Đăng ký thành viên

Tăng gấp đôi độ tin cậy: Đột phá về lưới điện thông minh của thành phố Karachi (Pakistan)

Trước nhu cầu điện tăng vọt và khả năng hiển thị có giới hạn đối với các tài sản lưới điện phía nguồn, Công ty Điện lực K-Electric (thành phố Karachi, Pakistan) đã tự thiết kế một hệ thống bảo vệ đặc biệt, cung cấp hơn 600MW điện nhập khẩu an toàn cho thành phố lớn nhất Pakistan này mà không cần xây dựng hạ tầng mới, không phát sinh chi phí vốn và không bị trì hoãn.

Karachi, thành phố lớn nhất và là trung tâm kinh tế của Pakistan, đã tăng trưởng lên 20,3 triệu người, theo Điều tra dân số năm 2023. Đối với K-Electric (KE), nhà cung cấp điện năng chính của thành phố - bao gồm tất cả các hộ tiêu thụ sinh hoạt, thương mại, công nghiệp và nông nghiệp - sự tăng trưởng đó không chỉ mang lại cơ hội to lớn mà còn cả áp lực rất lớn.

Trong năm năm qua, nhu cầu phụ tải đỉnh trung bình đã tăng lên - do nhiệt độ tăng cao, sự mở rộng đô thị, công nghiệp hóa và sự chuyển dịch có chính sách hỗ trợ từ các nguồn phát điện tự dùng phân tán, manh mún sang cung cấp điện lưới tập trung. Mặc dù điện mặt trời đã tác động đến nhu cầu lưới điện, KE đã nhanh chóng kết nối các khách hàng công nghiệp mới, xử lý hàng chục yêu cầu mở rộng phụ tải và nỗ lực củng cố các hành lang 132kV quan trọng trên toàn lưới điện. Đồng thời, KE đang phải vật lộn với sự phức tạp ngày càng tăng của hệ thống điện, đặc trưng bởi tính gián đoạn và động lực phát điện phụ tải mới. Hơn nữa, sự gia tăng dân số bùng nổ đã thử thách giới hạn vật lý của cơ sở hạ tầng, bất chấp các khoản đầu tư có mục tiêu nhằm nâng cao công suất và độ tin cậy.

1. Được chụp từ độ cao 417km trên Biển Ả Rập bởi Trạm Vũ trụ Quốc tế vào ngày 9 tháng 1 năm 2021, hình ảnh này cho thấy Karachi - thành phố lớn nhất Pakistan - lấp lánh trong đêm. Hiện là nơi sinh sống của hơn 20,3 triệu hộ sinh hoạt, sự phát triển bùng nổ và nhu cầu điện năng ngày càng tăng của thành phố đã thúc đẩy K-Electric thiết kế một giải pháp lưới điện mới, giúp tăng gấp đôi lượng điện nhập khẩu mà không cần đường dây truyền tải mới (Ảnh st)

Thành lập chính thức vào năm 1913 và tư nhân hóa vào năm 2005, K-Electric hiện đang vận hành một trong những hệ thống điện đô thị rộng lớn nhất Nam Á, trải dài 6.500km² trên khắp Karachi và các khu vực lân cận. Cơ sở hạ tầng của K-Electric bao gồm 78 trạm biến áp và gần 1.400km đường dây cao áp, phục vụ 3,8 triệu khách hàng. Kể từ năm 2009, công ty điện lực này đã tái đầu tư hơn 4,6 tỷ USD vào việc nâng cấp hệ thống phát điện, truyền tải và phân phối - tăng công suất phát điện sở hữu thêm hơn 1.500MW và tăng hơn gấp đôi công suất truyền tải và phân phối - đồng thời nỗ lực giảm tổn thất truyền tải và phân phối từ 35,9% xuống còn 15,99%.

Nhận thức rõ vai trò then chốt của mình trong việc đảm bảo sự phát triển kinh tế và cơ sở hạ tầng của thành phố bằng cách cung cấp nguồn điện đáng tin cậy, giá cả phải chăng và bền vững, công ty điện lực này không ngừng thúc đẩy việc tối ưu hóa điện lực và vận hành xuất sắc. Hai lãnh đạo của Ban Kiểm soát Mạng lưới Điện lực của KE, Ali Imran Hussain và Faisal Mairaj, những người dẫn dắt dự án, đã chia sẻ với Tạp chí POWER rằng một nhiệm vụ song song và ngày càng không thể thương lượng là phát huy sự sáng tạo - các giải pháp cho phép lưới điện vận hành nhanh hơn, tinh gọn hơn và thông minh hơn.

Năm 2020, khi gần như không còn lựa chọn nào cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng lớn mới và cũng không có chỗ cho sai sót, KE đã triển khai một bước đột phá nội bộ - hệ thống bảo vệ đặc biệt do tự động hóa thúc đẩy, còn gọi là Sơ đồ Cắt Chéo - rất xứng đáng với Giải thưởng Lưới điện thông minh năm 2025 của Tạp chí POWER.

Ông Abbas Husain, Giám đốc Phát điện và Truyền tải, cho biết: “Được thiết kế, thử nghiệm và triển khai hoàn toàn nội bộ, dự án này đã cho phép K-Electric nâng cao an toàn hệ thống bảo vệ và điều khiển, cho phép sử dụng các máy biến áp và đường dây hiệu quả, đồng thời tiết kiệm chi phí đầu tư. Trong môi trường lưới điện, nơi độ tin cậy phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng tốn kém và thời gian dài, giải pháp phần mềm của KE đã mang lại sự linh hoạt và độ dẻo dai chính xác - tất cả chỉ trong vòng chín tháng.”

Vượt qua rào cản 600MW

Giải pháp này xuất phát từ nhu cầu vận hành và kinh tế. "Trước đây, có nguồn điện dư thừa ở phía nguồn trong nước", Hussain, Giám đốc Vận hành Truyền tải của KE, nhớ lại. "Chúng tôi rất quan tâm đến giải pháp này vì nó giúp lưới điện quốc gia giải quyết một số vấn đề về chưa khai thác hết công suất và các vấn đề về phí công suất. Vì vậy, có một thách thức: làm thế nào để thu hút thêm công suất từ các mạch kết nối hiện có mà không ảnh hưởng đến các giới hạn kỹ thuật, độ tin cậy của mạng lưới điện hoặc sự an toàn và an ninh của chính hệ thống kết nối này."

Vào thời điểm đó, giới hạn nhập khẩu điện từ lưới điện quốc gia của KE là khoảng 600MW, một mức trần do các ngưỡng bảo vệ đặt ra, các quan ngại về độ tin cậy kết nối và tầm nhìn hạn chế về các tài sản lưới điện không thuộc KE. KE cần nâng mức trần này lên ít nhất 1.000–1.100MW. Tuy nhiên, một nghiên cứu khả thi thực hiện vào năm 2020 với sự cộng tác của các chuyên gia tư vấn bên thứ ba đã loại trừ các lựa chọn cơ sở hạ tầng truyền thống. Những kết nối mới hoặc công suất máy biến áp mở rộng quá tốn kém, kéo dài thời gian thực hiện dự án và quá không chắc chắn để đáp ứng nhu cầu trước mắt.

Thay vào đó, nghiên cứu này đã xem xét tính khả thi kỹ thuật của một hệ thống bảo vệ đặc biệt dựa trên logic "tác động cắt chéo" - một kiến trúc điều khiển kỹ thuật số cho phép loại bỏ phụ tải động để ứng phó với các nhiễu loạn lưới điện theo thời gian thực, bảo vệ cả mạng lưới nội bộ của KE và các tài sản phía nguồn thuộc sở hữu của nhà điều hành lưới điện quốc gia. Các mô phỏng đã xây dựng kịch bản xấu nhất - bao gồm tổn thất máy biến áp tự ngẫu và ngắt mạch kết nối điện áp cao - và chỉ ra rằng với logic thích ứng phù hợp, KE có thể tăng đáng kể lượng điện nhập khẩu mà không vi phạm các ngưỡng vận hành quan trọng. Điều quan trọng không kém, phương pháp này không đòi hỏi chi phí vốn mới.

Một sáng kiến kỹ thuật

Hệ thống mà KE cuối cùng đã thiết kế và triển khai, về cơ bản, là một Hệ thống Bảo vệ Đặc biệt (SPS) có thiết kế riêng để cung cấp các phản ứng nhanh chóng và tự động đối với các nhiễu loạn lưới điện. "Cơ sở hạ tầng bao gồm ba lớp", Faisal Mairaj, Trưởng phòng Kế hoạch Mạng lưới điện, giải thích. "Thứ nhất là các rơle bảo vệ. Thứ hai là thiết bị truyền thông, bao gồm các Thiết bị Đầu cuối Từ xa (RTU) và Hệ thống Thứ bậc Kỹ thuật Số Đồng bộ (SDH)^(*). Và cuối cùng là SCADA - các logic phát triển trên hệ thống KE của chúng tôi, giúp báo động người vận hành và hướng dẫn hành động theo thời gian thực."

Hệ thống SCADA (Ảnh st)

SPS hoạt động dựa trên logic tác động cắt thích ứng - một bộ quy tắc kỹ thuật số tùy chỉnh, điều khiển việc tự động loại bỏ phụ tải dựa trên mức tải máy biến áp, các vị trí của máy cắt và hướng dòng công suất trên các kết nối chính. Các tủ rơle liên tục theo dõi các biến số này tại các nút lưới điện quan trọng. Khi phát hiện sự bất ổn định - chẳng hạn như mức tải quá lớn hoặc tác động cắt đường dây 500kV phía nguồn - hệ thống này sẽ phát tín hiệu tác động cắt chuyển mạch để lựa chọn các trạm biến áp, khởi tạo việc ngắt kết nối theo giai đoạn của các lộ xuất tuyến 132kV cụ thể nhằm duy trì tính toàn vẹn của hệ thống.

Các chuyên gia KE lưu ý rằng các mô hình mô phỏng đã phác thảo các giai đoạn phản ứng theo tầng: Nếu mức tải dòng điện trên các mạch chính vượt quá ngưỡng trong thời gian dài hơn mong muốn, các rơle sẽ kích hoạt việc loại bỏ phụ tải mục tiêu, bắt đầu với các lộ xuất tuyến 132kV không quan trọng phục vụ các khu công nghiệp và thương mại. Các trường hợp khẩn cấp nghiêm trọng hơn - chẳng hạn như tác động cắt cả hai đường dây kết nối 500kV hoặc tách biệt hoàn toàn đường dây phía nguồn - sẽ dẫn đến việc cắt giảm quy mô lớn hơn, bao gồm cả các mạch máy biến áp điện lực và thậm chí cả lộ xuất tuyến cao áp 220kV. Các ngưỡng này được mã hóa vào rơle bảo vệ và tích hợp chặt chẽ với hệ thống SCADA để cho phép hiển thị theo thời gian thực và thực hiện tự động thông qua giao diện điều khiển tập trung của KE.

Tuy nhiên, một trong những hạn chế thiết kế quan trọng nhất của dự án là KE phải xây dựng logic này mà không được truy cập dữ liệu SCADA trực tiếp từ các tài sản phía nguồn mà nó phụ thuộc. "Về cơ bản, đây là một trạm từ xa mà chúng tôi nhập khẩu điện, nhưng do một đơn vị khác bảo trì và vận hành," Mairaj giải thích. "Nếu rắc rối này nằm trong mạng lưới của chúng tôi, chúng tôi có thể xử lý được. Nhưng nếu sự cố nằm trên mạng lưới điện khác và chúng tôi không thể quan sát thấy, chúng tôi không thể quản lý được." Để khắc phục điều này, KE đã thiết kế hệ thống của mình để suy ra các tình trạng lưới điện chỉ từ trạng thái máy cắt và mức tải của riêng máy biến áp, cho phép đưa ra hành động đáng tin cậy, theo thời gian thực ngay cả khi không có dữ liệu đầy đủ hoặc điều khiển trực tiếp.

Triển khai và phối hợp

Do tính cấp bách của dự án, KE đã thành lập một lực lượng đặc nhiệm liên ngành đặc biệt bao gồm các lĩnh vực bảo vệ, điều khiển, viễn thông và SCADA. "Đã có một lộ trình hoàn chỉnh với các sơ đồ và mốc thời gian - những việc cần làm, ai làm và khi nào làm", Imran nói. Để đẩy nhanh việc triển khai, KE đã tái sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có và hoàn toàn dựa vào nguồn nhân lực nội bộ để triển khai dự án tại các trạm biến áp. Ông cho biết, trong khi sự thống nhất nội bộ cho phép rút ngắn thời gian xử lý, thì việc có sự tham gia của đơn vị vận hành lưới điện quốc gia lại đòi hỏi quá trình phối hợp liên tục và xây dựng sự đồng thuận để xác thực phương án tiếp cận.

Dự án đã được triển khai và đưa vào vận hành hoàn chỉnh vào đầu năm 2021. Lợi ích quan trọng của việc triển khai nhanh chóng này là khả năng giảm thiểu sự chậm trễ và chi phí mua sắm của KE, nhờ vào thiết kế bền chắc. Việc đầu tư nhiều thời gian hơn vào tìm hiểu mạng lưới điện, rủi ro và phác thảo logic trong thiết kế đã giúp đẩy nhanh quá trình thực hiện - tương tự như việc nâng cấp mạng lưới điện định kỳ.

Tuy nhiên, tác động của nó là ngay tức thời. Dự án này đã giải phóng hơn 600MW điện nhập khẩu bổ sung từ lưới điện - đủ để bù đắp chi phí đầu tư tăng thêm và đáp ứng nhu cầu điện tăng vọt. Và nó đã hoạt động liên tục kể từ khi đưa vào vận hành, giúp ngăn chặn ít nhất hai sự cố lưới điện lớn.

Ông Abbas Husain, Giám đốc Phát điện và Truyền tải, cho biết. “Không có giải pháp nào khác có thể mang lại tác động nhanh chóng như vậy. Bạn không thể kết nối 600MW trong vòng năm đến sáu tháng. Bạn không thể bổ sung công suất phát điện trong vòng năm đến sáu tháng - điều đó sẽ mất ít nhất ba năm. Nhưng chúng tôi đã giúp thành phố có điện giá rẻ hơn. Chúng tôi đã đảm bảo không khởi động các nhà máy điện hóa thạch. Đó là một thành quả không hề nhỏ.”

Khi được hỏi về những bài học kinh nghiệm từ dự án, các chuyên gia kêu gọi các đồng nghiệp ưu tiên thiết kế chu đáo. Họ lưu ý rằng các hệ thống do con người tạo ra luôn có chỗ cho sai sót, đó là lý do tại sao việc đầu tư vào thiết kế cẩn thận phải được ưu tiên hơn việc triển khai. Việc nhận dạng và truyền đạt rủi ro là rất quan trọng, vì uy tín đang bị đe dọa. Một phương pháp thiết kế mạnh mẽ cũng hỗ trợ việc thực hiện chiến lược, cho phép nhập khẩu điện bền vững mà không cần chi phí vốn cao.

Hệ thống Thứ bậc Kỹ thuật Số Đồng bộ (SDH)^(*): Đây là một tiêu chuẩn truyền dẫn số trong mạng viễn thông, dùng để truyền tải lượng dữ liệu lớn qua cáp quang bằng cách đồng bộ hóa tín hiệu.

Biên dịch: Thanh Hải

Theo “Power”, số tháng 8/2025