Quản lý cáp thông minh, quyết định thông minh

Nền tảng theo dõi cáp kỹ thuật số dựa trên cảm biến cho phép các công ty điện lực phân phối nhận diện và xác định chính xác các điểm yếu của cáp ngầm.

Nền tảng theo dõi cáp kỹ thuật số dựa trên cảm biến cho phép các công ty điện lực phân phối nhận diện và xác định các điểm yếu của cáp ngầm (Ảnh st)

Công nghệ số cho phép thay đổi các hệ thống năng lượng. Cấu trúc thị trường đang thay đổi và có thể đảo ngược hoàn toàn trong những thập kỷ tới với việc ngày càng nhiều khách hàng trở thành nhà phát điện phân tán - tự phát ra điện cho mình bằng cách sử dụng các công nghệ như tấm pin mặt trời.

Các công nghệ số thông minh hiện nay được sử dụng để kiểm soát việc phát điện, chuyển đổi nguồn và lập hóa đơn. Tuy nhiên, trong suốt thập kỷ tới, công nghệ sẽ cần phải mở rộng hơn nữa trong chuỗi giá trị năng lượng để hoàn thành quá trình chuyển đổi. Ví dụ, để dung nạp các nguồn năng lượng phân tán (DER), các hệ thống truyền tải và mạng lưới phân phối đang gia tăng sẽ yêu cầu khả năng tích hợp các công nghệ mới này. Trong 5 năm tới, các công nghệ mới và mới nổi như mođun năng lượng mặt trời hai mặt, các giải pháp nhiên liệu sinh học quy mô nhỏ và công nghệ tích trữ bằng acquy sẽ đóng vai trò lớn hơn trong hệ thống năng lượng này. Đồng thời, những điều này sẽ làm tăng mức độ phức tạp trong việc quản lý nguồn cung cấp đáng tin cậy và việc phân phối điện năng.

Lắp đặt bộ điều khiển SCG (Ảnh st)

Vì nhiều hệ thống điện trong tương lai sẽ bị chi phối bởi nguồn điện thay đổi và không liên tục từ năng lượng tái tạo, các nhà điều hành mạng lưới sẽ cần duy trì và tăng cường an ninh cung cấp cũng như tích hợp các công nghệ cacbon thấp. Số hóa sẽ làm giảm sự phức tạp và cho phép tiết kiệm chi phí thông qua quản lý tài sản thông minh hơn và tối ưu hóa tuổi thọ tài sản cũng như hỗ trợ cung cấp các giải pháp linh hoạt trong lưới điện phân phối.

Quản lý cáp thông minh

Các mạng lưới ngày nay vận hành an toàn ở công suất cao nhất có thể với các lề được áp dụng để bảo vệ cơ sở hạ tầng cáp ngầm. Các mạng lưới trung áp (MV) được thiết kế với độ dư thừa để sao cho khi kết hợp với các kế hoạch chuyển đổi nguồn tự động có thể đảm bảo tính liên tục của nguồn cung cấp.

Các hệ thống theo dõi cáp trực tuyến và liên tục được sử dụng để xác định các điểm yếu trong cáp có thể phát triển thành sự cố vĩnh cửu và các dòng ngắn mạch gây hư hại. Việc áp dụng công nghệ cảm biến kỹ thuật số tiên tiến cho phép các nhà điều hành mạng lưới giảm lề an toàn công suất để đáp ứng nhu cầu điện, nhờ đó tránh được các khoản đầu tư không cần thiết vào việc củng cố mạng lưới cần nhiều vốn.

Theo dõi cáp ngầm

Bộ bảo vệ cáp thông minh (SCG) của DNV Netherlands BV là một ví dụ về nền tảng theo dõi cáp kỹ thuật số dựa trên cảm biến giúp các công ty điện lực phân phối kiểm soát hoàn toàn mạng lưới phân phối MV của họ. Thông qua sự kết hợp giữa công nghệ hai cảm biến đã được cấp bằng sáng chế và một thuật toán học máy với hỗ trợ 24/7, hệ thống này có thể nhận diện và xác định chính xác các điểm yếu trong một sợi cáp ngầm.

Các điểm yếu là kết quả của các tạp chất nhỏ, các lỗ rỗng, khiếm khuyết trong chế tạo và hư hại lớp cách điện của cáp ngầm. Hoạt động phóng điện cục bộ mạnh là một chỉ báo rõ ràng về các điểm yếu trong cáp ngầm nhưng không dễ phát hiện vì nó có thể diễn ra không thường xuyên, thay đổi theo thời gian và thậm chí biến mất trong nhiều ngày hoặc nhiều tuần liền. Trái ngược với các hệ thống theo dõi ngoại tuyến chỉ có thể cung cấp các ảnh chụp nhanh về tình trạng cáp, hệ thống SCG này cung cấp khả năng giám sát suốt ngày đêm đối với hoạt động phóng điện cục bộ, cho phép nhận diện tất cả các điểm yếu.

Đôi khi không thể tránh khỏi các sự cố cáp. Nền tảng SCG này có thể xác định chính xác vị trí sự cố trong phạm vi 1% chiều dài mạch điện. Khả năng này giúp giảm đáng kể thời gian và nỗ lực cần thiết để xác định vị trí và sửa chữa sự cố, cho phép cáp được cấp điện trở lại nhanh chóng và khôi phục tính an toàn của mạng lưới phân phối.

Nền tảng bảo vệ cáp thông minh

Nền tảng DNV SCG bao gồm hai thiết bị cảm biến và hai thiết bị điều khiển được lắp đặt ở mỗi đầu cáp cần theo dõi. Hệ thống này có khả năng theo dõi nhiều đoạn cáp có chiều dài lên tới 10km đối với cáp cách điện bằng polyetylen liên kết ngang (XLPE) và 4km đối với cáp bọc chì cách điện giấy (PILC) trong điều kiện tiếng ồn điển hình của cáp MV đang mang điện. Hệ thống này không chỉ phát hiện các điểm yếu và chạm chập trong mạch điện cáp trong cáp thực tế mà còn theo dõi tất cả các mối nối/mối ghép và các đầu nối cáp.

Các thiết bị cảm biến là các máy biến dòng cao tần cải tiến giúp phát hiện và đo sự thay đổi trong các xung cao tần được tạo ra do phóng điện cục bộ hoặc các chạm chập. Các thiết bị cảm biến này đưa các xung vào cáp để đồng bộ hóa thời gian giữa hai cảm biến, điều này là cần thiết để định vị chính xác điểm yếu hoặc chạm chập. Thiết bị điều khiển được đặt ở mỗi đầu nối cáp xử lý dữ liệu đo được và truyền dữ liệu đó bằng một kết nối di động hoặc ethernet cục bộ đến một trong các trung tâm điều khiển SCG dựa trên đám mây để phân tích và gửi cảnh báo. Thách thức chính là phân biệt tiếng ồn - ví dụ như, các xung cao tần từ thiết bị điện tử công suất - với các phóng điện cục bộ thực tế và các chạm chập do hoạt động chuyển mạch.

Thiết bị cảm biến SCG (Ảnh st)

Hơn 20 năm nghiên cứu và ứng dụng thực tế nền tảng SCG trên toàn cầu đã được sử dụng để huấn luyện thuật toán thực hiện phân tích này với độ chính xác cao hơn 99%. Thuật toán này sử dụng khoảng 20 tham số để phân biệt phóng điện cục bộ với tiếng ồn. Ví dụ về các tham số này bao gồm cường độ phóng điện, sự thay đổi về mức độ, sự thay đổi theo thời gian, sự thay đổi do thay đổi nhiệt độ và độ rộng của cụm. Để phân biệt các xung chạm chập với các xung đóng cắt thoáng qua, các bộ cảm biến thực hiện phân tích dạng sóng thời gian thực để xác định các xung chạm chập đích thực dựa trên hàng nghìn xung được phát hiện và thu thập trong quá khứ.

Nếu phát hiện một điểm yếu hoặc chạm chập, nhà điều hành mạng lưới này sẽ được thông báo trong vòng vài phút với vị trí chính xác của điểm yếu hoặc chạm chập. Ngoài ra, hệ thống cung cấp các cập nhật trạng thái, nhận diện bất kỳ hoạt động phóng điện cục bộ nào. Các cảnh báo và dữ liệu phân tích có sẵn và dễ dàng truy cập thông qua cổng web SCG an toàn của DNV hoặc có thể được tích hợp thông qua giao diện lập trình ứng dụng (API) với các hệ thống CNTT quản lý tài sản hoặc vận hành tài sản của nhà điều hành mạng lưới.

Việc áp dụng các công nghệ số dựa trên cảm biến trong mạng lưới phân phối cho phép các nhà điều hành trung tâm điều khiển tăng công suất, quản lý tắc nghẽn, định tuyến lại các dòng công suất khi cần thiết và lên lịch các quy trình bảo trì để sửa chữa hoặc thay thế cáp ngầm mà không gây ra sự cố mất điện tốn kém.

Các ứng dụng tiềm năng

Năm 2022, giải pháp SCG của DNV đã vượt mốc theo dõi 3.000 cáp ngầm trung áp, với tổng chiều dài lắp đặt hơn 7.500km, cấp điện áp từ 3kV đến 69kV, với cả cáp một lõi (triplex) và cáp ba lõi. Với các thị trường mới và đang tăng trưởng ở Bắc Mỹ và Australasia (Australia, New Zealand, và một số đảo nhỏ), hệ thống này hiện đang hoạt động và có sẵn trên toàn cầu.

Một số ứng dụng của công nghệ này như sau:

• Các mạng lưới phân phối điện - Những mạng lưới này đang trở nên thông minh hơn nhưng vẫn chủ yếu dựa trên các tài sản cáp ngầm cũ kỹ. Nền tảng DNV SCG là một bước tiến hướng tới các mạng lưới cáp số hóa và tự quản lý. Nó định vị chính xác các điểm yếu và chạm chập trong cáp ngầm và hỗ trợ ra quyết định theo thời gian thực về các dòng công suất, quản lý và bảo trì công suất mạng lưới. Nó có thể giúp giảm số phút mất điện của khách hàng bằng cách tối ưu hóa các chiến lược bảo trì chủ động thông qua dữ liệu tình trạng cáp ngầm liên tục và dựa trên thực tế. Dữ liệu liên tục này cho phép các nhà điều hành mạng lưới phân phối (DNO) tập trung đầu tư và nguồn lực của họ vào các cáp ngầm cần sửa chữa hoặc thay thế.
• Các cơ sở công nghiệp lớn - Các cơ sở như các nhà máy lọc dầu, nhà máy chế tạo ô tô, nhà máy hóa chất, trung tâm dữ liệu và bất kỳ người dùng lớn nào khác phụ thuộc vào nguồn cung cấp điện năng đáng tin cậy sẽ được hưởng lợi về mặt vận hành và tài chính từ hệ thống theo dõi cáp ngầm trực tuyến. Bất kỳ sự gián đoạn nào trong việc cung cấp điện đều có thể dẫn đến ngừng sản xuất và tổn thất doanh thu. Việc theo dõi cáp xuất tuyến liên tục 24/7 của nền tảng SCG giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.
• Các trang trại gió trên bờ - Khi các trang trại gió này trở nên lớn hơn và xa hơn, các tuabin  riêng lẻ được kết nối thành các cụm để đơn giản hóa việc kết nối trang trại gió. Do đó, một sự cố cáp xuất tuyến đơn lẻ có thể có tác động đáng kể đến toàn bộ cụm. Các phương pháp hiện tại để xác định sự cố trong cáp xuất tuyến tương đối chậm và tốn kém, trong khi đó việc theo dõi kỹ thuật số liên tục của hệ thống theo dõi cáp trực tuyến có thể giảm đáng kể thời gian và chi phí xác định và sửa chữa sự cố cáp. Điều này cho phép các trang trại gió hoạt động trở lại nhanh hơn, do đó tối đa hóa tính năng và lợi nhuận.
• Các hệ thống giao thông công cộng - Đối với các hệ thống đường sắt và tàu điện ngầm lớn, độ tin cậy là yếu tố then chốt. Một sự cố cáp duy nhất có thể làm gián đoạn toàn bộ mạng lưới và khiến hành khách bị mắc kẹt, gây nguy hiểm cho danh tiếng của nhà điều hành vận chuyển. Hệ thống quản lý cáp điện kỹ thuật số chủ động của DNV đã giúp duy trì hoạt động của nhiều hệ thống đường sắt trên khắp thế giới. Bằng cách xác định chính xác các chạm chập và điểm yếu trong cáp cấp điện, nền tảng này cho phép các nhà điều hành đường sắt giảm thiểu số lượng và thời gian gián đoạn dịch vụ, đảm bảo độ tin cậy của dịch vụ và giữ nguyên danh tiếng đáng tin cậy của họ.

Các lợi ích của việc theo dõi

Việc sử dụng nền tảng theo dõi cáp kỹ thuật số như SCG mang lại lợi ích đáng kể cho các nhà điều hành mạng lưới phân phối và những người sử dụng điện lớn trong việc vận hành lưới điện của họ, chẳng hạn như các ngành công nghiệp, nhà điều hành trang trại gió và nhà điều hành đường sắt. Dựa trên nhiều ứng dụng - quy mô nhỏ, vừa và lớn - việc lắp đặt hệ thống SCG dựa trên cảm biến cần được đánh giá cho từng phân đoạn cáp trong mỗi trạm biến áp. Thông thường, các cáp dài có nhiều mối nối/mối ghép và phụ tải cao là những cáp được ưu tiên vì rủi ro sự cố của chúng cao hơn mức trung bình và các sự cố có tác động đáng kể.

Các lợi ích tài chính bao gồm chi phí sửa chữa vận hành thấp hơn, chi phí lập kế hoạch và bị phạt do ngừng hoạt động (tùy thuộc vào quy định). Do đó, việc triển khai nền tảng SCG trong mạng lưới phân phối đã được chứng minh là có lợi về mặt tài chính. Một phân tích lợi ích chi phí gần đây cho thấy nền tảng này thậm chí có thể giảm 55% thời gian mất điện.

Đối với người dùng công nghiệp lớn, lợi ích tài chính thậm chí còn rõ ràng hơn. Bất kỳ việc ngăn chặn sự cố nào sẽ không chỉ giúp giảm chi phí lập kế hoạch và sửa chữa vận hành mà còn tránh được tổn thất về sản xuất và doanh thu. Trong nhiều trường hợp nơi hệ thống đã được triển khai tại các khu liên hợp công nghiệp, việc hoàn vốn đầu tư hoàn toàn có thể đạt được bằng cách tránh được chỉ một sự cố.

Suy nghĩ lại về các thị trường điện

Việc sử dụng các nền tảng theo dõi kỹ thuật số cho phép các nhà vận hành lưới điện tập trung nguồn lực vào những nơi cần thiết nhất, đặc biệt là đối với cơ sở hạ tầng quan trọng và người dùng hoặc nhà sản xuất công nghiệp lớn. Khi thay thế số liệu thống kê tuổi thọ trung bình bằng việc theo dõi kỹ thuật số trực tiếp không tính trung bình, có thể đưa ra các quyết định dựa trên thực tế về việc sửa chữa hoặc thay thế cáp ngầm nào và khi nào. Nhờ theo dõi cáp thời gian thực liên tục có thể tránh được những công việc không cần thiết và những bất ngờ khó chịu. Nền tảng Smart Cable Guard có thể tiết kiệm thời gian và tiền bạc, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “T&D World”, tháng 9/2022