GRID TRÊN THẾ GIỚI
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.
Hình 4.1 Tương tác giữa các thành phần khác nhau trong SG
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
GSM 900-1800 MHz lên đến 14.4 1-10 Km AMI, DR, tốc độ truyền
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.
4.2.2. Mạng không dây
Công nghệ mạng không dây theo kiểu mắt lưới Mesh (Wireless Mesh Network) mô tả một kiến trúc mạng được sử dụng trong hàng loạt các công nghệ cung cấp thông tin liên lạc giữa hai thiết bị đầu cuối, có thể truyền qua một loạt các thiết bị trung gian bao gồm cả bộ định tuyến và các cổng.
Thiết bị đầu cuối là nơi bắt đầu hoặc kết thúc của gói tin, nhưng không có khả năng chuyển tiếp gói tin đến một thiết bị khác. Trong hầu hết các mạng, thiết bị đầu cuối là những thiết bị tiếp xúc trực tiếp với người dùng/khách hàng. Bộ định tuyến là điểm bắt đầu hoặc kết thúc của gói tin và còn có thế chuyển tiếp gói tin đến các thiết bị khác. Bộ định tuyến mở rộng vùng phủ sóng mạng, tự động định tuyến đường đi xung quanh, xác định những trở ngại và cung cấp các tuyến đường dự phòng trong trường hợp tắc nghẽn mạng hay không có thiết bị. Coordinators là loại đặc biệt của bộ định tuyến được sử dụng bởi một số lưới mạng (ví dụ như các tiêu chuẩn không dây ZigBee). Coordinators thực hiện các chức năng như bộ định tuyến bình thường nhưng thêm vào đó nó cho phép lưu trữ và quản lý thông tin về hệ thống mạng bao gồm bảng định tuyến và khóa bảo mật. Cổng là thiết bị cung cấp các liên kết giữa các mạng khác nhau và thông tin có thể được truyền từ một mạng đến mạng kế tiếp.
Kết nối giữa các thiết bị trong một mạng kiểu mắc lưới có thể có dây hoặc không dây phụ thuộc vào kỹ thuật được sử dụng trong truyền thông. Tuy nhiên, ngày nay kỹ thuật không dây đã được phát triển hơn, ít tốn kém hơn. Một số tiêu chuẩn khác nhau được sử dụng cho truyền thông không dây, mỗi tiêu chuẩn nhằm vào một ứng dụng khác nhau và các loại thông tin liên lạc khác nhau. So sánh các giao thức truyền thông không dây phổ biến như Zigbee, Wifi, Bluetooth, với những ưu điểm như tính linh động, khả năng mở rộng và khả năng hoạt động ổn định khiến ZigBee trở nên vượt trội so với các giao thức truyền thông khác, đặc biệt đối với một hệ thống điều khiển, giám sát trong công nghiệp. Cụ thể, ZigBee là một tiêu chuẩn mở
đã được tạo ra để giải quyết nhu cầu thị trường đối với một chi phí hiệu quả, các tiêu chuẩn dựa trên giải pháp mạng không dây có hỗ trợ dữ liệu tốc độ thấp, tiêu thụ ít năng lượng, an ninh và độ tin cậy cao. Sự vững mạnh của tiêu chuẩn ZigBee, kết hợp với những lợi ích của mạng lưới không dây, làm cho ZigBee trở thành sự lựa chọn hàng đầu cho các giải pháp điều khiển, giám sát, thu thập dữ liệu đang phát triển ngày nay.
Hình 4.4 Cấu trúc mạng ZigBee
Hệ thống mạng không dây theo kiểu mắt lưới Mesh mang rất nhiều ưu điểm nổi trội. Trước nhất là tính ổn định của mạng lưới. Mạng không dây là một mạng lưới linh hoạt bao gồm một nhóm các node mạng, các node mới có thể tham gia vào nhóm và mỗi node mạng có thể hoạt động như một bộ định tuyến độc lập.
Mạng không dây Mesh có khả năng tự thích nghi, tức là chúng có khả năng tự cấu hình lại và hoạt động như bình thường ngay cả khi một vài node bị hỏng, hoặc tìm đường đi khác khi đường đi thông thường bị chặn. Đây đều là những tình huống có thể xảy ra trong hệ thống công nghiệp. Một node mạng trung tâm sẽ kiểm soát các node mạng khác kết nối với nó. Nếu một node không liên lạc được với một node
khác, hai node có thể liên lạc với nhau bằng cách sử dụng các node trung gian. Tính linh hoạt của mạng lưới không dây là một điều cần được đề cập. Các vị trí vật lý của node trung tâm là rất linh hoạt, miễn là nó nằm trong phạm vi thông tin liên lạc của các thiết bị khác trong hệ thống, nó có thể được đặt bất cứ đâu, ở vị trí hợp lý nhất và thuận tiện nhất. Bên cạnh đó, chi phí lấp đặt mạng lưới là không đáng kể. Ngoài các chi phí phần cứng gặp phải khi sử dụng Zigbee cho từng thiết bị trong hệ thống. Chi phí bỏ ra chỉ dành cho việc lắp đặt các node trung tâm để quản lý mạng. Thêm vào đó, mạng không dây Mesh có khả năng mở rộng dịch vụ cao. Một mạng lưới duy nhất có thể hỗ trợ hàng ngàn cá nhân thiết bị. Để bổ sung thêm các thiết bị mới, chỉ đơn giản là đặt nó tại nơi bạn muốn và sau đó bật nó lên. Một ưu điểm nổi trội của mạng không dây Mesh phải được đề cập đó là độ tin cậy và mạnh mẽ. Đây là một mạng lưới có thể được cải thiện bằng cách thêm nhiều thiết bị hơn, mở rộng khoảng cách, nâng cao chất lượng liên kết và độ tin cậy chung. Điều này đặc biệt dễ dàng trong mạng RF Mesh, nơi chúng ta có thể thêm, di chuyển và loại bỏ các thiết bị mà không cần phải thực hiện cài đặt hay cấu hình lại cho mạng. Với những ưu điểm vượt trội và chi phí đầu tư thấp, hệ thống mạng không dây Mesh là một sự kết hợp hoàn hảo giữa công nghệ không dây theo kiểu mắt lưới và các thiết bị đo điện năng nhằm tạo nên một hệ thống thu thập dữ liệu công tơ điện từ xa qui mô lớn, độ tin cậy cao và phần nào giảm bớt sự vất vả của các công nhân ghi chữ điện hiện nay [40].
Bên cạnh những ưu điểm được nêu trên, mạng không dây Mesh vẫn có một số nhược điểm như dung lượng mạng và sự giảm âm là những thách thức lớn của các hệ thống mạng lưới không dây. Trong những khu vực đô thị, mạng lưới không dây đã phải đối mặt với một thách thức về phạm vi phủ sóng. Bên cạnh đó, để đáp ứng sự cân bằng giữa định tuyến đáng tin cậy và linh hoạt thì chi phí cho một số lượng lớn các nodes thông minh là rất đáng kể. Hơn nữa, cần thiết có một công ty thứ ba để quản lý mạng do khi thông tin đo đi qua tất cả các điểm truy cập, cần áp dụng một số kỹ thuật để mã hóa các dữ liệu vì mục đích an ninh.
4.2.3. Truyền thông mạng di động
Hiện nay mạng di động có thể là một lựa chọn tốt cho thông tin liên lạc giữa các đồng hồ điện thông minh và các tiện ích và giữa các node mạng từ xa. Các giải