Nhu cầu bảo đảm vận hành an toàn lưới điện phân phối đang đặt ra áp lực ngày càng lớn trong bối cảnh phụ tải tăng nhanh, mật độ thiết bị dày đặc và điều kiện môi trường vận hành ngày càng khắc nghiệt.
Thực tế này đòi hỏi những giải pháp giám sát thông minh, chi phí hợp lý, dễ triển khai trên diện rộng. Từ yêu cầu đó, nhóm tác giả do TS. Phạm Duy Phong – Trưởng khoa cùng TS. Đặng Trung Hiếu, ThS. Vũ Ngọc Châm đến từ Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Điện lực đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống giám sát trạm biến áp (TBA) hạ thế từ xa qua mạng thông tin di động GPRS/3G trên nền WebServer, hướng tới mục tiêu cảnh báo sớm và phòng chống cháy nổ.
Áp lực giám sát an toàn từ thực tiễn vận hành lưới hạ thế
Lưới điện phân phối Việt Nam đang phát triển với tốc độ cao, gắn liền với quá trình đô thị hóa và mở rộng phụ tải công nghiệp, dịch vụ. Phụ tải điện tăng trung bình 8 - 10% mỗi năm, kéo theo số lượng TBA hạ thế ngày càng lớn, theo số liệu của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, hiện các tổng công ty điện lực đang quản lý hơn 180.000 TBA hạ thế trải rộng trên nhiều địa bàn, từ đô thị đến nông thôn, miền núi, hải đảo.
Tuy nhiên, phần lớn các TBA hạ thế hiện nay có mức độ tự động hóa thấp, cùng với đó công tác theo dõi tình trạng vận hành vẫn dựa nhiều vào kiểm tra định kỳ thủ công. Khoảng trống về giám sát thời gian thực khiến việc phát hiện sớm các nguy cơ mất an toàn như quá tải, mất cân bằng pha, tiếp xúc kém, phát nhiệt cục bộ hay ẩm ướt trong tủ điện gặp nhiều hạn chế.
TS Phạm Duy Phong trình bày nghiên cứu tại Hội thảo khoa học quốc gia “Bảo đảm an toàn điện góp phần phòng cháy, chữa cháy ở Việt Nam hiện nay” diễn ra vào ngày 26/12/2025 tại Hà Nội
TS Phạm Duy Phong, Trưởng khoa Điện tử - Viễn thông cho biết, theo số liệu thống kê các năm trước cho thấy đã ghi nhận nhiều sự cố cháy nổ tại TBA hạ áp, trong đó nguyên nhân chủ yếu liên quan đến quá tải, điểm tiếp xúc sinh nhiệt, suy giảm cách điện do môi trường nhiệt độ, độ ẩm cao. Các nghiên cứu kỹ thuật cũng chỉ ra rằng khi nhiệt độ tăng, điện trở tiếp xúc tăng theo, làm gia tăng phát nhiệt; trong khi độ ẩm cao làm suy giảm đặc tính cách điện và kích hoạt phóng điện bề mặt. Tiêu chuẩn quốc tế về thiết bị đóng cắt cũng nhấn mạnh điều kiện môi trường là yếu tố quyết định an toàn vận hành.
Như vậy, giám sát liên tục các thông số điện và môi trường tại TBA hạ thế không còn là lựa chọn nâng cao, mà trở thành yêu cầu thiết yếu để giảm thiểu rủi ro sự cố và cháy nổ.
Theo TS Phạm Duy Phong, trên thế giới, các hệ thống tự động hóa trạm (SAS), SCADA, RTU/IED đã được triển khai rộng rãi tại trạm trung và cao áp, cho phép giám sát, điều khiển mạnh và theo thời gian thực. Tuy nhiên, các hệ thống này có chi phí đầu tư lớn, yêu cầu hạ tầng truyền dẫn tốc độ cao và đội ngũ kỹ thuật chuyên sâu. Việc áp dụng đồng loạt cho hàng trăm nghìn TBA hạ thế là không khả thi về kinh tế.
Một số giải pháp trong nước dựa trên PLC hoặc GPRS/3G đã được thử nghiệm, nhưng vẫn tồn tại hạn chế như chu kỳ truyền dữ liệu dài, thiếu tích hợp cảm biến môi trường, chưa giám sát chi tiết từng lộ ra, hoặc chưa hình thành nền tảng WebServer tập trung phục vụ quản lý và khai thác dữ liệu quy mô lớn.
Trong khi đó, xu hướng ứng dụng IoT và truyền thông di động trong lưới điện phân phối cho thấy: thu thập dữ liệu với tần suất cao và phân tích xu hướng bất thường có thể giúp nâng cao độ tin cậy vận hành, giảm chi phí bảo trì và ngăn chặn sớm sự cố nghiêm trọng.
Từ khoảng trống này, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Điện lực định hướng phát triển một giải pháp trung gian: đủ thông minh để cảnh báo sớm, đủ gọn nhẹ và chi phí thấp để có thể nhân rộng.
Giám sát đa lớp, cảnh báo sớm nguy cơ cháy nổ
Giải pháp được đề xuất dựa trên kiến trúc ba lớp gồm: thiết bị hiện trường, truyền thông di động, máy chủ WebServer trung tâm.
Tại mỗi TBA hạ thế, thiết bị giám sát được lắp đặt để thu thập đồng thời các thông số điện và môi trường. Các đại lượng được đo gồm: điện áp, dòng điện, công suất, hệ số công suất, năng lượng tiêu thụ theo pha và theo lộ ra; đồng thời đo nhiệt độ, độ ẩm trong tủ hạ thế và nhiệt độ tại các điểm đấu nối, thanh cái.
Thiết bị tích hợp bộ xử lý trung tâm (MCU) để xử lý sơ bộ, chuẩn hóa dữ liệu, lưu đệm khi mất kết nối. Mô-đun truyền thông GPRS/3G gắn SIM thực hiện đóng gói và gửi dữ liệu định kỳ về máy chủ qua mạng di động. Cơ chế tự duy trì và tự khôi phục kết nối được thiết kế để bảo đảm độ tin cậy truyền dẫn trong điều kiện sóng không ổn định.
Tại trung tâm, hệ thống WebServer tiếp nhận dữ liệu, phân tích, lưu trữ vào cơ sở dữ liệu tập trung và hiển thị qua giao diện trực quan. Người vận hành có thể theo dõi trạng thái TBA theo thời gian thực, truy xuất lịch sử, lập báo cáo và cấu hình ngưỡng cảnh báo.
“Kiến trúc này cho phép luồng dữ liệu thống nhất từ hiện trường về trung tâm, không phụ thuộc cáp quang hay hạ tầng truyền dẫn riêng, giúp triển khai nhanh và mở rộng dễ dàng theo quy mô lưới”- TS. Phạm Duy Phong cho hay.
Theo TS. Phạm Duy Phong, hệ thống được thiết kế xoay quanh mục tiêu phòng ngừa sự cố và cháy nổ TBA, do đó, các nhóm chức năng tập trung vào ba lớp giám sát chính. Thứ nhất, giám sát thông số điện năng để nhận diện quá tải, lệch pha, hệ số công suất bất thường, đây là những dấu hiệu trực tiếp của vận hành không an toàn.
Công nhân Tổng Công ty Điện lực thành phố Hà Nội tăng cường kiểm tra, giám sát thiết bị, bảo đảm hệ thống điện vận hành an toàn, ổn định trong mùa nắng nóng. (Ảnh: EVNHANOI)
Thứ hai, giám sát điều kiện môi trường và điểm phát nhiệt. Theo đó, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và nhiệt tại điểm đấu nối cho phép phát hiện sớm hiện tượng phát nóng do tiếp xúc kém, lỏng đầu cốt hoặc môi trường ẩm ướt… là các nguyên nhân phổ biến gây sự cố tủ hạ thế.
Thứ ba, cơ chế cảnh báo vượt ngưỡng theo thời gian thực. Cụ thể, khi thông số vượt giá trị cấu hình, hệ thống tự động phát cảnh báo qua giao diện Web, SMS hoặc email tới người phụ trách. Nhật ký sự kiện được ghi nhận để phục vụ phân tích và truy vết. Thiết bị hiện trường cũng được chú trọng về an toàn điện và chống nhiễu, có nguồn dự phòng để vẫn duy trì truyền cảnh báo khi TBA mất điện.
Trong khi đó, phần mềm trung tâm đóng vai trò “bộ não” của hệ thống. Dữ liệu từ các TBA được gửi định kỳ theo cơ chế gửi, nhận tuần tự, máy chủ phân tích khung bản tin, kiểm tra mã, xử lý giá trị và cập nhật cơ sở dữ liệu. Giao diện Web cho phép hiển thị thời gian thực các thông số điện và môi trường, biểu đồ xu hướng, trạng thái cảnh báo. Người dùng có thể truy xuất dữ liệu theo nhiều mốc thời gian, lập báo cáo, cấu hình tham số và phân quyền truy cập.
Việc sử dụng WebServer giúp hệ thống không phụ thuộc vào phần mềm cài đặt cục bộ, thuận lợi cho quản trị tập trung và mở rộng quy mô giám sát hàng nghìn trạm.
Hướng mở cho giám sát thông minh lưới hạ thế
Hệ thống đã được lắp đặt thử nghiệm tại TBA Đức Diễn 1 và Kiều Mai 7 thuộc Công ty Điện lực Bắc Từ Liêm, thành phố Hà Nội. Các thử nghiệm đã kiểm tra toàn bộ chuỗi chức năng gồm: đo đạc, truyền dữ liệu, hiển thị, lưu trữ và cảnh báo.
TS Phạm Duy Phong cho biết: “Kết quả so sánh giữa giá trị đo trực tiếp bằng đồng hồ chuẩn và dữ liệu từ thiết bị cho thấy sai lệch dưới 1% đối với điện áp và dưới 2% đối với dòng điện đã đáp ứng yêu cầu giám sát vận hành. Chu kỳ đo và truyền dữ liệu đạt mức 5 giây/lần, nhanh hơn nhiều giải pháp thương mại chi phí thấp hiện có. Hệ thống vận hành ổn định, giao diện trực quan, dễ sử dụng. Đặc biệt, khả năng kết hợp phân tích nhiệt độ, độ ẩm và dòng điện để nhận diện sớm nguy cơ sự cố, cháy nổ được đánh giá là ưu điểm nổi bật”.
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc thiết kế và chế tạo thành công thiết bị giám sát TBA hạ thế từ xa sử dụng truyền thông GPRS/3G và nền tảng WebServer là khả thi về kỹ thuật và phù hợp về chi phí. Giải pháp giúp lấp khoảng trống giữa nhu cầu giám sát diện rộng và hạn chế đầu tư.
Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp các thuật toán phân tích dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo để dự báo xu hướng hỏng hóc, cảnh báo sớm theo mô hình học máy. Khi đó, giám sát TBA hạ thế không chỉ dừng ở “nhìn thấy” mà còn tiến tới “dự báo trước”, đây cũng được xem là bước quan trọng trong chuyển đổi số vận hành lưới điện phân phối.