Những thách thức về hiện đại hóa lưới điện: Tầm quan trọng của việc triển điện toán biên để quản lý chủ động
08/05/2021
Hệ thống lưới điện tại Bắc Mỹ là tối quan trọng đối với cơ sở hạ tầng kinh tế và đó là một trong những cơ sở hạ tầng điện phân tán lớn nhất trên thế giới. Nhưng nói một cách đơn giản thì nó đã khá cũ với một thế giới đang thay đổi, các hệ thống ngày càng trở nên phân tán và phức tạp hơn. Con đường để xử lý vấn đề là gì? Làm thế nào để chúng ta hiện đại hóa cơ sở hạ tầng khổng lồ này?
Tính cấp thiết của những sự thay đổi
Thế giới của năng lượng điện đã thay đổi đáng kể trong vài thập kỷ qua, và sự thay đổi này còn vượt xa quá trình hiện đại hóa lưới điện vốn được thiết kế cách đây hơn 100 năm. Điều này đang gây ra một cảm giác lo ngại và cấp bách ngày càng tăng xung quanh việc hiện đại hóa cơ sở hạ tầng lưới điện ở Bắc Mỹ.
Theo ông Prithpal Khajuria, người quản lý phân khúc toàn cầu về cơ sở hạ tầng thông minh của Intel, hệ thống lưới điện đã trở nên hai chiều hơn – và các hệ thống ban đầu không được thiết kế để xử lý việc này. Lưới điện được thiết kế để mang dòng điện đến với người tiêu dùng. Các nhà máy điện lớn được xây dựng và đặt ở các vị trí phân tán bên ngoài các thành phố lớn với mục đích cung cấp năng lượng cho người tiêu dùng.
Việc sử dụng hệ thống lưới điện của chúng ta hiện đã thay đổi, trở nên phân tán hơn và phức tạp hơn. Điều đó buộc ngành công nghiệp này phải xem xét lại các mối quan hệ trong lưới điện. Ông Khajuria giải thích rằng trong quá khứ, chúng ta có thể phân chia rõ ràng ai là nhà sản xuất và ai là người tiêu dùng. Với một thế giới đang thay đổi, những đường phân chia này đã bị mờ. Trong một số trường hợp, người tiêu dùng cũng có thể là người sản xuất, điều này làm thay đổi vai trò truyền thống của người sản xuất và người tiêu dùng. Làm phức tạp thêm chức năng của lưới điện là sự phát triển của các nguồn năng lượng Xanh, thường mang tính chất thoáng qua so với sản lượng ổn định, có kiểm soát của các nhà máy phát điện truyền thống.
Việc tiêu thụ điện cũng đang tăng lên. Ông Khajuria cho biết mức tiêu thụ điện của chúng ta dự kiến sẽ tăng gấp bốn lần trong thập kỷ tới khi nhiều hệ thống cơ sở hạ tầng mới sử dụng điện được triển khai, chẳng hạn như cơ sở hạ tầng di động, cơ sở hạ tầng hệ thống giao thông, v.v. Thị trường thương mại cũng ngày càng hướng tới số hóa nhiều hơn.
Ông Khajuria nói: “Điều đó sẽ thúc đẩy nhu cầu về việc cần có nhiều trung tâm dữ liệu hơn”. Ông Mike Fahrion, CTO của nhóm IIoT Solutions tại Advantech, cho biết thêm rằng các dự báo hiện tại dự báo mức tiêu thụ điện từ trung tâm dữ liệu tăng từ 3% đến 10% vào năm 2030 - mức tăng sẽ có tác động lớn đến lưới điện hiện tại của chúng ta.
Khi nhu cầu tiếp tục tăng lên và việc phát điện liên tục để được phân phối nhiều hơn, cần phải có những nỗ lực hướng tới một hệ thống tạo ra và cung cấp điện đó một cách bền vững. Hệ thống lưới điện đang hướng tới kiến trúc “hệ thống của các hệ thống”, và nó sẽ chỉ thành công và thông minh ở điểm yếu nhất của nó.
Con đường phía trước
Để phát triển và giải quyết những thách thức của bối cảnh lưới điện đang thay đổi, chúng ta có hai lựa chọn. Luôn có khả năng là xây dựng thêm cơ sở hạ tầng, nhưng điều này có thể rất tốn kém và sẽ mất rất nhiều thời gian. Lựa chọn thứ hai - và tối ưu nhất - là dựa vào các công nghệ mới, chẳng hạn như công nghệ Internet of Things (IoT) và công nghệ điện toán biên.
Để cân bằng và giảm thiểu những thách thức từ những thay đổi trong lưới điện, điều tối quan trọng là các công ty phải bắt đầu hiện đại hóa cơ sở hạ tầng và bắt đầu tham gia vào việc quản lý lưới điện chủ động với các quyết định tự chủ, dựa trên dữ liệu. Điều này đồng nghĩa với việc bổ sung hệ thống máy tính biên thông minh vào các trạm biến áp và xây dựng cơ sở hạ tầng hiện đại ở biên.
Ông Khajuria cho biết thêm, thêm hệ thống điện toán biên thông minh vào lưới điện có nghĩa là nó sẽ biến thành một “lưới các lưới vi mô trên một hệ thống” thông minh hơn bao giờ hết. Hệ thống thông minh được tích hợp sẵn này sẽ cho phép chúng ta có cái nhìn sâu sắc hơn về hoạt động hàng ngày và những gì sắp xảy ra - học cách điều chỉnh việc cung cấp năng lượng thực tế cho nhu cầu của thế giới chúng ta. Số hóa lưới điện và triển khai máy tính biên thông minh vào các trạm biến áp là một hướng đi xanh hơn, bền vững hơn.
Trở ngại đầu tiên trong việc hoàn thành nhiệm vụ này là sự phối hợp của tất cả những người chơi chính, những người phải làm việc một cách đồng bộ. Có hơn 3.000 công ty trong lĩnh vực điện tạo nên cơ sở hạ tầng lưới điện đầy đủ của Hoa Kỳ. Cơ sở hạ tầng đồ sộ, phức tạp này đảm nhiệm ba chức năng chính tương ứng: phát điện; truyền tải điện; và phân phối điện.
Để làm cho quá trình này dễ dàng hơn, ông Khajuria nói rằng để giúp ngành công nghiệp tiến lên, chúng ta nên xem xét những công nghệ IoT đang hoạt động, chẳng hạn như công nghệ ảo hóa cơ sở hạ tầng trạm biến áp vào phần cứng kiến trúc mở. Xem xét cơ sở hạ tầng của một trạm biến áp, có thể có 10 hộp làm 10 việc khác nhau - mỗi hộp trong một silo. Hiện tại, dữ liệu được phân phối từ các hộp này không được kết hợp hoặc xử lý cùng nhau tại trung tâm điều khiển.
Việc ảo hóa các chức năng này thành phần mềm chạy trên phần cứng kiến trúc mở, được chia sẻ làm tăng thêm tính linh hoạt và khắc phục các hạn chế của silo dữ liệu. Giờ đây, tất cả các ứng dụng đều nằm trên một cơ sở hạ tầng trong một môi trường ảo hóa. Tất cả dữ liệu có thể được chia sẻ dễ dàng giữa các ứng dụng và hệ thống. Điều này mang tới bốn lợi ích chính cho các công ty kinh doanh trong lĩnh vực điện:
- Giảm chi phí vốn do lượng phần cứng cần thiết được giảm bớt
- Khả năng quản lý các ứng dụng giúp giảm chi phí bảo trì tại hiện trường
- Bảo mật hệ thống
- Dễ dàng hoạt động trên diện rộng
Theo ông Khajuria, các công ty đã triển khai giải pháp ảo hóa tiên tiến cho thấy họ có thể tiết kiệm tới 70%* chi phí vận hành và bảo trì.
*Salt River Project, Microprocessors vs. VPR tests, SRP Labs, Chandler AZ, Fall 2019. Đây là ước tính sơ bộ và phụ thuộc vào các tiêu chuẩn hiện có / cấu hình cụ thể cho từng địa điểm. Bạn nên tham khảo các nguồn khác để đánh giá chính xác. Chi phí và kết quả của bạn có thể khác nhau.
Một số lượng lớn các thiết bị quan trọng và không quan trọng được sử dụng trong mạng lưới hiện đại đã được trang bị để tận dụng các lợi ích của ảo hóa. Các trường hợp sử dụng đã được chứng minh bao gồm: khả năng truy cập từ xa giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì, quản lý nhóm các tài sản đã triển khai để cài đặt nhanh các bản vá và nâng cấp phần mềm, v.v.
Trong lưới ảo hóa, hầu hết các nội dung được kiểm soát bởi phần mềm cụ thể nằm bên trong phần tử ảo hóa được gọi là “vùng chứa” hoặc máy ảo. Những nội dung này cung cấp dữ liệu ngược dòng vào một nền tảng điện toán biên chạy một số lượng lớn hơn các vùng chứa. Sau đó, chúng tiếp tục cung cấp nguồn cấp dữ liệu ngược dòng lên các máy chủ biên phi tập trung, công nghệ truy cập dữ liệu lưu trữ được chia sẻ để cung cấp quyền kiểm soát toàn bộ lưới điện. Lược đồ này yêu cầu ba yếu tố chính: mạng, lớp vật lý (phần cứng được ảo hóa) và kiến trúc phần mềm.
Sử dụng hệ thống quản lý phân phối nâng cao (AMDS) tại biên
Sau khi cơ sở hạ tầng ảo hóa được xây dựng và tất cả dữ liệu đều có thể truy cập được, bước tiếp theo là bắt đầu sử dụng dữ liệu đó để trích xuất thông tin một cách thông minh, chẳng hạn như nguyên nhân gây ra lỗi, bảo trì dự đoán, sự bất thường của mạng và hơn thế nữa. Hệ thống máy tính biên thông minh trong trạm biến áp cho phép triển khai Hệ thống quản lý phân phối nâng cao (ADMS). Trạm biến áp giờ đây có thể thu thập dữ liệu, hoàn thành phân tách phụ tải, có quyền truy cập vào thông tin bổ sung cần thiết và có thể bắt đầu lập hồ sơ từng bộ trung chuyển và phân tích trạng thái hiện tại của nó.
Khi tất cả thông tin và hành vi được thu thập và lưu trữ, một kế hoạch có thể được xây dựng dựa trên các phân tích nâng cao. Đây là khi lưới điện trở thành một “hệ thống của các hệ thống”, nơi mỗi trạm biến áp trở nên thông minh và cuối cùng, tự quản lý và cung cấp thông tin cần thiết cho trung tâm điều khiển.
Ví dụ, nhìn vào dự báo và hồ sơ của trạm biến áp, người ta có thể thấy lượng năng lượng cục bộ đang được tiêu thụ và lượng năng lượng được tạo ra từ năng lượng tái tạo từ bất kỳ thời điểm nào. Vì lợi ích của ví dụ này, giả sử từ 9 giờ sáng đến 2 giờ chiều, 80% năng lượng tiêu thụ của người tiêu dùng được tạo ra từ năng lượng tái tạo cục bộ. Nếu đúng như vậy, chỉ cần một lượng nhỏ năng lượng từ các công ty điện. Trong ví dụ này, sau 3 giờ chiều thì việc sản xuất năng lượng cục bộ sẽ giảm xuống 20%. Nếu đúng như vậy thì lúc này bạn sẽ cần 80% nguồn điện từ phía điện lưới. Trung tâm điều khiển sẽ biết trước rằng sau 2 giờ chiều, các trạm biến áp sẽ cần chuẩn bị để bắt đầu việc cung cấp năng lượng. Nói cách khác, dựa trên các thông tin phân tích, các nhà quản lý có thể quản lý hệ thống lưới điện một cách chủ động hơn.
Với nguồn dữ liệu mà chúng ta thu được, chúng ta có thể sử dụng các công nghệ phân tích hiện đại để hiểu rõ hơn cách thức hoạt động của các hệ thống nhằm thực hiện các hành động để tối ưu hóa quá trình vận hành, giảm thiểu những sự cố không mong muốn.
/UNOP-1000K_B20151214172654.png)
-25/Project_02--_Vertical20220406173334.jpg)
/ECU-1152_03_B20160517142423.png)
/ECU-P1761_03_B20160908163636.png)
