CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ SMART GRID TRÊN THẾ GIỚ
4.2. Công nghệ thông tin và truyền thông (ICT)
Các thành phần cơ bản để làm cho SG hoạt động là một mạng lưới truyền thông mạnh mẽ và năng động, cung cấp các tiện ích đo lường theo thời gian thực và thông tin liên lạc hai chiều trên toàn lưới điện. Hệ thống truyền thông tích hợp cho phép thu thập thông tin, kiểm soát và trao đổi dữ liệu theo thời gian thực để tối ưu hóa độ tin cậy của hệ thống, sử dụng tài sản và an ninh.
ICT được dùng như một thuật ngữ nhấn mạnh vai trò của truyền thông tích hợp và sự kết hợp với viễn thông. ICT bao gồm tất cả các phương tiện kỹ thuật được dùng để xử lý thông tin và trợ giúp liên lạc bao gồm phần cứng và mạng máy tính, liên lạc trung gian và các phần mềm cần thiết khác.
SG tận dụng ICT để giải quyết các tác động đến độ tin cậy của lưới điện thông minh như năng lượng tái tạo, phụ tải, lưu trữ năng lượng và truyền tải điện [33], [34]. Lưới điện SG kết nối mạng lưới thông tin liên lạc hai chiều an toàn với các công cụ quản lý năng lượng là rất cần thiết cho việc tổng hợp các dữ liệu đến từ nhiều cảm biến và các nút van điện tử. Mạng lưới truyền thông giữ một vai trò chính trong cơ sở hạ tầng lưới điện SG [35],[36],[37]. Các chức năng được cải tiến bao gồm tự động hoá hoàn toàn các trạm, tự động hoá phân tán, hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu SCADA, hệ thống quản lý phụ tải, mạng không dây, truyền thông qua đường dây tải điện, mạng cáp quang.
SG bao gồm các cảm biến dữ liệu, bộ tập hợp, truyền tải, thông tin liên lạc và lưu trữ. Phần lớn các cảm biến dựa trên các thiết bị điện tử thông minh được triển khai trong các thiết bị điện, trạm biến áp và hộ gia đình. Các dữ liệu thu thập được từ các thiết bị này được tổng hợp và gửi đến các trung tâm kiểm soát cho các nhà điều hành hoặc hệ thống tự động để đo lường, phân tích và thực hiện các quá trình lập kế hoạch, bảo vệ, phòng chống [38]. Vận hành hệ thống thành công sẽ hỗ trợ tạo điều kiện cho việc giám sát và kiểm soát để nâng cao hiệu quả khối lượng công việc và tăng cường bảo vệ an ninh của lưới điện. Kiến trúc lưới điện thông minh làm tăng công suất, tính linh hoạt của mạng thông qua công nghệ truyền thông hiện đại.
Hình 4.2 thể hiện các thành phần khác nhau được kết nối với đường dẫn truyền thông và các nút cảm biến để cung cấp khả năng tương tác giữa các hệ thống phân phối, truyền tải và các trạm biến áp khác như trạm khu dân cư, khu thương mại và công nghiệp.
Hình 4.2 Kiến trúc công nghệ truyền thông lưới điện SG
Bộ cảm biến thông minh tốc độ cao Phasor (PMU) được sử dụng để hỗ trợ quản lý phân phối điện, giám sát chất lượng điện và tự động xử lý khi có sự cố xảy ra trên mạng lưới. Các cảm biến này có thể đưa ra dạng sóng dòng điện. Từ năm 1980, xung nhịp đồng hồ từ hệ thống định vị toàn cầu GPS có thể được sử dụng để đo chính xác thời gian trong lưới, có khả năng quản lý hệ thống điện đáp ứng các điều kiện tác động nhanh. Các PMU có chức năng tích lũy dữ liệu thường xuyên trong một chu kỳ điện đang được triển khai để phát họa một hình ảnh nhiều chi tiết hơn về các động thái lưới điện cho các hoạt động như lập kế hoạch hệ thống, kiểm soát và phân tích sau sự cố điện [35].
Mạng SG tiêu biểu bao gồm các giao thức mạng như Wide Area Network (WAN/Backhaul– Mạng diện rộng – mạng từ trung tâm điều hành đến các vùng), Home Area Network (HAN – Mạng trong nhà – Giao tiếp với các thiết bị đầu cuối
trong nhà) và Neighborhood Area Network (NAN – Mạng ngoài trời – Mạng trung thế giữa mạng diện rộng và hộ gia đình). Mỗi vùng mạng được kết nối với nhau thông qua các node hoặc cổng. Mỗi node đều có thể liên lạc với các node lân cận. Bộ tập trung tập hợp dữ liệu từ thiết bị đo và gửi thông tin về nhà điều hành lưới điện. Sự tích hợp các mạng không đồng nhất sẽ tạo điều kiện cho cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc hoạt động hiệu quả. Việc sử dụng các công nghệ khác nhau cho hệ thống thông tin liên lạc lưới điện thông minh chắc chắn sẽ dựa vào các đặc tính mạng khác nhau được liên kết lại. Nhu cầu địa lý, mục tiêu nhiệm vụ, bao gồm cả việc sử dụng và dịch vụ cho khách hàng sẽ ảnh hưởng đến sự lựa chọn của phát triển công nghệ thông tin liên lạc của SG [39].
Các công nghệ truyền thông khác nhau trong mạng lưới thông minh được hỗ trợ bởi hai phương tiện truyền thông chính đó là công nghệ có dây và không dây (Wi-Fi). Đây là hai phương tiện truyền thông chính được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các đồng hồ đo thông minh và công ty điện lực. Wi-Fi khá hiệu quả về mặt chi phí, có phạm vi bao phủ lớn và có rất nhiều thiết bị đầu cuối, đặc biệt là không cần phải thêm cáp vào trong nhà. Tuy nhiên, bản chất của đường truyền có thể làm cho các tín hiệu yếu đi. Công nghệ có dây thì không gặp những vấn đề này như công nghệ không dây. Tuy nhiên, tính đến thời điểm này, Wi-Fi được coi là công nghệ khá hoàn thiện cho việc phát triển ứng dụng SG. Các mạng Wi-Fi có thể đáp ứng được yêu cầu triển khai SG: tốc độ cao, tính linh hoạt, hiệu quả và bảo mật. Hơn nữa, công nghệ Wi-Fi có một lộ trình liên tục đổi mới (thông qua Wi-Fi Alliance và IEEE) nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển của các ứng dụng lưới điện thông minh trong tương lai.
Công nghệ Wi-Fi đều được ứng dụng trong cả 3 thành phần mạng chính của lưới điện như được minh họa tại hình 4.3.
Hình 4.3 Thành phần mạng SG [70]
Mạng HAN có chức năng hỗ trợ để tập hợp thông tin cảm biến từ nhiều thiết bị khác nhau trong nhà và tùy từng trường hợp sẽ gửi thông tin điều khiển tới các thiết bị để điều khiển lượng điện năng tiên thụ tốt hơn. Đồng hồ điện là nơi tổng hợp các thông tin ở mỗi nơi (nhà/xưởng/văn phòng...) và có thể hoạt động như cầu nối đến NAN. Thế hệ Wi-Fi hiện đang được sử dụng rộng rãi chuẩn 802.11n, với tốc độ lên đến 600Mbps có khả năng phân phối video độ nét cao cho cả nhà, đồng thời Wi- Fi cũng có khả năng hỗ trợ các ứng dụng truyền dữ liệu tốc độ thấp/ít tiêu hao năng lượng.
Mạng NAN có chức năng thu thập thông tin từ nhiều hộ gia đình và kết nối chúng tới mạng diện rộng WAN. Các thiết bị đầu cuối NAN sẽ làm nhiệm vụ tương tự như các đồng hồ điện lắp bên ngoài từng ngôi nhà. Phạm vi truyền dẫn ít nhất là 500m và có khả năng kết hợp với nhiều điểm ở gần. Hạ tầng mạng Wi-Fi đã được phát triển trên công nghệ 802.11n, có phạm vi phủ sóng lên đến 500m hoặc hơn, có thể liên kết điểm - điểm giữa các thiết bị Wi-Fi cùng chuẩn 802.11. Đặc biệt, thiết bị
chuẩn 802.11n có thêm kỹ thuật "beam forming" (dùng một dãy anten thông minh để hướng búp sóng về một phía nhất định nhằm tăng tốc độ và giảm nhiễu) giúp sử dụng sóng Wi-Fi ngoài trời hiệu quả hơn.
Thành phần mạng chính cuối cùng là mạng WAN làm nhiệm vụ tổng hợp dữ liệu từ nhiều NAN và sẽ chuyển tải thông tin vào mạng riêng. Như vậy backhaul (mạng đường trục/mạng trung tâm) có thể được thực hiện thông qua điểm-điểm và/hoặc các liên kết giữa nhiều điểm truy cập Wi-Fi. Các WAN trong SG có thể trải dài trên diện rộng, từ dưới 1km đến hàng km.
Về cơ bản, cả hai loại cơ sở hạ tầng truyền thông không dây và có dây đều cần thiết cho dòng thông tin trong hệ thống mạng lưới Smart Grid. Dòng thông tin thứ nhất là từ các cảm biến và các thiết bị điện đến các máy đo thông minh. Dòng thông tin thứ hai là giữa các máy đo thông minh và trung tâm dữ liệu của công ty điện [40]. Được đề cập trong nghiên cứu của L. Wenpeng, D. Sharp, and S. Lancashire [41], các luồng dữ liệu đầu tiên có thể được thực hiện thông qua thông tin liên lạc đường dây điện hoặc công nghệ không dây, chẳng hạn như mạng ZigBee, 6LowPAN, Z- Wave và những mạng khác. Công nghệ mạng di động hoặc mạng Internet có thể được sử dụng để truyền tải dòng thông tin thứ hai. Tuy nhiên, có những yếu tố hạn chế quan trọng cần được xem xét trong quá trình triển khai hệ thống đo thông minh, chẳng hạn như thời gian triển khai, chi phí hoạt động, các công nghệ sẵn có và môi trường nông thôn hay thành thị, trong nhà hoặc ngoài trời vì đôi khi công nghệ phù hợp với một môi trường này nhưng có thể sẽ không phù hợp với môi trường ứng dụng khác. Sau đây là tóm tắt về các công nghệ truyền thông được ứng dụng trong lưới điện thông minh (bảng 4.1) [40].
Bảng 4.1 Tổng quan các công nghệ truyền thông trong mạng lưới Smart Grid
Công nghệ Quang phổ Tốc độ truyền dữ liệu Phạm vi phủ sóng Các ứng dụng Giới hạn
Kbps HAN dữ liệu chậm GPRS 900-1800 MHz lên đến 170 Kbps 1-10 Km AMI, DR, HAN tốc độ truyền dữ liệu chậm 3G 1.92-1.98GHz 2.11-2.17 GHz 384 Kbps – 2Mbps 1-10 Km AMI, DR, HAN chi phí quang phổ cao WiMAX 2.5 GHz, 3.5 GHz, 5.8 GHz lên đến 75 Mbps 10- 50 Km (LOS) 1-5 Km (NLOS)
AMI, DR, Không lan rộng PLC 1-30 MHz 2-3 Mbps 1-3 Km AMI, Fraud Detection Môi trường ứng dụng ồn ZigBee 2.4 GHz -868- 915 MHz 250 Kbps 30-50 m AMI, HAN Tốc độ truyền dữ liệu chậm, phạm vi phủ sóng ngắn 4.2.1. Mạng ZigBee
ZigBee là mạng không dây có tốc độ truyền dữ liệu tương đối chậm. Nó là một công nghệ lý tưởng cho việc quản lý năng lượng hiệu quả, tự động hóa quá trình, và đọc đồng hồ đo điện tự động. Khi áp dụng vào hệ thống mạng lưới thông minh, Zigbee phát huy được những điểm mạnh của nó như độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và thời gian sử dụng pin dài. ZigBee được tích hợp với máy đo thông minh có thể liên lạc với các thiết bị tích hợp ZigBee và kiểm soát chúng. ZigBee cung cấp các tiện ích để gửi tin nhắn cho người tiêu dùng và người tiêu dùng có thể tiếp cận các thông tin về tiêu thụ năng lượng theo thời gian thực của họ. Tuy nhiên, ZigBee có một số hạn chế trong việc triển khai thực tế. Ví dụ như khả năng xử lý thấp, kích thước bộ nhớ nhỏ, và Zigbee chủ yếu dùng tần số 2.4 GHz, trùng tần số với một số các giao thức truyền thông không dây phổ biến khác nên chúng có thể bị nhiễu tín hiệu nhau. Do đó, độ tin cậy của ZigBee trong điều kiện tiếng ồn là một trong những vấn đề đáng quan tâm. Do đó sự can
thiệp của 802.11/b/g trong vùng lân cận của ZigBee làm tăng khả năng hư tổn các kênh thông tin liên lạc toàn mạng [42]. Vì vậy, các cách thức tránh nhiễu tín hiệu và giao thức định tuyến năng lượng hiệu quả cần được thực hiện để kéo dài tuổi thọ mạng và cung cấp một hiệu suất mạng đáng tin cậy và tiết kiệm năng lượng.