Thiết kế Hệ thống Điều khiển Thông minh cho Cầu dao Toàn bộ Kín trong Đường dây Điện lực

Tự động hóa đã trở thành định hướng phát triển quan trọng đối với các hệ thống điện. Là một bộ phận then chốt trong hệ thống điện, độ ổn định và an toàn của các tuyến đường dây phân phối 10 kV rất quan trọng đối với hoạt động tổng thể của lưới điện. Dao cách ly kín hoàn toàn, với tư cách là một trong những thiết bị chính trong mạng phân phối, đóng vai trò quan trọng; do đó, việc đạt được điều khiển thông minh và thiết kế tối ưu hóa cho thiết bị này có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao hiệu suất của các tuyến đường dây phân phối.

Bài báo này giới thiệu một hệ thống điều khiển thông minh dành cho các dao cách ly kín hoàn toàn dựa trên công nghệ trí tuệ nhân tạo, cho phép thực hiện các chức năng như điều khiển từ xa, giám sát trạng thái, cảnh báo sớm sự cố và các chức năng khác. Ngoài ra, thiết kế đã được tối ưu hóa nhằm giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành, từ đó cải thiện hiệu quả kinh tế cũng như tính bền vững môi trường của các tuyến đường dây phân phối.

1. Bối cảnh nghiên cứu: Đặc điểm của các đường dây phân phối 10 kV và các dao cách ly kín hoàn toàn
1.1 Đặc điểm và các vấn đề tồn tại của các đường dây phân phối 10 kV
Các đường dây phân phối 10 kV là thành phần cốt lõi trong hệ thống điện của Trung Quốc, đặc trưng bởi phạm vi phủ rộng, chiều dài tuyến lớn, số lượng nút nhiều và môi trường vận hành phức tạp. Những đặc điểm này gây ra một số thách thức. Trước tiên, do chiều dài lớn và số lượng nút nhiều nên việc vận hành và bảo trì gặp khó khăn, đòi hỏi nguồn nhân lực và tài nguyên đáng kể. Thứ hai, do môi trường vận hành phức tạp, các đường dây phân phối 10 kV rất dễ chịu ảnh hưởng từ các yếu tố tự nhiên và con người, dẫn đến tỷ lệ sự cố cao. Thứ ba, tổn thất truyền tải lớn dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao. Những vấn đề này đặt ra thách thức đối với vận hành ổn định của hệ thống điện và việc phân phối điện hiệu quả. Do đó, cần có các biện pháp hiệu quả để giải quyết những vấn đề này và cải thiện hiệu quả vận hành cũng như độ ổn định của các đường dây phân phối 10 kV.

1.2 Vai trò và đặc điểm của các dao cách ly kín hoàn toàn
Dao cách ly kín hoàn toàn là thiết bị điện quan trọng, có các đặc điểm như điều khiển từ xa, giám sát trạng thái, cảnh báo sớm sự cố, kích thước nhỏ gọn và tuổi thọ dài. Chúng được sử dụng rộng rãi trong mạng phân phối để thực hiện các chức năng phân đoạn, liên kết và chuyển mạch. Các dao cách ly này nâng cao hiệu quả vận hành, cho phép giám sát thời gian thực trạng thái công tắc, cung cấp dữ liệu hỗ trợ cho nhân viên bảo trì, đưa ra cảnh báo kịp thời khi phát hiện tình trạng bất thường, đồng thời thuận tiện trong lắp đặt và bảo trì. Thiết kế kín hoàn toàn giúp chắn hiệu quả các tác động từ môi trường bên ngoài, kéo dài tuổi thọ thiết bị.

1.3 Các vấn đề tồn tại của các dao cách ly kín hoàn toàn hiện nay
Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng các sản phẩm đang có trên thị trường vẫn còn một số hạn chế. Trước hết, độ chính xác điều khiển từ xa chưa đủ cao, có thể dẫn đến thao tác không đúng hoặc không hoạt động, ảnh hưởng đến độ ổn định của hệ thống điện. Thứ hai, phạm vi giám sát trạng thái còn hạn chế và không thể phản ánh đầy đủ trạng thái vận hành thực tế, gây khó khăn cho nhân viên bảo trì. Thứ ba, do thiết kế chưa hợp lý và lựa chọn vật liệu chưa tối ưu nên mức tiêu thụ năng lượng vẫn còn tương đối cao, không thuận lợi cho tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải. Vì vậy, cần phải cải tiến và tối ưu hóa để nâng cao hiệu suất và chất lượng của các dao cách ly kín hoàn toàn.

2. Kiến trúc hệ thống điều khiển thông minh dựa trên AI cho dao cách ly kín hoàn toàn
Thiết kế kiến trúc hệ thống điều khiển thông minh
Hệ thống điều khiển thông minh là thành phần cốt lõi nhằm đạt được hoạt động tự động hóa và thông minh của thiết bị. Để đáp ứng yêu cầu điều khiển và nâng cao hiệu quả vận hành, bài báo này đề xuất một kiến trúc hệ thống điều khiển thông minh bao gồm các cảm biến, mô-đun thu thập dữ liệu, mô-đun xử lý dữ liệu, mô-đun điều khiển và các cơ cấu chấp hành.

2.1 Thành phần và chức năng của hệ thống phần cứng
Hệ thống điều khiển thông minh bao gồm các cảm biến, mô-đun thu thập dữ liệu, mô-đun xử lý dữ liệu, mô-đun điều khiển và các cơ cấu chấp hành. Các cảm biến đóng vai trò như cơ quan cảm giác của hệ thống, liên tục giám sát trạng thái thiết bị và các thông số môi trường. Mô-đun thu thập dữ liệu tiền xử lý dữ liệu cảm biến và truyền tới mô-đun xử lý dữ liệu. Mô-đun xử lý dữ liệu thực hiện phân tích theo thời gian thực và xây dựng các chiến lược điều khiển dựa trên kết quả phân tích cùng mục tiêu điều khiển. Mô-đun điều khiển tạo ra các lệnh điều khiển tương ứng, và các cơ cấu chấp hành thực hiện các hành động điều khiển chính xác. Thông qua sự phối hợp vận hành của các thành phần này, hệ thống đạt được hoạt động tự động hóa và thông minh của thiết bị, nâng cao hiệu quả và hiệu suất.

2.2 Triển khai phần mềm và quy trình làm việc
Thành phần phần mềm của hệ thống điều khiển thông minh đề xuất bao gồm thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu, xây dựng chiến lược điều khiển và điều khiển thực thi:
(1) Các cảm biến liên tục giám sát trạng thái thiết bị và các thông số môi trường, truyền dữ liệu đến mô-đun thu thập dữ liệu để tiền xử lý.
(2) Mô-đun xử lý dữ liệu phân tích dữ liệu đã tiền xử lý theo thời gian thực, trích xuất thông tin hữu ích và xây dựng chiến lược điều khiển dựa trên kết quả phân tích và mục tiêu điều khiển. Mô-đun điều khiển xuất lệnh tương ứng, và các cơ cấu chấp hành điều khiển chính xác thiết bị, cho phép vận hành tự động hóa và thông minh. Quy trình làm việc này đảm bảo thiết bị có thể tự động điều chỉnh theo dữ liệu thời gian thực và điều kiện môi trường, cải thiện hiệu quả và chất lượng vận hành.

3. Thiết kế tối ưu hóa cho dao cách ly kín hoàn toàn
3.1 Mục tiêu và phương pháp tối ưu hóa
Xác định rõ ràng các mục tiêu tối ưu hóa—ví dụ như nâng cao hiệu quả vận hành, giảm tiêu thụ năng lượng và tăng cường độ ổn định—là điều kiện tiên quyết cho thiết kế hệ thống thông minh. Sau đó, lựa chọn các phương pháp thiết kế phù hợp, bao gồm thiết kế dựa trên mô hình, các thuật toán tối ưu hóa và trí tuệ nhân tạo, nhằm tìm ra giải pháp tối ưu khi xem xét nhiều yếu tố.

3.2 Lựa chọn vật liệu và thiết kế cấu trúc
Sau khi xác lập mục tiêu và phương pháp tối ưu hóa, bước tiếp theo là lựa chọn vật liệu và thiết kế cấu trúc. Việc lựa chọn vật liệu cần cân nhắc về hiệu suất, chi phí và độ tin cậy để đáp ứng các yêu cầu thực tế. Thiết kế cấu trúc cần xem xét về hình dạng, kích thước, trọng lượng và khả năng tương thích với các thiết bị khác, hướng tới sự đơn giản và nhỏ gọn nhằm cải thiện khả năng bảo trì và thao tác.

3.3 Đánh giá hiệu suất và xác nhận thực nghiệm
Sau thiết kế vật liệu và cấu trúc, đánh giá hiệu suất và xác nhận thực nghiệm được tiến hành. Đánh giá hiệu suất sử dụng mô phỏng và mô hình hóa máy tính để dự đoán hành vi, trong khi xác nhận thực nghiệm liên quan đến hoạt động thực tế để thu thập dữ liệu hiệu suất. Xác nhận thực nghiệm là rất quan trọng để đảm bảo thiết kế đáp ứng nhu cầu thực tế và đại diện cho bước cuối cùng trong việc phát triển hệ thống điều khiển thông minh.

4.Thực hiện và xác nhận thực nghiệm của Hệ thống Điều khiển Thông minh
4.1Thực hiện và xác nhận chức năng điều khiển từ xa
Điều khiển từ xa, một tính năng chính của hệ thống thông minh, cho phép vận hành thiết bị qua internet hoặc mạng không dây.
(1) Một mô-đun điều khiển từ xa được tích hợp, hỗ trợ nhận lệnh từ xa, phân tích cú pháp và thực thi.
(2) Các thử nghiệm thực nghiệm xác nhận độ chính xác và ổn định của điều khiển từ xa. Kết quả xác nhận hệ thống giải thích và thực thi lệnh đúng với phản hồi kịp thời và tốc độ phù hợp.

4.3 Thực hiện và xác nhận chức năng theo dõi trạng thái
Theo dõi trạng thái cho phép theo dõi trạng thái thiết bị theo thời gian thực và phát hiện sớm bất thường.
(1) Các cảm biến và mô-đun thu thập dữ liệu được tích hợp để liên tục thu thập dữ liệu hoạt động.
(2) Mô-đun xử lý và phân tích dữ liệu đánh giá dữ liệu để xác định trạng thái bình thường hay bất thường.
(3) Các thí nghiệm xác nhận độ chính xác và độ tin cậy của theo dõi. Kết quả chứng tỏ theo dõi trạng thái theo thời gian thực và cảnh báo hoặc hành động khắc phục kịp thời khi có bất thường.

4.4 Thực hiện và xác nhận chức năng cảnh báo sớm lỗi
Cảnh báo sớm lỗi phát hiện các lỗi tiềm ẩn trước khi chúng xảy ra, giảm thiểu ảnh hưởng đến sản xuất và cuộc sống hàng ngày.
(1) Một mô-đun cảnh báo sớm lỗi được tích hợp, bao gồm khả năng phát hiện lỗi, chẩn đoán và cảnh báo.
(2) Các thí nghiệm xác nhận tính kịp thời và độ chính xác của các cảnh báo. Kết quả cho thấy hệ thống đáng tin cậy dự đoán và cảnh báo cho người vận hành về các lỗi sắp xảy ra với thông báo chính xác và có thể hành động.

4.5 Đánh giá hiệu suất hệ thống và phân tích kết quả thực nghiệm
Sau khi xác nhận chức năng điều khiển từ xa, theo dõi trạng thái và cảnh báo lỗi, hiệu suất tổng thể của hệ thống được đánh giá dựa trên sự ổn định, độ tin cậy, độ chính xác và tốc độ phản hồi. Phân tích kết quả thực nghiệm xác định các vấn đề tiềm ẩn và khu vực cần cải thiện, cung cấp hướng dẫn cho sự phát triển trong tương lai.

5.Kết luận
Bằng cách thực hiện hệ thống điều khiển thông minh dựa trên trí tuệ nhân tạo, các công tắc ngắt hoàn toàn kín có thể đạt được điều khiển từ xa, theo dõi trạng thái và cảnh báo sớm lỗi, do đó nâng cao sự ổn định và an toàn của đường dây phân phối. Đồng thời, thiết kế tối ưu giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành, cải thiện hiệu quả kinh tế và bền vững môi trường.