Từ lưới điện truyền thống tới lưới điện thông minh bằng công nghệ tự động hóa điều tiết phụ tải của Honeywell

Từ lưới điện truyền thống tới lưới điện thông minh bằng công nghệ tự động hóa điều tiết phụ tải của Honeywell Lưới điện thông minh với cấu trúc cải tiến và khả năng quản lý chặt chẽ thông số lưới điện, đóng vai trò chất xúc tác mạnh cho quá trình chuyển đổi phương thức quản lý lưới điện cũng như cách thức tiếp cận tới khách hàng của mình. Với công nghệ tự động hóa điều tiết phụ tải của Honeywell cho phép các công ty điện lực hạn chế việc gián đoạn cấp điện bằng cách đồng hành cùng với khách hàng của mình trong việc quản lý nhu cầu tiêu thụ điện năng. Đối với các tòa nhà, nhờ tăng cường khả năng giám sát và điều khiển, lưới điện thông minh cho phép các công ty điện lực hiểu được thói quen sử dụng điện năng của khách hàng, cũng như số tiền mà công ty điện lực đã yêu cầu khách hàng chi trả cho lượng điện năng đó. Tác giả: Ed Koch (1) và Roy Kosala (2) 1 Đồng sáng lập và Giám đốc kỹ thuật của Akuacom, công ty được Honeywell mua lại vào năm 2010 2- Giám đốc phụ trách tích hợp các hệ thống mở của Công ty Honeywell Building Solutions Do vậy, khi càng nhiều công ty điện lực ứng dụng lưới điện thông minh, các nhà quản trị cơ sở vật chất (của khách hàng) càng có điều kiện tận dụng các lợi thế của nó, bao gồm không chỉ nắm được kịp thời sự thay đổi điện năng tiêu thụ và chi phí tương ứng, mà còn gia tăng thêm quyền lựa chọn về thời điểm và cách thức ứng phó với sự thay đổi nhu cầu điện năng đó. Thông qua các hệ thống tự động và điều khiển tòa nhà thông minh, các doanh nghiệp trong lĩnh vực kinh doanh cũng như công nghiệp có thể tận dụng tối đa tiềm năng tiết kiệm điện năng tiêu thụ với mức đầu tư ít nhất. Bối cảnh mới và những vận hội Trên phạm vi toàn quốc, lưới điện thông minh cho phép các công ty điện lực áp dụng các cơ cấu tính giá động, trong đó có tính toán tới liên hệ giữa tổng lượng điện năng tiêu thụ cùng với chi phí truyền tải điện năng, điều mà các hộ tiêu thụ điện sẽ cần phải quan tâm. Đối với các khách hàng công nghiệp và thương mại, giá điện có thể tăng cao gấp 10 hoặc cao hơn trong những ngày phụ tải cao điểm trong năm. Với việc các hệ thống tính giá này ngày càng được đưa vào sử dụng rộng rãi, các giải pháp như các phần mềm tự động điều chỉnh nhu cầu phụ tải, sử dụng để điều chỉnh mức sử dụng điện năng trong tòa nhà tùy theo thông số giá năng lượng và tín hiệu độ tin cậy cấp điện, sẽ càng ngày càng sẵn có và thuận tiện sử dụng cho các cơ sở công nghiệp và thương mại. Các phần mềm này có thể làm việc lặp lại theo chu trình, khả năng quản lý nhiều đối tượng, mềm dẻo và không cần sự tham gia của người vận hành. Việc này giúp giảm thiểu đáng kể yêu cầu nguồn lực con người, giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng và đạt tối đa chi phí tiết kiệm khi sử dụng điện vào giờ cao điểm, làm động lực cho tăng trưởng doanh thu của đơn vị trong tương lai. Các nỗ lực xây dựng các chuẩn cho lưới điện thông minh cũng là nhân tố thúc đẩy mạnh việc ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Ủy ban quản lý năng lượng liên bang Mỹ (FERC) cùng với Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia (NIST) đã sớm nhận thấy nhu cầu cần chuẩn hóa các tín hiệu điều chỉnh nhu cầu điện năng để tạo điều kiện cho sự tham gia rộng rãi hơn của các tổ chức khác. NIST cũng đã phê chuẩn bản kế hoạch hành động ưu tiên (PAP09) dựa trên nhu cầu chuẩn hóa các tín hiệu trong bài toán điều chỉnh nhu cầu điện năng. Nhiều tổ chức cũng đã hưởng ứng lời kêu gọi này, trong số đó có Tổ chức Phát triển Tiêu chuẩn cho thông tin có cấu trúc (OASIS), một hiệp hội phi lợi nhuận hướng tới sự phát triển, thống nhất và đồng thuận phê chuẩn các tiêu chuẩn mở của lưới điện thông minh. Bản thân OASIS cũng đã xây dựng một chuẩn về Tương tác năng lượng (Energy Interoperation), hiện đang trong quá trình lấy ý kiến đóng góp và chờ phê chuẩn. Phiên bản đầu tiên của chuẩn Tương tác năng lượng OASIS này là bản đặc tính kỹ thuật (Specification) OpenADR1.0, là kết quả của một dự án chung vào năm 2002 giữa Trung tâm Nghiên cứu về Điều chỉnh nhu cầu điện năng (DRRC) và bang California nhằm thiết lập một bản thông số giao tiếp mở cho việc tự động hóa các hệ thống điều chỉnh nhu cầu điện năng. Hiệp hội các công ty điện lực công California và các công ty điện lực khác bắt đầu áp dụng rộng rãi bộ thông số quy chuẩn trên từ 2007. Vào cùng năm đó, NIST cũng đã xác định mục tiêu thực hiện truyền dẫn giao tiếp giữa các lưới điện thông minh thông qua mạng Internet vào lộ trình của mình và Bộ thông số OpenADR1.0 đóng vai trò chủ chốt. Cùng thời gian đó, OpenADR1.0 cũng đã được chấp nhận rộng rãi trong ngành công nghiệp điều khiển. Ví dụ, công ty Akuacom, một nhà cung cấp các thiết bị công nghệ dựa trên chuẩn OpenADR, thuộc tập đoàn Honeywell đã cung cấp một chương trình phát triển cho máy khách nhằm giúp các nhà cung cấp có khả năng xây dựng, kiểm tra và trình diễn khả năng thu nhận và xử lý tín hiệu giao tiếp dựa trên chuẩn OpenADR. Hiện tại chương trình này được sử dụng bởi hơn 100 nhà cung cấp thiết bị. Thư viện thông điệp (message) của OpenADR hiện vẫn tiếp tục được phát triển thông qua các nỗ lực xây dựng chuẩn lưới điện thông minh của NIST và bộ chuẩn Tương tác năng lượng của OASIS. Tương tự các bộ tiêu chuẩn được thiết lập trong ngành công nghiệp xây dựng, xu hướng này sẽ dẫn tới sự ra đời của các chuẩn mở vì những lợi ích lớn lao mà nó mang lại. Nó bao gồm đảm bảo khả năng làm việc tương thích giữa các hệ thống và thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau cũng như ngăn chặn khả năng lạc hậu nhanh chóng của hạ tầng cơ sở đã đầu tư do phát triển công nghệ và khả năng tương thích của công nghệ đã đầu tư trong tương lai. Các bộ tiêu chuẩn mở này cũng đảm bảo các thiết bị công nghệ và hệ thống phần mềm khác nhau đang có trong thực tế có thể làm việc tương thích với nhau nhằm kéo những tiện ích của lưới điện thông minh tới gần hơn với các khách hàng công nghiệp và thương mại vốn đang được quản lý bởi rất nhiều các chủng loại hệ thống tự động hóa tòa nhà và điều khiển khác nhau. Sự đầu tư cho thành công Lựa chọn sử dụng các chương trình điều tiết nhu cầu điện năng tự động với việc thiết lập một cổng thông tin (gateway) liên lạc giữa công ty điện lực và khách hàng thông qua mạng internet chỉ là bước đầu tiên trong lộ trình tham gia của khách hàng vào chương trình này. Khách hàng còn cần thiết xem xét tới yêu cầu cần có đối với hạ tầng cơ sở kỹ thuật của mình nhằm đảm bảo khả năng tiếp nhận và thực thi các tín hiệu điều chỉnh phản ứng phụ tải với thông tin về giá năng lượng nhận được. Một kiến trúc điều khiển tòa nhà được thiết lập đúng sẽ tạo nên mối tương quan chặt chẽ giữa lượng điện năng sa thải của khách hàng đối với sự thay đổi giá điện của công ty điện lực cũng như các tín hiệu điều chỉnh nhu cầu điện năng. Với tập thư viện thông điệp (message) OpenADR, công ty điện lực sẽ sử dụng phần mềm tự động điều chỉnh nhu cầu điện năng để gửi các thông tin về giá điện cũng như độ tin cậy cấp điện hiện tại thông qua mạng internet tới cổng thông tin (gateway) OpenADR của khách hàng. Các bộ điều khiển sẽ tiếp nhận và xử lý các thông điệp này, khởi chạy các chương trình sa thải phụ tải đã thiết lập sẵn, áp đặt chế độ làm việc của hệ thống sang chế độ làm việc mới đã được dự kiến trước, tiết kiệm hơn chế độ hiện tại. Các nhà cung cấp dịch vụ năng lượng có thể giúp các khách hàng này kiểm toán lượng năng lượng cũng như thiết kế và lắp đặt hệ thống điều khiển giao tiếp 2 chiều. **API: Giao diện lập trình ứng dụng Ví dụ, nếu trường hợp giá điện có mức cao nhất trong khoảng thời gian từ 15 giờ tới 16 giờ, bộ điều kiển có trang bị chức năng điều chỉnh nhu cầu điện năng sẽ hạn chế sử dụng điện của một số các thiết bị chọn trước trong khoảng thời gian này, dựa trên bộ thông số đã xác lập trước và sẽ tiết kiệm chi phí điện năng cho hệ thống điện của khách hàng. Quá trình này có thể bao gồm: giảm cường độ sáng của đèn, tăng điểm đặt nhiệt độ hoặc đưa điều hòa vào chế độ làm việc lặp lại theo chu kỳ. Các công ty dịch vụ năng lượng có thể giúp khách hàng thiết lập chiến lược sa thải phụ tải để tối đa hóa lượng tiết kiệm cũng như ngăn chặn nguy cơ gián đoạn quá trình làm việc bình thường của khách hàng trong quá trình chuyển đổi chế độ làm việc của phụ tải điện. Chẳng hạn, một công ty phân phối kem hầu như sẽ không cho phép cắt giảm điện năng tiêu thụ cho các hệ thống làm lạnh trong các kho hàng của mình, trong khi kho chứa hàng của công ty kinh doanh giấy lại hoàn toàn có thể thực hiện được mà hầu như không làm gián đoạn tới quy trình sản xuất thông thường của hệ thống. Tuy vậy, ít nhất đối với cả hai cơ sở trên, đều có thể làm được một động tác, đó là tăng điểm đặt nhiệt cho các máy điều hòa không khí của mình lên 2 độ. Trong khi phần lớn cơ sở hạ tầng của khách hàng hiện tại đều thiếu các thiết bị tự động hóa tòa nhà cần thiết, các nhà quản trị cơ sở vật chất, bằng cách lựa chọn tham gia vào chương trình phát triển lưới điện thông minh vào thời điểm này sẽ nhận được cơ hội nâng cấp hệ thống với một chi phí thấp hơn hoặc miễn phí hoàn toàn, cùng với dịch vụ lắp đặt chuyên nghiệp- dịch vụ phụ thêm cho việc tham gia chương trình, ở nhiều cấp độ. Kết nối internet để khách hàng có thể tiếp nhận các tín hiệu từ phía công ty điện lực có thể ở dạng kết nối có dây hoặc không dây (wireless) hoặc kết nối theo ô lưới (cellular connection). Từng lựa chọn đều có ưu nhược điểm của mình và tùy thuộc vào nhu cầu của khách hàng và các khách hàng cần tham khảo tư vấn của các công ty dịch vụ năng lượng để nghiên cứu xem xét từng phương án. Chẳng hạn, kết nối có dây thông thường có độ tin cậy cao hơn, trong khi kết nối ô lưới có thể có chi phí đầu tư cao hơn do yêu cầu xây dựng chiến lược quy hoạch lưới dữ liệu (cellular data plan) cho hệ thống. Các nhà quản trị cơ sở vật chất của khách hàng thông thường sẽ được khuyến cáo sử dụng hệ thống truyền tin thông qua các giao thức mở trong đó có tích hợp tín hiệu chuẩn OpenADR của công ty điện lực cùng với điều khiển BACnet hiện trường (onsite BACnet controls). Giao thức mở BACnet có tính mềm dẻo, cho phép nâng cấp hệ thống trong tương lai hoặc thay mới các bộ điều khiển toà nhà, cho phép khả năng tương thích của toàn hệ thống trong tương lai. Các thiết bị hỗ trợ BACnet, cũng giống như các thiết bị sử dụng ADR khác, có thể quản lý năng lượng tiêu thụ của các hệ thống điều khiển kết nối vào và gửi báo cáo thời gian thực về hiệu suất sử dụng năng lượng tới màn hình điều khiển và cho phép thu thập thông tin về xu thế tiêu thụ năng lượng của toàn hệ thống. Một lợi thế quan trọng khác của BACnet đó là có thể cho phép các nhà quản trị cơ sở vật chất xác định các mức ưu tiên khác nhau cho các phụ tải, tối đa tới 16 mức, để sử dụng cho các kịch bản sa thải phụ tải tự động khách nhau. Điều này mang lại nhiều lựa chọn hơn trong việc đưa ra phản ứng với tín hiệu nhận được từ công ty điện lực. Ví dụ, một nhà quản trị cơ sở vật chất có thể chia việc tiêu thụ năng lượng thành các nhóm tương ứng với các bậc trong thang giá điện khác nhau, và chỉ rõ phụ tải nào sẽ tương ứng với từng mức giá đó. Trong phần lớn các trường hợp, các phụ tải ưu tiên có mức ưu tiên đặc biệt, ví dụ hệ thống đảm bảo an ninh và thoát hiểm, sẽ không bị cắt tải ngay cả trong trường hợp có sự thay đổi về giá điện. Cuối cùng, nhà quản trị cơ sở vật chất cần thiết lập phương thức quản lý tác động của chương trình điều chỉnh nhu cầu điện năng tới năng lượng tiêu thụ chung của toàn hệ thống. Một cấu trúc hợp lý sẽ tạo điều kiện xác định đúng xu thế tiêu thụ năng lượng tòa nhà và xác định được các đối sách để cải thiện hiệu năng sử dụng năng lượng đã có. Một tòa nhà có trang bị sẵn hệ thống tự động hóa tòa nhà có thể chỉ cần đầu tư thêm một trình điều khiển (driver) giao thức mở và bộ logic điều khiển ghi xóa tạm thời (temporary override control logic). Hoặc, có thể đơn giản chỉ là lắp đặt thiết bị ADR cùng với rơ le kiểu input/output và sử dụng bộ điều khiển DDC độc lập. Công trình tiêu biểu ứng dụng công nghệ điều tiết tự động phụ tải của Honeywell Nam California là ví dụ tiêu biểu và điển hình cho ứng dụng chương trình tự động điều chỉnh nhu cầu điện năng. Với một chương trình tự động điều chỉnh nhu cầu điện năng đầy tham vọng đã cho phép tăng cường khả năng tự động hóa và tạo ra tiềm năng lớn hơn trong việc giảm bớt nhu cầu phụ tải. Hệ thống này cho phép công ty điện lực California quản lý trên 160MW công suất phụ tải. Một trong những khách hàng đã tham gia vào chương trình này chính là South Orange County, chi nhánh California của Công ty dịch vụ lưu trữ, thanh toán đơn hàng (fulfillment service company) Guthy Renker (GFRS). Khi công ty điện lực California đưa vào áp dụng cấu trúc giá điện bậc thang mới, trong đó điều chỉnh tăng giá điện từ 0,13 đô la/kWh lúc thấp điểm tới 1,49 đô la/kWh lúc cao điểm, công ty đã tham gia vào chương trình tự động điều chỉnh nhu cầu điện năng. Thông qua chương trình này, GRFS đã làm việc với công ty dịch vụ năng lượng Honeywell để nghiên cứu hạn chế điện năng tiêu thụ và tiết giảm chi phí vận hành trong một khu vực diện tích 21’1150m2. Honeywell đã sử dụng tiền của Quỹ đầu tư phát triển Lưới điện thông minh của Bộ năng lượng Mỹ, kết hợp với hỗ trợ giảm chi phí từ công ty điện lực địa phương, GRFS đã thực hiện những nâng cấp cơ sở hạ tầng cần thiết của mình để tham gia vào chương trình tự động điều chỉnh nhu cầu điện năng với một chi phí rất thấp. Các công việc chuẩn bị ban đầu gồm thiết kế một hệ thống điều khiển và chiến lược sa thải phụ tải phù hợp yêu cầu kinh doanh của công ty. Trước khi tham gia chương trình, GRFS không trang bị hệ thống tự động điều khiển tòa nhà và phải thực hiện điều chỉnh tất cả thiết bị của hệ thống điện bằng tay. Các hệ thống điều khiển khác nhau trong công ty hoạt động tách biệt với nhau và thiếu hẳn các chức năng giám sát, do đó các nhân viên quản trị cơ sở vật chất không thể phát hiện được các trường hợp phụ tải tiêu thụ tăng cao cũng như tìm ra các khâu để cải thiện. Chẳng hạn, hệ thống điều hiển HVAC của công ty bao gồm 45 bộ HVAC đơn vị kết nối với 45 bộ điều nhiệt (thermostat) khả trình độc lập. Công ty đã chia các bộ điều nhiệt này thành 3 nhóm 17, 12 và 15 bộ phân bố rải rác trong mặt bằng công ty, vốn sẽ yêu cầu phải thực hiện một bài tập thể dục cực nhọc trong trường hợp muốn thực hiện điều chỉnh phụ tải điện. 29 bộ nạp điện của công ty cũng làm việc độc lập và yêu cầu điều chỉnh bằng tay trong trường hợp cần thiết tiết giảm phụ tải điện. Một tủ điều chiếu sáng, điều khiển đóng cắt hệ thống chiếu sáng T5 và T8; tuy nhiên, cũng yêu cầu thao tác bằng tay. Ngoài ra, các công tắc điều khiển các hệ thống chiếu sáng khác, tất cả cũng yêu cầu các nhân viên của công ty phải thủ công thực hiện đóng cắt bằng tay. Như một phần của chương trình tự động điều chỉnh nhu cầu điện năng, GRFS đã làm việc với nhà cung cấp dịch vụ năng lượng để xác định các khu vực cần thiết nâng cấp và tích hợp hệ thống. GRFS sau đó xây dụng chiến lược sa thải phụ tải hợp lý của mình đảm bảo không ảnh hưởng tới quá trình vận hành cốt lõi của doanh nghiệp. Quá trình rà soát cho thấy hệ thống chiếu sáng và HVAC, cùng với bộ nạp điện của công ty là những phụ tải tiêu thụ năng lượng nhiều nhất và có tiềm năng lớn nhất thực hiện tiết kiệm năng lượng. Bước tiếp theo là tích hợp một loạt các công nghệ điều khiển tòa nhà thông minh, bao gồm một bộ điều khiển cổng thông tin (gateway) OpenADR và hệ thống quản lý năng lượng (Enery Management System). Các hệ thống này cho phép tập trung hóa quản lý các hệ thống điện khác nhau của công ty cũng như các thao tác tiết giảm phụ tải của công ty trong trường hợp có tín hiệu điều chỉnh nhu cầu điện năng của công ty điện lực gửi đến mà không yêu cầu sự can thiệp của các nhân viên quản trị cơ sở vật chất. GRFS cũng lựa chọn lắp đặt hệ thống giám sát, điều khiển từ xa hệ thống nạp điện và bộ điều nhiệt cho hệ thống HVAC của mình. Hệ thống này cung cấp một hệ thống quản lý duy nhất cho phép điều khiển và giám sát thời gian thực năng lượng tiêu thụ của tòa nhà và đồ thị phụ tải trung bình tòa nhà trong ngày. Hình 2: Hình chụp màn hình cho thấy đường tiêu thụ năng lượng thời gian thực (đỏ) và đường đồ thị phụ tải trung bình (xanh) của công ty Guthy Renker, chụp từ phần mềm tự động điều chỉnh nhu cầu điện năng. Hệ thống điều khiển và công nghệ nâng cấp này cho phép nhiệt độ tòa nhà có thể tự động tăng nhẹ trong giờ điện giá cao. Bộ phận nạp điện cũng được GFRS thiết lập sẵn chế độ sa thải trong thời gian này. Cuối cùng, hệ thống mới này cho phép phần lớn hệ thống chiếu sáng của công ty ở khu vực sản xuất tự động tắt nếu có tín hiệu điều chỉnh nhu cầu điện năng xảy ra ngoài giờ làm việc. Trong hè 2010, GRFS đã tiết kiệm được khoảng 8.000 Đô la chỉ riêng cho việc áp dụng chiến lược sa thải phụ tải như trên trong trường hợp có yêu cầu điều chỉnh nhu cầu phụ tải từ công ty điện lực. Riêng trong một ngày nóng của mùa hè này, hệ thống tự động điều chỉnh nhu cầu điện năng đã cắt giảm ít nhất 146kW và duy trì mức cắt giảm này suốt 4 giờ sau đó- một mức cao hơn nhiều với trị số cắt giảm 96 kW đo được trong quá trình kiểm định sau khi lắp đặt hệ thống. Với các công nghệ nâng cấp ở giai đoạn đầu này, cùng với các dữ liệu vận hành thời gian thực thu thập được đã khuyến khích GRFS nghiên cứu tìm ra giải pháp để có thể cắt giảm hơn nữa mức tiêu thụ điện năng. Ví dụ, GRFS đang dự định lắp đặt hệ thống điều hòa không khí để làm mát các khu vực khác nhau trong khuôn viên và sử dụng hệ thống chiếu sáng tự nhiên để cắt giảm hơn nữa phụ tải chiếu sáng của công ty. Tương lai bền vững Lưới điện thông minh mang tới nhiều tiềm năng cắt giảm chi phí sử dụng điện năng, bao gồm cả những lợi ích từ các chương trình tự động điều chỉnh nhu cầu phụ tải, nếu như biết cách sử dụng đúng. Với chi phí đầu tư ban đầu không lớn do có sự hỗ trợ từ phía chính phủ và các tổ chức của các công ty trong công nghiệp, đây chính là thời điểm để các nhà quản trị cơ sở vật chất tận dụng ưu thế của chương trình này. Nó sẽ giúp đưa công ty vượt lên trên trong cuộc cạnh tranh cũng như đảm bảo tương lai bền vững cho công việc kinh doanh phía trước.