Điện lưới thông minh

Đặc tính

Các nhà máy điện đều sử dụng nguồn năng lượng lấy từ Trái Đất, một số nguồn năng lượng có thể dần cạn kiệt. Hơn nữa, với sự bùng nổ và phát triển của xã hội ngày nay, nhu cầu về điện năng đang tăng tốc chóng mặt trên mọi ngành nghề. Điều này, đòi hỏi chúng ta phải nhanh chóng có những giải pháp cải thiện hệ thống điện truyền thống ngày nay nhằm tiết kiệm điện và sử dụng dòng điện một cách chất lượng. Vì vậy, việc tạo ra hệ thống điện thông minh đảm nhận các chức năng trên là rất cần thiết. Điều này có lợi cho cả hộ tiêu thụ lẫn nhà sản xuất và phân phối điện năng vì chi phí để tiết kiệm được 1Kwh rẻ hơn chi phí để sản xuất ra 1Kwh.
Để đáp ứng các đòi hỏi, hệ thống điện thông minh cần có các đặc tính sau: sản phẩm của lumi cung cấp các giải pháp đặc biệt cho việc sử dụng thiết bị điện phù hợp
- 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.
Nhưng một hệ thống điện chỉ thông minh như vậy thôi là chưa đủ. Phải đảm bảo rằng hệ thống này không gây nguy hai tới môi trường. yếu tố này sẽ góp phần đánh giá đưa hệ thống vào sử dụng thực tiễn.
Không gây nguy hại cho môi trường là hệ thống này không được phép tác động xấu tới môi trường hoặc chỉ được tác động đến môi trường ở một giới hạn nào đó cho phép. Để có được điều này, ở khâu sản xuất của hệ thống điện nên sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sạch có thể tái sinh. Nếu sử dụng các nguồn năng lượng khác có thể gây hại cho môi trường thì cần có phương án điều hòa chất thải để giảm bớt tác động xấu tới môi trường.

Vai trò:

Ngày nay, ngành công nghiệp điện đang có sự thay đổi, từ sản xuất, phân phối, đến sử dụng điện. 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 và lượng dân số… đã dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương cách mới trong việc cung cấp và sử dụng năng lượng. 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. 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. 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:

1. 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 nghiêm 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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 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.

Sự thân thiện môi trường:

Lưới điện thông minh là mạng lưới xanh. (Green Grid) Một hệ thống điện thông minh trước hết phải là một hệ thống không gây nguy hại tới môi trường. Không gây nguy hại cho môi trường là hệ thống này không được phép tác động xấu tới môi trường hoặc chỉ được tác động đến môi trường ở một giới hạn nào đó cho phép. Để có được điều này, ở khâu sản xuất của hệ thống điện nên sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sạch có thể tái sinh. Nếu sử dụng các nguồn năng lượng khác có thể gây hại cho môi trường thì cần có phương án điều hòa chất thải để giảm bớt tác động xấu tới môi trường. Ô nhiễm môi trường làm biến đổi khí hậu. The Green Grid Smart Initiative (GSGI) đã được đưa ra để chứng minh rằng các mạng lưới thông minh thực sự có thể là một chính sách tích cực trong việc giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu. Trong số các vấn đề đó sẽ tìm cách xây dựng một sự hiểu biết là:

1. Smart Grid và năng lượng tái tạo

Tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo là một thành phần quan trọng của chiến lược và kế hoạch để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu. Năng lượng tái tạo sẽ góp phần làm giảm sức ép về sự phụ thuộc quá mức vào năng lượng hạt nhân luôn là mối nguy hiểm đối với môi trường và năng lượng hóa thạch gây đang tạo ra mức khí thải quá mức cho phép như hiện nay. Bằng cách sử dụng công nghệ lưới thông minh, năng lượng tái tạo sẽ được đưa vào hệ thống điện quốc gia làm giảm sức ép về năng lượng. Tổ chức hay tư nhân tạo ra lượng lớn năng lượng tái tạo sẽ bán năng lượng để hòa vào lưới điện quốc gia, khi mà nhiều nguồn cung cấp hơn thì giá thành sẽ giảm đi do cạnh tranh.
Mạng lưới điện truyền thống biến thành mạng lưới điện thông minh. Trước tiên, máy phát điện bằng sức gió, sóng thủy triều, và ánh sáng được lắp đặt vào mạng lưới điện truyền thống. Mạng lưới điện thông minh kết hợp chặt chẽ với các cơ sở mạng lưới điện truyền thống và công nghệ thông tin để ngăn ngừa sự cố và nâng cao hiệu quả hoạt động, cũng như tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng bằng cách trao đổi thông tin với người tiêu dùng. Khi mạng lưới thông minh kết hợp điện năng, truyền thông, và công nghệ thông tin được kích hoạt, toàn bộ nơi tiêu thụ sẽ được cung cấp bởi năng lượng xanh.

2. Smart Grid và hiệu quả năng lượng

Smart Grid trong sử dụng năng lượng hiệu quả triệt để. Các mạng lưới thông minh cho phép các hoạt động của toàn bộ hệ thống điện được tự động tối ưu hóa mọi lúc. Ngoài ra, và quan trọng, các mạng lưới thông minh sẽ không dừng lại ở đồng hồ của khách hàng. Nó sẽ cung cấp cho khách hàng với giá mới và các tùy chọn thanh toán và không bao giờ sai lệch thông tin. Và khách hàng chủ động kiểm soát việc sử dụng năng lượng của mình, với việc luôn biết được việc tiêu thụ điện của mình ở mức bao nhiêu, điều này sẽ làm họ tiết kiệm và nhờ vậy tổng năng lượng điện sẽ được phân phối đều đến tất cả các nơi tiêu thụ, các sự cố về cao điểm sẽ được hạn chế tối đa.
Năng lượng tái tạo và năng lượng hiệu quả là một vai trò thiết yếu, một lưới điện thông minh hơn và một mạng lưới xanh hơn, và Green Grid thông minh không chỉ có một vai trò trong giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu, nhưng có thể sẽ cần thiết để đạt được các mục tiêu khi khí hậu thay đổi.

Kiến trúc intelligrid sm

Intelligrid sm là một hệ thống bao gồm các thiết bị thông minh nhằm diều khiển mạng lưới diện sao cho co hiệu quả nhất.
Kiến trúc intelligrid sm được xây dựng trên cơ sở hạ tầng thông tin hiện có và đề xuất các cách mà ngành công nghiệp có thể tích hợp những hệ thống tự động hóa tiên tiến có hiệu quả.
Môi trường của kiến trúc intelligrid là một môi trường thông tin và truyền thông nơi mà an ninh, chất lượng dịch vụ,quản lý dữ liệu giống nhau hoặc rất giống nhau.
Trong mỗi môi trường nhỏ ta lại có thể chia ra làm nhiêu môi trường nhỏ hơn.

Cổng năng lượng - "energy-port"

"Energy-port"-cổng năng lượng: là cổng thông tin đầu vào của hệ thống-một phần của hệ thống điện thông minh và thực hiện chức năng thông qua các thiết bị thông minh.
Cổng năng lượng cung cấp thông tin về các mô hình, thời gian và số lượng sử dụng cho người dùng. Nó là một hệ thống tự động sẽ tự động giám sát giá cả và điều kiện xây dựng hệ thống và điều chỉnh cá nhân, quá trình và thiết bị hệ thống để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.giúp tối ưu hóa việc phân phối điện năng và tiết kiệm điện.
Cổng năng lượng cung cấp một cái nhìn vào các cơ sở tiêu dùng và tạo giao tiếp giưa người dùng và hệ thống quản lý năng lượng.Cổng năng lượng là một thiết bị thông minh hoặc cho thiết lập cho các thiết bị thông minh cho phép nó sử dụng cơ sở dữ liệu tiêu dùng để tự động điều chỉnh cân bằng cho hệ thống. Các thiết bị này có thể giao tiếp dễ dàng với hệ thống từ xa qua hệ thống network kết nối chúng lại với nhau cùng cơ sở dư liệu máy tính có sẵn ở địa phương để hỗ trợ giám sát địa phương, xử lý dữ liệu, quản lý và lưu trữ.

2. An toàn

Việc xây dựng hệ thống điện thông minh phải đảm bảo an toàn cho người sử dụng.Energy port là một hệ thống cho phép xử lý việc phân phối và kiểm soát năng lượng điện.Khi mà tín hiệu điều khiển bị gian đoạn hoặc cắt đứt thì ngay lập tức dòng chảy qua cổng cũng bị cắt.Lý do gián đoạn có thể là tắt thiết bị đó hoặc do quá tải,ngắn mạch,nghẽn mạch,….khi đó người dùng vẫn an toàn cho dù có sự cố xảy ra.Cổng năng lượng chỉ cho thông dòng khi đầy đủ các điều kiện thích hợp.

3. Tin cậy

Các ‘energy port’ cung cấp cho người dùng các tính năng dự phòng khi xảy ra sự cố mất điện đột ngột,hệ thống kiểm soát trang thiết bị có thể giữ cho các thiết bị còn hoạt động trong một thời gian đủ để sao lưu dữ liệu,hoạt động các hệ thống cảnh báo,an ninh.Để làm được điều này cần dựa trên các nguồn cung cấp dự trữ(thiết bị lưu trữ điện, các máy phát dự phòng….)

4. Phân cấp hoạt động

Cổng năng lượng không giống máy tính chỉ làm một công việc theo các lệnh của người điều khiển,mà cổng năng lượng sử dụng hệ thống cảm biến để thu thập thông tin sau đó đưa ra các lệnh điều khiển bằng điều khiển phân tán để thực hiện các hoạt động.Giống như quản lý một tổ chức kinh doanh muốn hoạt động tốt phải có sự hoạt động tốt của cả cấp trên và cấp dưới.Người tiêu dùng không có quyền tác động hoàn toàn vào hệ thống đang làm việc.hệ thống tự động tính toán và đưa ra các quyết định dựa trên cơ sở dữ liệu thu thập được.Như vậy,đảm bảo được tính an toàn,tin cậy cho người tiêu dùng.

5. Giao diện người dùng

Hệ thống điều khiển đơn giản,dễ sử dụng,trực quan. Người dùng tương tác với hệ thống không phải dùng các tác động cơ học mà đơn giản chỉ gửi một tín hiệu điều khiển thích hợp tới trung tâm điều khiển của hệ thống.hệ thống sẽ phân tích gửi phản hồi tới người dùng để xác nhận.Giao diện tương tác này có thể là vô số thiết bị trực quan như bảng hiển thị,màn hình cảm ứng,điện thoại,...qua đó,người dùng sẽ lựa chọn để điều chỉnh,kiểm soát các thông số như ánh sáng,âm nhạc,nhiệt độ, tivi...Các thao tác với các thiết bị này rất đơn giản,trực quan.Với sự phát triển của các thiết bị gia dụng việc tạo các thiết đặt tự động lên máy rất dễ dàng,người dùng chỉ phải đọc cơ bản hướng dẫn sử dụng là có thể làm được.Điều mà hệ thống điện thông minh hướng đến là tạo sự tiện lợi cho con người.

6. Có sự liên hệ giao tiếp giữa các thiết bị trong hệ thống điện

Giữa các thiết bị trong cổng năng lượng có sự liên hệ với nhau.Đôi khi không cần sự can thiệp của con người,hệ thống cũng tự đưa ra các quyết định có cho phép hay không các thiết bị hoạt động để phù hợp với từng điều kiện cụ thể.ví dụ như khi trong giờ thấp điểm cho chạy các thiết bị tiêu thụ nhiều điện như bình nước nóng..chạy để tính giá điện rẻ hơn..Hoặc khi cửa mở thì các camera hướng về phía đó,hệ thống còi báo động sẵn sàng...

7. Thông tin

Hệ thống phải tích lũy thông tin để phục vụ theo dõi đưa ra các dự báo,điều khiển.Để có thể thực hiện nhiệm vụ quản lý việc sử dụng điện và cung cấp các giải pháp tiết kiệm điện đòi hỏi cổng năng lượng phải thu thập,xử lý một lượng thông tin để hiểu rõ về đối tượng.ví dụ như để đưa ra các quyết định có nên cho điều hòa trong phòng hoạt động hay không hệ thống cần có thông tin về nhiệt độ phòng,ngoài trời,độ ẩm,thời gian nào trong năm...hay có nên chạy động cơ bơm nước lên bể chứa khi trong giờ cao điểm khi mà công tắc vẫn bật...để có được những thông tin đó cần có hệ thông các cảm biến khảo sát các điều kiện môi trường,hệ thống xử lý trung tâm.

8. Giải trí

Đáp ứng được các nhu cầu giải trí của người dung.một lợi ích nữa của cổng năng lượng là có thể đáp ứng các nhu cầu giải trí của con người như nghe nhạc,xem phim,lướt web....vi dụ khi người vào phòng nhạc bật lên tùy thuộc vào giới tính sở thích từng người.

9. Hệ thống quản lý thông tin

Một trong những tính năng nổi bật của hệ thống điện thông minh đó là cung cấp thông tin theo thời gian thực-nghĩa là các thông tin tình trạng của hệ thống được cung cấp phù hợp với hoạt động của thiết bị ngay tại thời điểm đó-điều đó cho phép người dùng theo dõi việc sử dụng điện của mình tức thời.Không những thế cổng năng lượng còn cung cấp các thông tin trực tuyến về giá cả điện hiện tại và quá khứ. Từ đó có thể đưa ra các quyết định có nên sử dụng các thiết bị ngay bây giờ không.Có thể nói,cổng năng lượng rút ngắn khoảng cách,tạo giao tiếp hai chiều giữa người khách hàng và nhà sản xuất giúp việc sử dụng điện hiệu quả và tiết kiệm.

10. Giám sát dữ liệu địa phương

Cổng năng lượng giúp quản lý theo dõi các dữ liệu các vùng xung quanh về các yếu tố như thời tiết,an ninh,vi khí tượng....từ đó bổ sung vào cơ sở dữ liệu địa phương hỗ trợ một loạt các hoạt động phân phối khác về nước,than,khí đốt...nâng cao chất lượng phục vụ cộng đồng.

11. Thị trường

Cổng năng lượng cung cấp cho người dùng các thông tin kịp thời về thị trường giúp họ ứng phó với sự biến động của nó.Cổng năng lượng là động lực để thị trường năng lượng và điện phát triển bền vững.

Điện một chiều với smart grid

là phương pháp tốt nhất cho truyền dẫn đường dài vì điện áp cao hơn nhiều mà một hệ thống dựa trên DC có thể xử lý có nghĩa là tổn thất điện năng ít hơn nhiều so với AC. Đặc biệt là khi xem xét các mạng lưới thông minh mục đích cuối cùng là cho phép một hệ thống năng lượng bền vững, những dòng này sẽ rất quan trọng để mang lại quyền lực từ các nguồn tái tạo như gió và thủy điện, đến các địa điểm từ xa. DC phân phối điện cung cấp năng lượng hiệu quả, độ tin cậy, chất lượng điện, và chi phí hoạt động hệ thống cũng có thể giúp vượt qua khó khăn trong việc phát triển mới truyền tải công suất mà đang bắt đầu tác động đến ngành điện.

Thiết bị với powering và những trang thiết bị với DC

Một số lượng ngày càng tăng của các thiết bị tiêu thụ DC, bao gồm máy tính, ánh sáng chấn lưu, truyền hình, và thiết lập các hộp đầu trang. Hơn nữa, nếu động cơ cho hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) được điều hành bởi các ổ đĩa biến tần (VFD), trong đó có đầu vào DC. Nhiều thiết bị cầm tay như điện thoại di động và PDA DC nội bộ xe buýt, sau đó hệ thống HVAC sử dụng VFDs có thể hoạt động cũng cần một bộ chuyển đổi AC-DC.

Hệ thống điện thông minh của SIEMENS

Một hệ thống liên kết và điều khiển tự động toàn bộ thiết bị điện trong nhà với điện áp một chiều 24Volt. Hệ thống này vừa được giới thiệu tại Việt Nam. Trong hệ thống nói trên, tất cả các thiết bị điện thông thường như đèn chiếu sáng, máy bơm, điều hoà, quạt gió, bình nóng lạnh, rèm cửa... sẽ được liên kết với nhau bằng một dây cáp đôi mang điện áp 24V DC.
Thông qua đôi cáp này, người sử dụng có thể giám sát và điều khiển một cách dễ dàng tất cả các thiết bị trong căn hộ bằng nhiều cách: công tắc tại chỗ, điều khiển từ xa (remote), điều khiển qua mạng điện thoại hay qua mạng LAN, Internet... dù họ ở không có mặt ở đó.
Hệ thống này còn có chức năng giúp cảnh báo ngay lập tức nếu có nguy cơ cháy nổ hay có trộm đột nhập. Tín hiệu cảnh báo này có thể là còi hú, đèn chớp hoặc gọi điện thoại cho công an... tuỳ theo sự cài đặt của gia chủ.
Sử dụng hệ thống điện thông minh này không chỉ an toàn với điện áp 24V DC có tác dụng giảm thiểu nguy hiểm về điện giật mà còn tiết kiệm tối đa chi phí sử dụng điện.