Cấu trúc của hệ thống điều khiển

Hệ thống điện không thể thực hiện được các chức năng, nhiệm vụ của nó nếu tồn tại riêng rẽ, tách rời khỏi hệ thống điều khiển nó. Một hệ thống điều khiển có bốn thành phần cơ bản là đối tượng điều khiển, thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành, cùng với các đường truyền tín hiệu (dây hoặc không dây).

Hình 1 - Hệ thống điều khiển vòng kín cơ bản

Phù hợp với nguyên lý điều khiển này, hệ thống điện sẽ được xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển tương ứng với cấu trúc phân cấp của nó. Hình 2 minh họa hệ thống điều khiển đơn giản cho một hệ thống điện khu vực.

Hình 2 - Một cấu trúc của hệ thống điều khiển [2]

Ta có thể thấy các vòng điều khiển tồn tại ở các phần tử và các lớp khác nhau trong hệ thống điều khiển, từ phần tử máy phát đến lưới truyền tải, từ lớp các khu vực tại chỗ (subsystem) cho đến lớp hệ thống (whole system). Mỗi phần tử và mỗi lớp lại có các vòng điều khiển ứng với các chức năng điều khiển khác nhau. Như vậy, yếu tố “điều khiển” tồn tại ở mọi phần tử, mọi lớp trong hệ thống điện. 

Có thể kể đến vài kỹ thuật điều khiển hiện đang được sử dụng khá phổ biến trong hệ thống điện như: điều khiển trượt trong điều khiển tần số sơ cấp tại các máy phát; khâu tích phân (trong PID) và bù sai lệch trong điều khiển tần số tải (LFC); điều khiển bù sớm/trễ pha để thiết kế PSS nhằm ổn định hệ thống điện v.v…

Sự phát triển của hệ thống điện nhìn từ phương diện điều khiển học

Với cấu trúc của một vòng điều khiển như ở hình 1, giới hạn của hệ thống điều khiển sẽ được quy định bởi giới hạn của mỗi thành phần và của sự liên kết giữa chúng. Một số đặc điểm tạo nên giới hạn của các thành phần trong một vòng điều khiển, bao gồm:

Hệ thống đo lường: Các tín hiệu có thể đo được để hồi tiếp về bộ điều khiển, tần số lấy mẫu của các thiết bị đo lường.

Hạ tầng truyền tín hiệu: Tốc độ truyền, dung lượng truyền, khoảng cách truyền được và thời gian trễ của tín hiệu.

Bộ điều khiển: Khả năng xử lý tín hiệu, tốc độ tính toán, giải thuật/phương pháp điều khiển.

Cơ cấu chấp hành: Tốc độ chấp hành và khả năng chấp hành các tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển. Với hệ thống điện, chúng là cơ cấu chấp hành trong hệ thống điều tốc, hệ thống kích từ, đầu phân áp máy biến áp, thiết bị FACT, v.v…

Để có thể hiểu được các yếu tố trong vòng điều khiển đã tác động thế nào đến sự thay đổi của hệ thống điện, dưới đây ta hãy cùng xem xét một trường hợp cụ thể nhưng có vai trò quan trọng đối với hệ thống điện, đó là sự phát triển của trung tâm điều khiển hệ thống điện Mỹ ⁽¹⁾ theo mạch thời gian từ lúc được hình thành tới nay.

-Những năm 1950: Công nghệ truyền thông tương tự cho phép việc gửi tín hiệu đo công suất thực tại máy phát và trên đường dây truyền tải đến trung tâm điều khiển của công ty điện lực. Từ dữ liệu này, sử dụng máy tính tương tự, các kỹ sư vận hành có thể thực hiện bài toán điều khiển tần số tải (LFC) và phân bố kinh tế máy phát (ED).

-Những năm 1960: Máy tính kỹ thuật số và thiết bị đo từ xa (RTU) ra đời, cho phép đo đạc các đại lượng điện áp, công suất thực và phản kháng tại các điểm khác nhau trên hệ thống điện. Từ trung tâm điều khiển đã có thể gửi các tín hiệu đóng cắt máy cắt từ xa. Dựa trên những nền tảng này, hệ thống SCADA lưới truyền tải ra đời.

-Những năm 1970: Năng lực của máy tính kỹ thuật số được nâng cao, dẫn đến các chức năng điều khiển sau được tích hợp vào trung tâm điều khiển trên nền tảng SCADA: Phân bố công suất tối ưu (OPF), Điều khiển ngăn ngừa (preventive control), phân bố kinh tế máy phát bảo đảm ràng buộc ổn định (secured-constrained ED), điều động tổ máy phát (Unit commitment), đánh giá trạng thái. Sự tích hợp của toàn bộ các chức năng trên cùng với điều khiển sơ cấp ở máy phát tạo thành hệ thống quản lý năng lượng (EMS) trong hệ thống điện.

Hình 3 – Cấu trúc trung tâm điều khiển thông thường [1]

-Những năm 1980: Nhờ sự phổ biến của các máy tính nhỏ, hệ thống SCADA được triển khai ở các trạm phân phối và phát tuyến phân phối, dẫn đến hình thành hệ thống quản lý lưới phân phối DMS.

-Những năm 2000: Sự ra đời của hệ thống giám sát diện rộng (WAMs) dựa trên sự phát triển của thiết bị đo pha (PMU) và nền tảng SCADA ⁽²⁾ mở ra năng lực phản ánh lưới truyền tải với độ chính xác cao. Trước đó, hệ thống SCADA với tần số lấy mẫu 2-4 Hz không đủ độ chính xác và nhanh để quan sát và điều khiển theo các diễn biến động của hệ thống điện. Công nghệ PMU với tần số lấy mẫu lên đến 60 Hz cùng với chức năng đồng bộ thời gian vệ tinh, cho phép diễn biến, trạng thái của hệ thống điện được giám sát chính xác hơn rất nhiều lần. Sự ra đời của WAMs cho phép các trung tâm điều khiển thực hiện các chức năng điều khiển ổn định, điều khiển ngăn ngừa, và điều khiển khẩn cấp hiệu quả hơn so với hệ thống SCADA trước đó. Về khía cạnh giải thuật điều khiển, dữ liệu hệ thống điện từ WAMs cho phép các giải thuật phức tạp và hiện đại có nhiều cơ hội hơn để tham gia vào quá trình đánh giá trạng thái cũng như điều khiển hệ thống điện, chẳng hạn như các giải thuật điều khiển thích nghi, giải thuật trí tuệ nhân tạo. Đến những năm đầu 2010, Micro PMU cho lưới phân phối ⁽³⁾ được sản xuất với thời gian lấy mẫu ngày càng cao, góp phần tăng năng lực đánh giá trạng thái và điều khiển tối ưu lưới phân phối.

Hình 4 – Cấu trúc đơn giản của một hệ thống WAMs và WAMPACs [4]

Như vậy, sự ra đời của PMU và WAMs là những bước ngoặc cốt lõi mở đường cho quá trình số hóa của hệ thống điện. PMU và WAMs đã mở ra khả năng mang một “thế giới thực hệ thống điện” đến trước mắt các kỹ sư giám sát và vận hành ở trung tâm điều khiển.

Ví dụ trên cho thấy mối liên quan của sự phát triển các thành phần trong vòng điều khiển (của trung tâm điều khiển) đối với sự phát triển của hệ thống điện. Một khái niệm khác có tính chất rộng hơn và hay được nhắc đến thời gian gần đây, và cũng minh họa cho điều trên, là hệ thống IoT trong hệ thống điện [5]. IoT trong hệ thống điện là sự kết hợp 3 phân lớp: hệ thống đo lường/cảm biến (nhận thức), mạng lưới thông tin liên lạc và các ứng dụng tương ứng trong hệ thống điện. IoT tạo nên cái nền cho chuyển đổi số hệ thống điện, còn các công cụ AI nằm ở lớp ứng dụng, góp phần thực thi chuyển đổi số. Tuy nhiên, dưới góc nhìn điều khiển học, các lớp nhận thức, thông tin và ứng dụng của IoT cũng mang dáng dấp của một hệ thống điều khiển vòng kín phức hợp, còn AI, nếu xét theo tác dụng của nó (nhận dạng, dự đoán, điều khiển) thì cũng là một trong những công cụ, giải thuật của bộ điều khiển.

Hình 5- Kiến trúc phân lớp của hệ thống IoT trong hệ thống điện và các hệ thống thông minh khác [5]

Với sự phát triển của kỹ thuật đo lường, xử lý và truyền tín hiệu, hệ thống điện ngày càng được phản ánh rõ nét, chính xác trên hệ thống giám sát, tạo điều kiện cho các lý thuyết điều khiển liên quan đến đánh giá, dự báo được áp dụng đầy đủ và linh hoạt vào hệ thống điện. Tốc độ tính toán của các máy tính ngày càng nhanh hơn và sự phát triển của kỹ thuật điện tử công suất làm tăng năng lực của các cơ cấu chấp hành trong các vòng điều khiển hệ thống điện. Những sự phát triển này khiến cho các kỹ thuật điều khiển hiện đại, bao gồm cả trí tuệ nhân tạo, có nhiều cơ hội hơn để được thực thi trên hệ thống điện.

Với các đặc điểm phát triển nêu trên của hệ thống điện, người kỹ sư sẽ “đọc” cấu trúc của hệ thống điện ngày nay một cách dễ dàng hơn khi quan sát hệ thống điện từ góc nhìn của hệ thống điều khiển.

Thực hiện: Trần Huỳnh Ngọc

Tài liệu tham khảo:

[1] F. F. Wu, K. Moslehi and A. Bose, 'Power System Control Centers: Past, Present, and Future,' in Proceedings of the IEEE, vol. 93, no. 11, pp. 1890-1908, Nov. 2005, DOI: 10.1109/JPROC.2005.857499.  

[2]'Gridwise History: How did GridWise start?  Online tại

https://web.archive.org/web/20081027235841/http:/gridwise.pnl.gov/foundations/history.stm

[3] A. von Meier, D. Culler, A. McEachern and R. Arghandeh, 'Micro-synchrophasors for distribution systems,' ISGT 2014, Washington, DC, 2014, pp. 1-5, doi: 10.1109/ISGT.2014.6816509

[4] P. Phunkasem, W. Wangdee, B. Sriraphanth and B. Tanboonjit, 'Synchrophasor data availability analyzer,' 2016 International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems (PMAPS), Beijing, 2016, pp. 1-6, doi: 10.1109/PMAPS.2016.7764090.

[5] Q. Ou, Y. Zhen, X. Li, Y. Zhang and L. Zeng, 'Application of Internet of Things in Smart Grid Power Transmission,' 2012 Third FTRA International Conference on Mobile, Ubiquitous, and Intelligent Computing, Vancouver, BC, 2012, pp. 96-100, doi: 10.1109/MUSIC.2012.24.