Ứng dụng Công nghệ Mạng Điện Thông Minh trong Quản lý Hụt Dòng của Khu vực Biến áp Thấp áp

Là một thành phần thiết yếu của mạng phân phối, các khu vực phân phối điện áp thấp (sau đây gọi tắt là "khu vực biến áp điện áp thấp") trực tiếp ảnh hưởng đến lợi ích kinh tế của các doanh nghiệp cung cấp điện và chất lượng tiêu thụ điện của người dùng cuối thông qua các vấn đề tổn thất đường dây. Tuy nhiên, các phương pháp quản lý truyền thống có những điểm yếu rõ rệt về độ chính xác và hiệu quả. Trong bối cảnh này, việc ứng dụng các công nghệ lưới điện thông minh đã mang lại các giải pháp mới cho công tác quản lý tổn thất đường dây. Bằng cách giới thiệu các phương tiện kỹ thuật tiên tiến, không chỉ có thể nâng cao hiệu quả tinh tế trong quản lý tổn thất đường dây mà còn hỗ trợ đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, điều này có ý nghĩa to lớn trong việc thúc đẩy phát triển chất lượng cao trong ngành điện.

1. Các Vấn Đề Tổn Thất Đường Dây Trong Khu Vực Biến Áp Điện Áp Thấp
Các vấn đề tổn thất đường dây trong khu vực biến áp điện áp thấp chủ yếu được phân thành tổn thất kỹ thuật và tổn thất quản lý. Tổn thất kỹ thuật bắt nguồn từ tổn thất thiết bị vốn có và các ràng buộc vận hành — ví dụ như tổn thất sắt và đồng trong máy biến áp và tổn thất công suất do điện trở dây dẫn. Lấy một tuyến dây phân phối điện áp thấp điển hình làm ví dụ, khi diện tích mặt cắt ngang dây dẫn là 50 mm² và dòng tải đạt 200 A, tổn thất công suất trên mỗi km dây dẫn khoảng 4 kW.

Khi diện tích mặt cắt ngang dây dẫn được tăng lên 70 mm² trong cùng điều kiện, tổn thất có thể giảm khoảng 30%. Ngược lại, tổn thất quản lý thường do sai số đo đếm, trộm điện hoặc vận hành, bảo trì không đúng cách gây ra. Ví dụ, độ chính xác đo đếm của các công tơ điện cơ học truyền thống trong điều kiện tải nhẹ chỉ khoảng 85%, thấp xa so với công tơ thông minh có độ chính xác vượt quá 99%. Ngoài ra, mất cân bằng ba pha có thể làm tăng đáng kể tổn thất đường dây; nếu mức độ mất cân bằng dòng điện ba pha trong một khu vực biến áp vượt quá 15%, tỷ lệ tổn thất đường dây sẽ tăng thêm 2% đến 5%. Sự tồn tại của các vấn đề này cho thấy việc kiểm tra thủ công đơn thuần không còn đáp ứng được yêu cầu quản lý tinh tế, và các phương pháp thông minh cấp thiết cần được áp dụng để nâng cao hiệu quả quản trị.

2. Các Công Nghệ Lưới Điện Thông Minh Được Ứng Dụng Trong Quản Lý Tổn Thất Đường Dây Khu Vực Biến Áp Điện Áp Thấp

2.1 Công Nghệ HPLC (Truyền Thông Nguồn Cao Tốc)
Nguyên lý cơ bản của công nghệ HPLC là sử dụng các tuyến dây phân phối điện áp thấp hiện có làm môi trường truyền thông, ghép tín hiệu điều chế tần số cao lên đường dây điện thông qua các mạch ghép nối để đạt được truyền dữ liệu tốc độ cao. Công nghệ này chủ yếu được áp dụng trong các tình huống như giám sát thời gian thực trạng thái vận hành đường dây trong khu vực biến áp, thu thập dữ liệu điện năng và tương tác thông tin tiêu thụ điện của người dùng.

Trong quá trình triển khai, bước đầu tiên là khảo sát hiện trường môi trường dây dẫn khu vực biến áp để đánh giá đặc tính kênh và mức độ nhiễu, từ đó xác định tần số sóng mang tối ưu (thông thường trong khoảng 1,7–30 MHz) và phương pháp ghép nối. Tiếp theo, lắp đặt các bộ ghép chuyên dụng và các mô-đun truyền thông HPLC ở phía điện áp thấp của máy biến áp phân phối, hộp phân nhánh và công tơ điện người dùng để thiết lập mạng truyền thông xuyên suốt khu vực biến áp. Đồng thời, triển khai hệ thống trạm chủ để tích hợp liền mạch với các hệ thống ứng dụng tầng trên thông qua chuyển đổi giao thức.

Trong giai đoạn vận hành và bảo trì, cần thực hiện kiểm tra và hiệu chuẩn thiết bị định kỳ, giám sát chất lượng tín hiệu truyền thông và xử lý kịp thời mọi bất thường. Ví dụ, nếu suy hao tín hiệu sóng mang vượt quá 30 dB hoặc tỷ lệ lỗi bit tăng lên trên 1×10⁻⁴, cần điều tra sự cố đường dây hoặc các nguồn nhiễu điện từ. Nếu cần thiết, điều chỉnh công suất phát (thông thường dao động từ –10 dBm đến 30 dBm) hoặc thay thế bộ ghép để đảm bảo vận hành ổn định của hệ thống. 

Để tăng cường độ ổn định truyền thông, các hệ thống HPLC thường áp dụng các phương án điều chế thích nghi, lựa chọn động chế độ điều chế dựa trên chất lượng kênh. Các phương án điều chế khác nhau có sự khác biệt về tốc độ dữ liệu, khả năng chống nhiễu và phạm vi phủ sóng, do đó cần cấu hình tối ưu theo dao động tải và điều kiện nhiễu trong khu vực biến áp. Ví dụ, có thể bật điều chế bậc cao vào ban đêm khi tải nhẹ và mức nhiễu thấp để cải thiện lưu lượng dữ liệu, trong khi chuyển sang chế độ mạnh mẽ vào giờ cao điểm ban ngày để đảm bảo độ tin cậy truyền thông. Bảng 1 liệt kê ba phương án điều chế phổ biến trong hệ thống HPLC cùng các đặc tính kỹ thuật, cung cấp tài liệu tham khảo cho việc cấu hình tham số tại hiện trường.

Bảng 1 So Sánh Đặc Tính Kỹ Thuật Của Các Phương Pháp Điều Chế Phổ Biến Cho HPLC

2.2 Thiết bị chuyển mạch thông minh
Nguyên lý của thiết bị chuyển mạch thông minh là đo dòng điện và điện áp ba pha, tính toán mất cân bằng tải theo thời gian thực, và khi mất cân bằng vượt quá ngưỡng đã đặt (thường là 10%–20%), điều khiển việc chuyển tải để cân bằng lại tải ba pha. Thiết bị này chủ yếu được áp dụng ở cuối khu vực biến áp, đặc biệt là trong các khu vực có tải đơn pha nặng.

Trong quá trình triển khai:
Đầu tiên, phải chọn vị trí lắp đặt phù hợp—như tại hộp nhánh hoặc phía hạ thế của biến áp phân phối—để đảm bảo thuận tiện cho việc xây dựng và bảo trì.
Thứ hai, cần tiến hành khảo sát hiện trường để hiểu rõ phân bố tải và cấu hình hợp lý công suất của công tắc (xem Bảng 2). Trong giai đoạn lắp đặt và vận hành thử, nên thực hiện các bài kiểm tra mô phỏng tải để tối ưu hóa chiến lược điều khiển và cài đặt bảo vệ; ví dụ, cài đặt bảo vệ quá dòng thường được thiết lập ở 1.2 lần dòng định mức.
Thứ ba, hệ thống giám sát hoạt động của khu vực biến áp phải được nâng cấp để cho phép trao đổi thông tin và điều khiển từ xa với thiết bị chuyển mạch.
Thứ tư, trong giai đoạn vận hành và bảo dưỡng, các bài kiểm tra phòng ngừa nên được thực hiện định kỳ trên công tắc để kịp thời phát hiện và khắc phục các lỗi tiềm ẩn như mòn cơ khí hoặc tiếp xúc kém, đảm bảo an toàn và đáng tin cậy trong vận hành. Ngoài ra, cần phân tích xu hướng biến đổi tải của khu vực biến áp một cách định kỳ để điều chỉnh logic điều khiển và cài đặt tham số của công tắc theo yêu cầu.

Bảng 2 Tham chiếu cấu hình công suất cho thiết bị chuyển mạch thông minh

2.3 Điều chỉnh điện áp tự động cho đường dây điện áp thấp
Nguyên lý cơ bản của điều chỉnh điện áp tự động cho đường dây điện áp thấp là đo điện áp và dòng điện của đường dây theo thời gian thực, tính toán các tham số như trở kháng đường dây và hệ số công suất, và tự động điều chỉnh vị trí của máy biến áp dựa trên sai lệch, để duy trì điện áp đầu ra trong phạm vi chấp nhận được. Thiết bị này chủ yếu được áp dụng trong mạng phân phối điện áp thấp, đặc biệt là ở những khu vực cuối đường dây nơi điện áp có xu hướng quá cao hoặc quá thấp.

Đầu tiên, phải chọn vị trí lắp đặt phù hợp—như bên điện áp thấp của máy biến áp phân phối hoặc tủ phân phối vòng—and tiến hành khảo sát hiện trường để hiểu bán kính cung cấp và phân bố người dùng dọc theo đường dây.
Thứ hai, phải xác định dung lượng của bộ điều chỉnh (xem Bảng 3) và chiến lược kiểm soát. Trong giai đoạn lắp đặt và vận hành thử, cần tiến hành các bài kiểm tra không tải và có tải để xác minh độ chính xác điều chỉnh điện áp (thông thường yêu cầu nằm trong ±1,5%) và thời gian phản hồi (thường không vượt quá 30 giây), cũng như để kiểm tra các chức năng bảo vệ như quá điện áp và thiếu điện áp.
Thứ ba, sau khi đưa vào sử dụng, cần thiết lập một hệ thống quản lý vận hành toàn diện, rõ ràng quy định yêu cầu về kiểm tra, vận hành và bảo dưỡng để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của bộ điều chỉnh. Ví dụ, nếu điện áp một pha liên tục chệch khỏi giá trị định mức ±7% trong 5 phút, hoặc nếu sự mất cân đối điện áp ba pha vượt quá 2%, nguyên nhân phải được xác định kịp thời và các biện pháp khắc phục được thực hiện. Phân tích dữ liệu vận hành cho thấy rằng các bộ điều chỉnh điện áp tự động được cấu hình đúng cách có thể cải thiện tỷ lệ tuân thủ điện áp của đường dây từ 5% đến 15%, giảm đáng kể tổn thất đường dây do vi phạm điện áp.

Bảng 3 Tham chiếu lựa chọn cho Bộ điều chỉnh điện áp tự động đường dây điện áp thấp

3.Ứng dụng Công nghệ

3.1 Bối cảnh và Vấn đề Mất Điện trên Đường Dây
Khu vực Biến áp A nằm ở trung tâm của một khu đô thị cũ, với bán kính cung cấp điện là 1,5 km, phục vụ 712 khách hàng dân cư và 86 khách hàng thương mại. Cơ sở hạ tầng phân phối chính của khu vực này bao gồm một biến áp phân phối loại S11-M.RL-400/10 có công suất định mức là 400 kVA; sáu đường dây ra thấp áp—hai đường với dây dẫn JKLGYJ-120 mm² và bốn đường với dây dẫn JKLGYJ-70 mm²—với độ dài trung bình mỗi mạch là 510 mét; ngoài ra, còn có bốn tủ phân phối vòng HXGN-12 và 18 tủ phân phối tích hợp thấp áp.

Trong những năm gần đây, do cải tạo đô thị cục bộ và mở rộng các cơ sở thương mại, tải trong khu vực biến áp này đã tăng liên tục. Ví dụ, vào năm 2018, tải đỉnh đạt 285 kW, với tiêu thụ điện tăng 7,6% so với cùng kỳ, nhưng tỷ lệ mất điện trên đường dây lên đến 9,7%, vượt xa mục tiêu quản lý là 6,5% trong cùng kỳ.

Qua kiểm tra thực tế, các vấn đề chính sau đây được phát hiện:

• Tiếp xúc kém tại các điểm kết nối của biến áp phân phối và đường dây gây ra hiện tượng nóng cục bộ và tổn thất thêm;

• Phân phối tải ba pha không đồng đều, với mức mất cân bằng tối đa đạt 18,2%;

• Một số người dùng tự ý đấu nối và trộm cắp điện;

• Thiết bị đo lường cũ kỹ với sai số đo vượt quá ±5%.

Những yếu tố này cùng góp phần làm cho tỷ lệ mất điện trên đường dây trong khu vực luôn cao, tạo ra thách thức quản lý nghiêm trọng.

3.2 Lựa chọn và Triển khai Công nghệ
Để giải quyết vấn đề mất điện trên đường dây trong Khu vực Biến áp A, một giải pháp tổng thể tích hợp truyền thông HPLC, công tắc chuyển pha thông minh và điều chỉnh điện áp tự động đã được triển khai sau khi đánh giá kỹ lưỡng.

Đầu tiên, các bộ ghép HPLC và mô-đun truyền thông được lắp đặt ở phía thấp áp của biến áp, và thiết bị tương ứng được triển khai tại mỗi hộp nhánh và đồng hồ người dùng, tạo nên mạng truyền thông tốc độ cao qua đường dây điện bao phủ toàn bộ khu vực biến áp. Mạng lưới này cho phép theo dõi trạng thái hoạt động theo thời gian thực, bao gồm điện áp, dòng điện, công suất trên thanh bus và nhánh, cũng như các chỉ số quan trọng khác như nhiệt độ thiết bị và méo hài. Nhân viên vận hành và bảo trì do đó có thể phát hiện kịp thời các bất thường. Hơn nữa, dữ liệu đo lường năng lượng chính xác cao đã cung cấp sự hỗ trợ vững chắc cho việc phân tích và quản lý mất điện trên đường dây.

Thứ hai, sáu đơn vị công tắc chuyển pha thông minh (có dòng điện hoạt động tối đa là 250 A) đã được lắp đặt tại các hộp nhánh chính và các vị trí tải quan trọng. Các công tắc này liên tục đo lường sự mất cân bằng dòng điện ba pha và tự động phân phối lại tải khi mất cân bằng vượt quá 15%, hiệu quả cân bằng ba pha. Các thử nghiệm thực tế đã xác nhận rằng các hành động chuyển đổi được hoàn thành trong vòng 30 ms, với quá trình chuyển đổi mượt mà, không gây gián đoạn cho người dùng. Ba tháng sau khi đưa vào sử dụng, tỷ lệ mất cân bằng ba pha trong khu vực giảm từ 18,2% xuống còn 6,5%, và tỷ lệ mất điện trên đường dây giảm 1,7%.

Thứ ba, để giải quyết vấn đề vi phạm điện áp ở cuối đường dây, một bộ điều chỉnh điện áp thông minh 200 kVA đã được lắp đặt cách biến áp 710 mét. Bộ điều chỉnh này chấp nhận dải điện áp đầu vào từ 210–430 V và duy trì điện áp đầu ra là 220 V ±2%. Nó tự động điều chỉnh tỷ lệ cuộn dây dựa trên các phép đo điện áp theo thời gian thực ở cuối đường dây, giữ cho điện áp cuối cùng luôn nằm trong phạm vi chấp nhận được. Từ khi đưa vào sử dụng, bộ điều chỉnh đã phản ứng nhanh chóng qua các đỉnh và đáy tải, nâng tỷ lệ tuân thủ điện áp tại chín điểm giám sát chính từ 87% lên hơn 98,5%.

Thông qua cách tiếp cận quản lý vòng kín “theo dõi–kiểm soát–tối ưu hóa”, các biện pháp này đã cải thiện đáng kể hiệu suất mất điện trên đường dây của Khu vực Biến áp A, đạt ước tính tiết kiệm năng lượng hàng năm khoảng 120.000 kWh, với lợi ích kinh tế đáng kể. Bảng so sánh các chỉ số chính được hiển thị trong Bảng 4.

Bảng 4 So sánh Chỉ số Chính của Khu vực A Trước và Sau Quản trị Tổng thể

Trong thực tế triển khai, cũng cần lưu ý các điểm sau:
Thứ nhất, về độ tin cậy giao tiếp HPLC, công suất truyền, mã hóa kênh và các tham số khác nên được cấu hình hợp lý theo điều kiện cụ thể của khu vực biến áp; nếu cần thiết, có thể sử dụng phương pháp trung chuyển để mở rộng khoảng cách giao tiếp.
Thứ hai, thời gian và logic liên kết của các hoạt động chuyển pha cần được cài đặt cẩn thận để tránh việc chuyển đổi quá mức hoặc sai lầm - ví dụ, công tắc có thể được cấu hình chỉ hoạt động khi mất cân đối vượt quá 15% và kéo dài trong 3 phút.
Thứ ba, việc lựa chọn và cấu hình dung lượng của bộ điều chỉnh điện áp phải bao gồm một biên độ nhất định để ngăn chặn các điều chỉnh thường xuyên có thể gây mòn cơ khí; xem Bảng 5 để biết hướng dẫn về việc lựa chọn và cấu hình bộ điều chỉnh điện áp tự động.

Bảng 5 Tham chiếu Lựa chọn Mô hình cho Bộ Điều Chỉnh Điện Áp Tự Động

Ngoài ra, một đội ngũ vận hành và bảo trì chất lượng cao cũng rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài của hệ thống. Chỉ bằng cách gắn kết chặt chẽ với nhu cầu thực tế, lựa chọn và tối ưu hóa giải pháp kỹ thuật theo điều kiện địa phương, và hỗ trợ chúng bằng cơ chế quản lý vững chắc, việc cải thiện liên tục trong quản trị tổn thất đường dây mới có thể thực sự đạt được.

4. Kết luận
Quản lý tổn thất đường dây trong các khu vực biến áp điện áp thấp có ý nghĩa lớn đối với việc cải thiện chất lượng cung cấp điện và hiệu quả kinh tế, và việc áp dụng công nghệ lưới điện thông minh cung cấp sự hỗ trợ mạnh mẽ trong vấn đề này. Trong công việc thực tế, các công nghệ như HPLC (High-Speed Power Line Communication), thiết bị chuyển pha thông minh, và bộ điều chỉnh điện áp tự động cho đường dây điện áp thấp đã trở thành những điểm tập trung nghiên cứu và triển khai chính. Với các công nghệ này, có thể thực hiện giám sát trạng thái hoạt động của khu vực biến áp theo thời gian thực, cân bằng tải ba pha động, và điều chỉnh chính xác điện áp đầu cuối.

Lấy ví dụ về Khu vực Biến áp A ở một thị trấn huyện nào đó, sau khi được cải tạo toàn diện, tỷ lệ tổn thất đường dây giảm từ 9,7% xuống còn 6,1%, và tỷ lệ tuân thủ điện áp tăng 11,5%, đạt được lợi ích kinh tế và xã hội đáng kể.

Tuy nhiên, vẫn còn những lĩnh vực cần cải thiện trong ứng dụng công nghệ hiện tại—ví dụ, nâng cao khả năng chống nhiễu trong giao tiếp và tinh chỉnh chiến lược kiểm soát tự thích ứng của thiết bị. Trông về tương lai, trọng tâm nên chuyển sang thiết kế tích hợp và kiểm soát phối hợp của các thiết bị thông minh, và khám phá sâu hơn các mô hình dự đoán tổn thất đường dây dựa trên dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo. Ngoài ra, việc đào tạo kỹ thuật nâng cao cho nhân viên vận hành và bảo trì là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài của hệ thống. Những biện pháp này sẽ mang lại các giải pháp quản lý tổn thất đường dây hiệu quả và bền vững hơn cho các khu vực biến áp điện áp thấp.