đổi thông tin và điện năng hai chiều giữa nhà cung cấp và khách hàng sử dụng điện: Cả ba bước trên sẽ chỉ có khả năng ảnh hưởng tối thiểu lên khách hàng nếu họ không được tiếp cận và có các thiết bị để cùng tham gia vào hoạt động điện lực từ phía tiêu thụ điện. Thực ra đây là lĩnh vực tốn kém nhất trong Smart Grid và theo tính toán thì Thế giới sẽ mất khoảng 20 năm để hoàn thành phần này với việc trang bị các Smart Meter và thiết bị cho phép tương tác hai chiều đối với bất kỳ khách hàng nào.

Một số các thành phần của Smart Grid đã được lắp đặt trong hệ thống điện, tuy nhiên chúng ta còn phải nỗ lực hết sức để có thể biến một hệ thống điện truyền thống hiện nay thành một hệ thống điện thông minh (Smart Grid) thực sự. Bởi vì nó không đơn thuần chỉ bao gồm các hệ thống phần cứng và phần mềm.

Hình dưới đây mô tả thiết kế cơ bản của một hệ thống Smart Grid.

Các sản phẩm hiện nay của ATS đã có kinh nghiệm cung cấp bao gồm:

* Hệ thống tích hợp điều khiển bảo vệ trạm biến áp @Station theo tiêu chuẩn IEC61850

* Hệ thống @SCADA+ tương thích với CIM/IEC61968/IEC61970

* Hệ thống thu thập, quản lý dữ liệu đo đếm và thông tin khách hàng @IMIS tương thích với nhiều loại công tơ khác nhau.

* Hệ thống quản trị Dữ liệu quá khứ trên nền tảng PI (OSI-USA)

* Hệ thống quản lý và thu thập dữ liệu trên các nền tảng mạng thông tin khác nhau

* Hệ thống ứng dụng trên nền Web cho phép người sử dụng có thể ghép nối với các nhà cung cấp thứ 3.

Các sản phẩm nêu trên đã được trình bày trong các số Tháng 4, 6, 9 và 11 của tạp chí Tự động hóa ngày nay.