Các Module điện và tính năng (Phần 5) – Sa thải phụ tải

5.Sa thải phụ tải (Load Shedding)

Những thiết bị sử dụng điện có yêu cầu tính sẵn sàng cao thường yêu cầu hệ thống cấp điện dự phòng. Các ứng dụng trong công nghiệp và cơ sở hạ tầng có thể sử dụng nhiều nguồn cấp khác nhau hoặc từ máy phát điện, sử dụng khí gas hoặc các nhiên liệu hóa thạch khác.

Typical Load Shedding Topology

Tuy nhiên, với cấu hình này, khi một trong các nguồn cấp mất đột ngột (đặc biệt là nguồn điện chính), cần phải đảm bảo sự cân bằng công suất phát và phụ tải, nếu không máy phát sẽ bị quá tải và bảo vệ tác động gây mất điện. Nói cách khác, hệ thống này yều cầu 1 quá trình giám sát và điều khiển liên tục để công suất phát và phụ tải cân bằng.

Theo truyền thống, các công ty thiết kế tự động hóa cố gắng giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng bộ điều khiển quá trình (PLC) với một chương trình tùy chỉnh theo bậc thang (ladder), với khả năng xử lý trong vài phần nghìn giây khi có sự cố. Tuy nhiên giải pháp này tồn tại một số nhược điểm:

• Đòi hỏi cơ sở hạ tầng phần cứng đủ mạnh;
• Khó khăn để kiểm tra chương trình bậc thang, không xác định được khi nghiệm thu;
•  Những thay đổi vật lý trên lưới và cấu trúc hệ thống động đòi hỏi thay đổi logic bậc thang, những thay đổi này có thể xét được cho tất cả tổ hợp lưới điện và cần phải nghiệm thu lại;
• Mở rộng lưới dẫn đến tăng số lần xử lý trên CPU của bộ điều khiển có thể dẫn đến phải nâng cấp phần cứng ngoài mong muốn.

Với thực tế nêu trên, một hệ thống điều khiển cân bằng công suất phát/tiêu thụ tốt cần phải giải quyết được những thách thức sau:

• Thời gian đáp ứng không ảnh hưởng đến ổn định hệ thống;
• Hiệu quả giá thành/hiệu năng cao và thời gian triển khai ngắn;
• Cung cấp công cụ để quản lý được nhiều phụ tải với cấu trúc phức tạp;
• Mức độ an toàn và sẵn sàng cao;
• Đáp ứng hầu hết những yêu cầu của phụ tải;
• Đánh giá được công suất dự trữ của nguồn phát;
• Linh hoạt trong xác định các phụ tải ưu tiên;
• Đánh giá được trạng thái của lưới và xác định đúng các máy cắt cần sử dụng;
• Mức độ đáp ứng nhanh (<100ms);
• Phát hiện, phân loại các loại nhiễu loạn khác nhau.

Công nghệ tiên tiến của Elipse Power Load Shedding có thể đáp ứng được tất cả những thách thức trên, với một cấu trúc vững chắc, nó có thể kết hợp với cấu trúc phần cứng hiện hữu để đáp ứng mọi nhiễu động trong thời gian thực.

Module Load Shedding sử dụng mô hình lưới điện của Elipse để nhận dạng và xử lý thời gian thực theo trạng thái vận hành của lưới. Bên cạnh đó, phần mềm còn có thể xác định được kịch bản của từng loại sự cố, tương ứng với từng kịch bản sa thải phụ tải.

Với mỗi kịch bản cụ thể, thuật toán sẽ đánh giá trạng thái hiện tại của hệ thống và cài đặt trước thông số cho các thiết bị điều khiển (IED hoặc PLC) và kích hoạt thực hiện nếu kịch bản xảy ra.

Trong trường hợp sử dụng các thiết bị điều khiển thông minh theo giao thức IEC 61850, kịch bản được kích hoạt bằng tin nhắn GOOSE được gửi đi bởi máy phát hoặc IED. Các IED có trách nhiệm bảo vệ từng phụ tải nhận được tin nhắn này và thực hiện logic AND với kịch bản đã được cài đặt sẵn. Nếu có bất kỳ logic “AND” nào thỏa mãn, IED sẽ ra lệnh cắt, sa thải phụ tải.

Cần phải lưu ý là module Load Shedding không gửi lệnh trực tiếp đến các phụ tải, nó chỉ định trước những kịch bản theo tải và cấu trúc lưới. Kịch bản được tạo ra trong thời gian dưới 1 giây, và chỉ gửi đi những thay đổi kịch bản so với lần kiểm tra trước đó, điều này giúp tối thiểu các lệnh, trong quá trình diễn ra sự cố.

Sau sự cố, hệ thống có thể đánh giá lại tình trạng của hệ thống và gửi cài đặt mới khi xác định được trạng thái khác của lưới.

5.1. Mô phỏng và đánh giá kịch bản (Scenario Simulation and Evaluation)

Để mô phỏng và đánh giá từng kịch bản, module Load Shedding cân nhắc thuộc tính của đối tượng và tình trạng của hệ thống. Để thực hiện, module Load Shedding cần xác định:

• Cân bằng nguồn – tải;
•  Phân tán sai lỗi của phân phối tải;
•  Phát hiện những sự sai khác công suất (ví dụ: Công suất > 0 khi máy cắt mở)
• Kiểm tra công suất định mức và công suất hiện tại của thiết bị.

Sau khi xác minh, kịch bản đã được giả lập bởi luồng công suất, nhận diện được ảnh hưởng của từng sự kiện theo kịch bản, cấu trúc hệ thống sau đó và phát hiện quá tải của máy phát. Ngay sau đó, Module lựa chọn tải dựa trên cấu trúc lưới, công suất cần sa thải, các máy cắt và thứ tự ưu tiên. Gửi lệnh cắt đến các máy cắt được định trước thông qua giao thức cấu hình thiết bị.

5.2. Nghiệm thu tại nhà máy (Factory Acceptance Test – FAT)

Một lợi ích khác của việc sử dụng Module Elipse Power Load shedding là có thể sử dụng một máy tính thứ hai, chạy một hệ thống copy với luồng công suất được giả lập bằng thuật toán. Điều này có thể kiểm tra sự sa thải phụ tải phản ứng với bất kỳ tình trạng hệ thống trong suốt thời gian kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy (hoặc bất kỳ lúc nào).

Module Load Shedding cho phép nghiệm thu đầy đủ hệ thống tại nhà máy trong 1 thời gian ngắn với tất cả các tình huống (cấu trúc và kịch bản) việc nghiệm thu như vậy không thể thực hiện được trong các hệ thống truyền thống. Kết nối giữa bộ giả lập và máy tính sa thải phụ tải có thể được thực hiện bằng cách sử dụng giao thức của Elipse, hoặc ánh xạ tới OPC hoặc các giao thức khác (DNP, IEC 101/104).

Những lợi ích của module Elipse Power Load Shedding:

•  Giảm tối đa chi phí phần cứng do sử dụng những thiết bị bảo vệ hiện có;
• Giảm thời gian kiểm tra xuất xưởng và vận hành chạy thử;
•  Giảm chi phí bảo trì;
• Chi phí mở rộng thấp;
• Có khả năng mô phỏng bất kỳ tình huống nào;
• Bảo đảm hoạt động nhanh (tham gia gián tiếp);
• Tăng độ tin cậy và sẵn sàng trong suốt quá trình vận hành.

Module Elipse Power Load Shedding đã được sử dụng ở các nhà máy lọc dầu lớn và các nhà máy công nghiệp khác. Một trong những ứng dụng của nó trong hệ thống đang vận hành tại Cenpes (Petrobras, Brazil) từ năm 2011 bao gồm:

• 01 đường dây truyền tải;
• 10 tổ máy phát (5 dầu và 5 khí);
• 92 máy cắt phụ tải;
• 48 phụ tải.

Từ đó đến nay, hệ thống đã giải quyết nhiều loại sự cố và mất điện do nguồn cấp chính, đáp ứng 100% và lựa chọn tải phù hợp.