Đăng ký thành viên

Các báo cáo từ các cơ quan nhà nước Mỹ cho thấy việc sử dụng năng lượng tái tạo tiếp tục gia tăng. Theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ, Mỹ đã tiêu thụ một lượng năng lượng tái tạo kỷ lục trong năm 2020. Ngoài ra, năng lượng tái tạo ở Mỹ đã tăng trưởng năm thứ năm liên tiếp, chiếm 12% tổng mức tiêu thụ năng lượng của Mỹ. Đây là nguồn tiêu thụ năng lượng duy nhất của Mỹ đã tăng từ năm 2019 đến năm 2020.

Như bằng chứng thêm về sự tăng trưởng năng lượng tái tạo, cơ quan Khảo sát Địa chất (USGS) thuộc Bộ Nội vụ Mỹ  báo cáo khoảng 67.000 tuabin gió quy mô điện lực đang hoạt động ở Mỹ. Khoảng 3.000 tuabin gió quy mô điện lực đang được bổ sung mỗi năm tại hơn 1.500 địa điểm hoặc trang trại gió.

Mặc dù đây đều là những tin tốt cho môi trường, nhưng nó làm phức tạp thêm công việc của những người chịu trách nhiệm đảm bảo nguồn điện đáng tin cậy và an toàn cũng như con đường của chúng ta đến một tương lai không phát thải ròng.

Brad Harkavy, Phó Chủ tịch Công ty Oracle Energy and Water (Mỹ) lưu ý rằng nhiều tích hợp điểm-điểm gây khó khăn cho việc lập trình luồng dữ liệu, tạo ra sự phù hợp "trở kháng" thủ công phối hợp giữa các tiêu chuẩn giao thức (chẳng hạn như định dạng dữ liệu, trình tự, siêu dữ liệu và mã chất lượng) và dẫn đến một hệ thống phức tạp các hệ thống cần phải quản lý, duy trì và điều phối. Để vượt qua tất cả sự phức tạp này, Harkavy đang thấy nhiều công ty điện lực hơn thiết kế và sử dụng các mẫu hình phần mềm tích hợp chung, lấy công nghệ vận hành làm trung tâm như bus thông báo công nghệ vận hành.

Các nền tảng phải tiến triển

Các kỹ sư và người vận hành lưới điện cần có các nền tảng được cấu trúc đặc biệt để tích hợp công nghệ vận hành của lưới điện và giúp đáp ứng các yêu cầu quy định. Các ước tính hiện tại chỉ ra rằng không chỉ sản lượng điện tài nguyên năng lượng phân tán (DER) sẽ tăng lên 387GW vào năm 2025, mà cân bằng năng lượng cũng sẽ tiếp tục đa dạng hóa.

Cùng với xu hướng của các hộ tiêu thụ, các quy định của nhà nước đang đóng một vai trò quan trọng trong việc đa dạng hóa các tài sản và sự phức tạp của lưới điện. Chỉ thị số 2222 của Ủy ban Điều tiết Năng lượng Liên bang (FERC) cho phép các DER tham gia vào các thị trường bán buôn khu vực thông qua tổng hợp. Nói cách khác, nó cho phép một số nguồn điện phân tán tổng hợp lại để đáp ứng các yêu cầu về kích thước và tính năng tối thiểu mà mỗi nguồn riêng lẻ có thể không đáp ứng được. Mục đích của quy tắc này là đặt nền móng cho một lưới điện hiện đại hơn và thúc đẩy cạnh tranh trên thị trường điện - hy vọng điều này sẽ loại bỏ các rào cản ngăn cản các DER tổng hợp cạnh tranh trên các thị trường khu vực.

Tất cả điều này có ý nghĩa đối với các kỹ sư và người vận hành lưới điện, những người đảm bảo an toàn, độ dẻo dai và độ tin cậy là công việc của họ ngày càng trở nên phức tạp hơn. Mỗi ngày, số lượng thiết bị và hệ thống gia tăng theo cấp số nhân. Mỗi loại thiết bị (chẳng hạn như DER, cảm biến hiện trường hoặc thiết bị  Internet vạn vật - IoT) và hệ thống (bao gồm Hệ thống quản lý phân phối tiên tiến - ADMS, Hệ thống quản lý mất điện - OMS và Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu - SCADA) có cấu trúc dữ liệu và giao thức truyền thông riêng. Mỗi lần một thiết bị hoặc hệ thống mới được bổ sung vào mạng lưới, việc duy trì và giữ cho lưới điện hoạt động sẽ trở nên phức tạp hơn theo cấp số nhân. Cân nhắc các xu hướng này và đặt nền móng cho tương lai, câu hỏi vẫn là: Làm cách nào để chúng ta kết nối các điểm và quản lý lượng dữ liệu đa dạng ngày càng tăng mà chúng mang lại?

Các yêu cầu của ngày hôm nay và ngày mai đã tiến triển từ những yêu cầu khi lưới điện của chúng ta được thiết kế ban đầu - một kịch bản phát điện và phân phối tập trung khi các công ty điện lực là nhà sản xuất điện duy nhất, khi nhu cầu do công ty điện lực cung cấp và chỉ cần thông tin liên lạc một chiều. Hãy so sánh điều đó với các nhu cầu hiện tại của một mạng lưới phát điện từ năng lượng phân tán phức tạp trong đó có nhiều người tham gia thường đòi hỏi truyền thông và điều khiển hai chiều. Những sự cần thiết của vận hành lưới điện này đã tiến triển từ những sự cần thiết của các kịch bản phát điện và phân phối truyền thống tập trung (Hình 1) sang các sự cần thiết của các kịch bản phát điện phân tán phức tạp (Hình 2).

Hình 1. Lưới điện ban đầu được thiết kế để phát và phân phối điện tập trung khi các công ty điện lực là các nhà sản xuất điện duy nhất, nhu cầu do công ty điện lực cung cấp và chỉ cần truyền thông một chiều (Ảnh st)

Hình 2. Lưới điện ngày nay phải đáp ứng các nhu cầu của một mạng lưới phát năng lượng phân tán phức tạp, trong đó có nhiều người tham gia thường yêu cầu truyền thông và điều khiển hai chiều (Ảnh st)

Lưới điện thông minh ngày nay không chỉ yêu cầu các nền tảng ứng dụng có tính linh hoạt và khả năng mở rộng - số lượng thiết bị được thêm vào lưới điện tăng lên hàng ngày - nhưng chúng còn phải cho phép một hệ thống phức tạp các hệ thống để truyền thông để quản lý, định tuyến và trao đổi dữ liệu trong thời gian thực. Quan trọng hơn, chúng phải đảm bảo vận hành lưới điện tự động hóa thành công, giúp trực quan hóa sức khỏe của lưới điện, cho phép phù hợp với quy định và bảo vệ sự sống, thiết bị và môi trường. Về cơ bản, điều này có nghĩa là chúng phải được kiến ​​trúc cho công nghệ vận hành (OT) của lưới điện chứ không chỉ công nghệ thông tin (CNTT) của văn phòng hậu bị.

Có thể thấy một ví dụ về kiến ​​trúc OT trong mẫu hình phần mềm Operational Technology Message Bus (OTMB). Các yếu tố thiết yếu của OTMB bao gồm:

• Ưu tiên An toàn. Trước tiên và trên hết, các hệ thống điện lực và OT công nghiệp phải bảo vệ sự sống, thiết bị và môi trường. Đây là những hệ thống theo dõi và điều khiển các thiết bị công nghiệp, các tài sản, quy trình và sự kiện.

• Đảm bảo độ tin cậy. Khách hàng bán lẻ và khách hàng thương mại đều phụ thuộc vào các dịch vụ điện của họ. Điều này có nghĩa là lưới điện phải luôn hoạt động. Điều này cũng có nghĩa là không chấp nhận lưới điện gặp sự cố do một thành phần đơn lẻ, chẳng hạn như máy chủ, bị sự cố.

• Vận hành thời gian thực, điều khiển hai chiều. Việc kết nối với nhau của các hệ thống OT đòi hỏi phải thích ứng các giao thức, tiêu chuẩn dữ liệu, độ trễ và các yêu cầu điều khiển khác nhau đồng thời đảm bảo độ tin cậy và vận hành chung của lưới điện.

• Hỗ trợ các mạng lưới rađio hay bị mất và pha tạp. Mạng lưới hoạt động trên hàng ngàn kilômét ở các địa điểm khác nhau, từ các vùng xa xôi hẻo lánh tới các môi trường đô thị ồn ào. Thông thường, các điều kiện này bất lợi đối với truyền thông đáng tin cậy. OTMB phải có khả năng quản lý những băng thông rất thấp và những mạng hay bị mất có độ trễ cao.

• Hỗ trợ các các  thiết bị và giao thức kế thừa. Các hệ thống điện lực và phần cứng có thể bao gồm từ công nghệ mới nhất đến cũ hàng mấy chục năm tuổi. OTMB phải hỗ trợ các hệ thống ngày nay cũng như những thiết bị vốn dĩ đã cũ và cho phép dễ dàng đưa vào các giao thức độc quyền tùy chỉnh.

• Đáp ứng các yêu cầu của nhà nước. Ví dụ ở Mỹ, các yêu cầu Bảo vệ cơ sở hạ tầng quan trọng của Tập đoàn Điện lực Bắc Mỹ (NERC CIP) quy định các tiêu chuẩn chất lượng và an ninh cho tất cả các bên liên quan đến cơ sở hạ tầng lưới điện. OTMB cần phải phù hợp với các yêu cầu NERC CIP và giúp các công ty điện lực thu hẹp khoảng cách giữa mạng lưới an ninh (phù hợp với CIP) và mạng lưới CNTT.

OTMB trông như thế nào?

Như được minh họa trong Hình 3, việc tích hợp các thiết bị và hệ thống vào một lớp phần mềm trung gian chung được kiến ​​trúc cho công nghệ hoạt động giúp đơn giản hóa việc quản lý hệ thống của các hệ thống tạo nên lưới ngày nay.

Hình 3. Tích hợp các thiết bị và hệ thống vào một lớp phần mềm trung gian chung được kiến trúc cho công nghệ hoạt động giúp đơn giản hóa việc quản lý hệ thống của các hệ thống tạo nên lưới điện ngày nay.

Ngoài việc đơn giản hóa mô hình mạng lưới bằng cách loại bỏ nhiều tích hợp điểm-điểm truyền thống mà chúng ta thấy ngày nay, việc tạo ra một OTMB loại bỏ trở kháng thủ công của việc khớp giữa các tiêu chuẩn giao thức như định dạng dữ liệu, trình tự, siêu dữ liệu và mã chất lượng, cũng như như cho phép lập trình luồng dữ liệu để tự động hóa việc quản lý dữ liệu và điều phối.

Newton-Evans lưu ý trên blog của mình: “Sự phức tạp ngày càng tăng của kiến ​​trúc lưới điện ngày nay và những thách thức đặt ra cho đội ngũ CNTT/OT để phát triển các hệ thống toàn diện có thể đáp ứng các yêu cầu hiện tại và nhiều khả năng là những yêu cầu quy định để thích ứng một cách an toàn và an ninh các tài sản phát điện thuộc sở hữu thương mại là thuộc số những thách thức lớn nhất được tìm thấy trong bất kỳ ngành nào trong các ngành công nghiệp, thương mại và chính phủ của quốc gia. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) và Hệ thống Quản lý bản quyền kỹ thuật số (DRMS) ​​đều dựa trên các tiêu chuẩn mở, có thể định cấu hình, có thể mở rộng quy mô và có khả năng cung cấp thông tin viễn thông hai chiều." Một OTMB giải quyết nhu cầu này bằng cách tạo ra một khuôn khổ có thể mở rộng quy mô để giảm độ phức tạp của việc bảo trì, gỡ lỗi và quản lý dữ liệu.

Các hệ thống chống chịu được tương lai

May mắn thay, các kiến ​​trúc như OTMB không chỉ linh hoạt và có khả năng mở rộng, mà chúng còn bổ sung điều mà Harkavy thích gọi là “chống chịu được tương lai” cho một doanh nghiệp. Ông đã chỉ ra những khách hàng đã hỗ trợ các hệ thống cũ đồng thời bổ sung thêm các loại tích hợp mới và khác nhau vào các OTMB của họ khi họ đã tăng số các hệ thống của mình từ hàng nghìn lên đến hàng triệu điểm dữ liệu theo thời gian như các ví dụ về cách tiếp cận có thể mở rộng các tổ chức tích hợp thiết bị và hệ thống OT có thể thực hiện để quản lý một mạng lưới phức tạp ngày càng tăng.

Rất nhiều khả năng là chúng ta sẽ chứng kiến sự phát triển không ngừng của các tuabin gió, tấm pin mặt trời và bộ tích trữ bằng acquy. Có thể là những tài sản này sẽ được chế tạo từ các vật liệu mới được tạo ra và được quản lý bởi các công nghệ và ứng dụng thậm chí có thể chưa được phát minh ra. Chắc chắn là các xu hướng của nhiều thiết bị, dữ liệu và độ phức tạp của lưới điện sẽ tiếp tục tăng cũng như sự cần thiết của các kiến trúc có khả năng mở rộng quy mô để đơn giản hóa việc tích hợp OT và điều phối các dữ liệu và quy trình một cách hiệu quả.