Ứng dụng các công nghệ giám sát online để vận hành hiệu quả nhà máy và hồ chứa thủy điện (ICOLD Bulletin CL 2026) [Bài 2]

Chương 0. TỔNG QUAN

0.1      ĐỊNH NGHĨA

Công nghệ giám sát trực tuyến là công nghệ cho phép giám sát tự động liên tục hoặc định kỳ trạng thái vận hành và các thông số của đối tượng giám sát. Đối với các trạm thủy điện và hồ chứa, các đối tượng giám sát chủ yếu bao gồm: Chế độ nước và lượng mưa trong lưu vực, đập và các công trình thủy công, động đất, bùn cát trong hồ chứa, chất lượng nước, cũng như thiết bị cơ điện và kết cấu thép của trạm thủy điện. Công nghệ giám sát trực tuyến chủ yếu thực hiện các chức năng như giám sát thời gian thực, cảnh báo sớm và báo động, hỗ trợ quyết định, phân tích thống kê, chẩn đoán sự cố và dự báo rủi ro trong vận hành tích hợp các trạm thủy điện và hồ chứa.

0.2      CẤU TRÚC CHUNG

Công nghệ giám sát trực tuyến chủ yếu bao gồm phạm vi và phương pháp giám sát, công nghệ cảm biến, công nghệ thu thập và xử lý dữ liệu, công nghệ truyền thông dữ liệu, công nghệ tích hợp hệ thống và công nghệ ứng dụng hệ thống. Mỗi công nghệ này được áp dụng khác nhau tùy theo đối tượng giám sát cụ thể.

0.2.1   Phạm vi và phương pháp giám sát

Phạm vi và phương pháp giám sát cho cùng một đối tượng thường đa dạng. Một số có thể có phạm vi giám sát khác nhau, trong khi những cái khác có thể có phương pháp hoặc chế độ thử nghiệm khác nhau, được lựa chọn dựa trên các mục tiêu giám sát khác nhau.

0.2.2   Công nghệ cảm biến

Cảm biến được sử dụng để chuyển đổi các thông số vật lý đo được thành tín hiệu điện tiêu chuẩn. Các thông số đo thường bao gồm: mực nước, lượng mưa, nhiệt độ không khí, tốc độ gió trong lưu vực; dịch chuyển, lún và thấm của đập; hàm lượng bùn cát trong hồ chứa; nhiệt độ nước, giá trị pH và độ đục của nước trong hồ chứa; cũng như dòng điện, nhiệt độ, mức chất lỏng, dịch chuyển, rung động, phóng điện cục bộ và hàm lượng khí trong dầu của thiết bị cơ điện và kết cấu thép.

0.2.3   Công nghệ thu thập và xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu là công nghệ lấy mẫu các tín hiệu điện tiêu chuẩn theo thời gian thực và chuyển đổi chúng thành tín hiệu số có thể nhận dạng bởi máy tính. Xử lý dữ liệu là công nghệ tiền xử lý dữ liệu và ứng dụng thông qua các phương pháp làm sạch dữ liệu, hiệu chỉnh dữ liệu, tính toán giá trị đặc trưng, hiển thị dữ liệu, giảm dữ liệu và lưu trữ dữ liệu của các tín hiệu số.

0.2.4   Công nghệ truyền thông dữ liệu

Truyền thông dữ liệu là việc thực hiện truyền tải các tín hiệu số hoặc gói dữ liệu đã thu thập theo giao thức truyền thông đã thiết lập thông qua một kênh truyền thông phù hợp được lựa chọn theo yêu cầu.

0.2.5   Công nghệ tích hợp hệ thống

Tích hợp hệ thống là việc kết hợp công nghệ giám sát trực tuyến với công nghệ thông tin để phát triển quy trình giám sát thành một hệ thống ứng dụng giám sát trực tuyến hoàn chỉnh.

0.2.6   Công nghệ ứng dụng hệ thống

Ứng dụng hệ thống đề cập đến việc thiết kế và triển khai tất cả các chức năng của hệ thống giám sát trực tuyến.

 

0.3      ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT TRỰC TUYẾN TRONG VẬN HÀNH TÍCH HỢP CÁC TRẠM THỦY ĐIỆN VÀ HỒ CHỨA**

0.3.1 Giám sát thời gian thực và cảnh báo sớm

Hệ thống giám sát trực tuyến có khả năng thu thập kịp thời dữ liệu thời gian thực từ hồ chứa, đập và trạm thủy điện, bao gồm các điều kiện thủy văn trong lưu vực như mực nước, lượng mưa, lưu lượng, nhiệt độ không khí, hướng gió và độ ẩm; hàm lượng bùn cát và chất lượng nước trong hồ chứa; ứng suất và biến dạng, dòng thấm và áp lực, nứt, dịch chuyển và nhiệt độ của đập; cũng như trạng thái vận hành của thiết bị cơ điện và kết cấu thép của trạm thủy điện. Hệ thống có thể hiển thị dữ liệu và sự thay đổi của chúng theo thời gian thực, kịp thời phát hiện các bất thường trong dữ liệu, giúp nhân viên điều độ, vận hành, bảo trì và quản lý nắm bắt được trạng thái vận hành của hồ chứa, đập và các phần của các tổ máy phát điện trong trạm thủy điện, đồng thời gửi thông tin cảnh báo sớm và báo động đến các bên liên quan trong trường hợp khẩn cấp.

0.3.2   Hỗ trợ quyết định và phân tích thống kê

Hệ thống giám sát trực tuyến có thể thống kê, so sánh và phân tích dữ liệu thu thập được để khai thác thông tin có giá trị hơn, cung cấp hỗ trợ quyết định cho các nhà quản lý. Ví dụ, thông qua phân tích chế độ nước và lượng mưa, hệ thống có thể giúp giảm đỉnh lũ nhờ khả năng kiểm soát lũ của hồ chứa, từ đó phát huy tối đa lợi ích kiểm soát lũ và phát điện của trạm thủy điện và hồ chứa. Thông qua phân tích và so sánh các tham số liên quan dựa trên biến dạng và thấm của đập, cũng như rung động, nhiệt độ và cách điện của các tổ máy phát điện, hệ thống giúp người vận hành kịp thời hiểu được trạng thái vận hành và xu hướng thay đổi của thiết bị và công trình, thuận tiện cho việc sắp xếp bảo trì khoa học. Dựa trên so sánh với dữ liệu lịch sử và xu hướng đường cong, cùng với đánh giá hệ thống về hiệu quả bảo trì, hệ thống có thể nhanh chóng xác định vị trí động đất, thu thập các tham số động đất và cung cấp thông tin về chế độ động đất đáng tin cậy, làm cơ sở cho việc ra quyết định trong cứu trợ thảm họa. Hệ thống cũng có thể giúp thực hiện việc điều độ xói mòn và bồi tụ bùn cát ở cuối hồ chứa theo điều kiện dòng chảy và xâm nhập bùn cát vào hồ chứa, từ đó hỗ trợ cho việc vận hành tối ưu tích hợp của trạm thủy điện/hồ chứa.

0.3.3   Chẩn đoán sự cố và dự báo rủi ro

Thông qua phân tích các điều kiện vận hành thực tế của trạm thủy điện và hồ chứa, cũng như mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng khác nhau, hệ thống giám sát trực tuyến có thể hiểu được phạm vi dao động và quy luật thay đổi của tất cả các biến quan sát, kịp thời phát hiện các bất thường và thông báo cho nhân viên liên quan, giúp họ có thể thực hiện các biện pháp trước để tránh các tai nạn nghiêm trọng. Hệ thống giám sát trực tuyến cũng có thể chẩn đoán sự cố thiết bị, phát hiện điểm và nguyên nhân sự cố, hỗ trợ nhân viên liên quan trong việc xử lý sự cố một cách kịp thời và chính xác.

 

CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT TRỰC TUYẾN CHẾ ĐỘ NƯỚC

1.         TỔNG QUAN

1.1      ĐỊNH NGHĨA

Công nghệ giám sát trực tuyến chế độ nước nhằm cung cấp dữ liệu về chế độ nước cho hoạt động của trạm thủy điện, điều độ hồ chứa, dự báo dòng chảy và sử dụng tổng hợp tài nguyên nước thông qua việc thu thập, truyền tải và xử lý thời gian thực các yếu tố thủy văn và khí tượng tại các điểm cố định và di động trong lưu vực hoặc khu vực khảo sát, dựa trên công nghệ đo xa, truyền thông, máy tính và mạng.

1.2      MỤC TIÊU VÀ Ý NGHĨA

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ giám sát trực tuyến chế độ nước đã tạo điều kiện cho việc xây dựng và ứng dụng quy mô lớn hệ thống đo xa và dự báo thủy văn tự động. Hệ thống này được sử dụng rộng rãi trong ngành thủy lợi và thủy điện, có khả năng thu thập, truyền tải và xử lý dữ liệu thủy văn và khí tượng (bao gồm mực nước, lượng mưa, lưu lượng, nhiệt độ không khí, hướng gió, độ ẩm và nhiệt độ nước) thông qua các trạm đo xa tự động và trạm trung tâm, cung cấp cơ sở đáng tin cậy cho việc ra quyết định điều độ.

Việc ứng dụng rộng rãi công nghệ giám sát trực tuyến chế độ nước có thể thúc đẩy công tác quy hoạch và quản lý tổng thể tài nguyên nước, từ đó đạt được việc sử dụng tài nguyên nước một cách khoa học, hợp lý và hiệu quả.

1.3      LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Châu Âu và Hoa Kỳ là những quốc gia tiên phong trong việc sử dụng công nghệ giám sát điều kiện thủy văn trực tuyến, và công nghệ của họ cũng phát triển hơn so với các quốc gia khác. Các nước phát triển phương Tây đã bắt đầu thiết lập hệ thống dự báo điều kiện thủy văn riêng từ những năm 1970. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính, công nghệ và sản phẩm dự báo thủy văn tự động đã phát triển nhanh chóng trên cơ sở các linh kiện và sản phẩm điện tử trước đây.

Năm 1976, Hoa Kỳ đã phát triển một bộ thiết bị giám sát điều kiện thủy văn tự động tiêu biểu vào thời điểm đó. Sau đó, họ đã phát triển một bộ thiết bị giám sát chế độ nước và lượng mưa tự động. Cùng với tiến bộ khoa học, đến năm 1987, Hoa Kỳ đã có 1.700 trạm thủy văn sử dụng vệ tinh GOES để truyền tải dữ liệu. Đến năm 2022, Hoa Kỳ đã có 8.679 trạm đo lưu lượng dòng chảy, 12.654 trạm đo mực nước mặt, 2.442 trạm giám sát chất lượng nước mặt và 766 trạm cảnh báo sớm thủy văn và khí tượng. Họ áp dụng phương pháp truyền thông với truyền tải vệ tinh là hình thức chính, được hỗ trợ bởi các hình thức khác.

Nhật Bản đã đầu tư lớn vào dự báo thủy văn và cũng bắt đầu xây dựng các trạm dự báo thủy văn từ sớm. Năm 1986, Nhật Bản đã thiết lập một hệ thống thu thập dữ liệu đo xa thủy văn lớn nhất thế giới vào thời điểm đó. Hệ thống này sử dụng 12 radar đo lượng mưa và vệ tinh GMS. Đến năm 2022, Nhật Bản đã thiết lập khoảng 150 trạm khí tượng, hơn 2.800 trạm đo lượng mưa mặt đất, 2.138 trạm đo mực nước và 653 trạm giám sát mực nước và chất lượng nước ngầm, với phạm vi quan sát bao phủ toàn quốc.

Ấn Độ, một trong những quốc gia châu Á phát triển giám sát thủy văn sớm, đã thiết lập một hệ thống lưu vực lớn trên thượng lưu sông Yamuna (nhánh dài nhất của sông Hằng) vào năm 1985, sử dụng UHF và vệ tinh Ấn Độ INSAT-1B cho truyền thông. INSAT là một hệ thống vệ tinh kép dưới sự quản lý của Tổ chức Nghiên cứu Vũ trụ Ấn Độ (ISRO). Nó có 100 nền tảng vệ tinh.

Trước những năm 1960, Trung Quốc chỉ có 7.259 trạm thủy văn, bao gồm 2.023 trạm đo mực nước. Thủy văn được chia thành hai phương pháp: đo đạc cố định và đo đạc lưu động. Giữa những năm 1970, Trung Quốc bắt đầu phát triển hệ thống dự báo thủy văn tự động và đạt được sự phát triển nhanh chóng trong những năm 1980 đến 1990. Với hơn 50 năm phát triển, Trung Quốc đã đạt được tiến bộ lớn trong việc phát triển hệ thống dự báo thủy văn tự động. Đến cuối năm 2020, Trung Quốc đã thiết lập một hệ thống thu thập tài nguyên nước toàn diện bao gồm hơn 430.000 điểm truy cập với phạm vi phủ sóng toàn năm thông qua viễn thám bằng vệ tinh độ phân giải cao. Tất cả các sở tài nguyên nước cấp thành phố và 80,5% sở tài nguyên nước cấp huyện đã truy cập vào mạng thông tin tài nguyên nước quốc gia.

 

2.         CÔNG NGHỆ CHÍNH

2.1      Các hạng mục giám sát

Công nghệ giám sát trực tuyến chế độ nước chủ yếu thu thập dữ liệu thủy văn và khí tượng, bao gồm mực nước, lượng mưa, lưu lượng, nhiệt độ không khí, nhiệt độ nước, hướng gió và độ ẩm trong khu vực khảo sát, thông qua các cảm biến được lắp đặt tại trạm đo xa, truyền tải chúng về trạm trung tâm để nhận dữ liệu, và cuối cùng gửi dữ liệu đến các hệ thống ứng dụng giám sát sau khi xử lý, từ đó thực hiện việc thu thập và xử lý thông tin dữ liệu, hỗ trợ ra quyết định.

2.2      Cảm biến

Cảm biến được sử dụng kết hợp với bộ thu thập dữ liệu, hệ thống truyền thông và hệ thống cấp nguồn để hình thành trạm đo xa chế độ nước, có thể đo, hiển thị, ghi nhận và truyền tải dữ liệu như mực nước, lượng mưa và lưu lượng. Như hình 1-1, một trạm đo lượng mưa bao gồm cảm biến đo lượng mưa, tấm pin mặt trời, vệ tinh Beidou và các mô-đun truyền thông, truyền tải dữ liệu lượng mưa về trạm trung tâm theo thời gian thực.

2.2.1   Cảm biến mực nước

- Đồng hồ mực nước kiểu phao: Mực nước thay đổi trong giếng làm phao nổi lên hoặc hạ xuống. Phao truyền chuyển động tuyến tính của mực nước đến bánh xe mực nước qua cáp treo, khiến bánh xe quay vòng và làm quay đĩa mã hóa. Ống quang từ có thể cảm nhận sự thay đổi của đĩa mã hóa và chuyển đổi tín hiệu tương tự của mực nước thành tín hiệu số tương ứng để tính toán mực nước.

- Đồng hồ mực nước siêu âm: Sử dụng sóng siêu âm để đo mực nước. Sóng siêu âm truyền trong môi trường với tốc độ nhất định. Khi gặp bề mặt phân cách giữa các môi trường khác nhau, sóng siêu âm sẽ bị phản xạ. Mực nước có thể được tính toán dựa trên thời gian phản xạ và tốc độ truyền.

- Đồng hồ mực nước áp lực: Hoạt động theo nguyên lý áp suất thủy tĩnh, trong đó áp suất tỷ lệ thuận với độ sâu nước, sử dụng phần tử cảm biến áp suất. Khi cảm biến được cố định tại một điểm đo dưới nước, mực nước có thể được đo gián tiếp bằng cách cộng áp suất cột nước phía trên điểm đo với độ cao của điểm này.

- Đồng hồ mực nước bọt khí: Sau khi không khí được lọc và làm sạch bởi bộ lọc không khí của đồng hồ mực nước, máy bơm không khí sẽ ép không khí vào bình chứa không khí qua van kiểm tra, và không khí trong bình chứa sẽ được gửi đến cảm biến áp suất của đơn vị điều khiển áp suất và ống khí ngập nước tương ứng. Khi máy bơm ngừng cung cấp không khí, van kiểm tra sẽ đóng, và cổng ống khí ngập nước sẽ được niêm phong bởi không khí, tạo thành một khoang kín khí nối kết cảm biến áp suất với cổng ống khí ngập nước. Giá trị áp suất nước có thể được thu được bằng cách trừ giá trị áp suất khí quyển từ giá trị áp suất đo được bởi cảm biến áp suất, từ đó mực nước có thể được đo.

2.2.2 Cảm biến lượng mưa

- Máy đo lượng mưa tự lật: Là thiết bị đo lượng mưa từ xa bao gồm cảm biến và máy ghi tín hiệu. Cảm biến bao gồm bộ thu nhận lượng mưa, xô nghiêng/lật trên, xô đo, xô đếm và công tắc lưỡi liềm. Máy ghi bao gồm bộ đếm, bút ghi, đồng hồ tự ghi và bảng mạch điều khiển. Nước mưa chảy vào thùng chứa nước qua cửa nước trên cùng, sau đó rơi vào phễu nước, chảy vào xô lật qua miệng phễu. Khi nước đạt đến một chiều cao nhất định (ví dụ: 0,01 mm), xô nghiêng sẽ mất thăng bằng và lật ngược. Mỗi lần xô nghiêng lật ngược, mạch sẽ được đóng và gửi tín hiệu xung đến máy ghi, điều khiển bút ghi ghi lại lượng mưa.

- Máy đo lượng mưa syphon: Bao gồm bốn phần, cụ thể là bộ thu nhận, syphon, bút ghi và vỏ bọc. Dưới bộ thu nhận, có một buồng phao, trong đó có một phao nối với đầu bút ghi phía trên nó. Khi nước mưa chảy vào trống, phao nổi lên tương ứng và làm cho bút ghi trên cần phao nổi lên và vẽ một đường cong lượng mưa tăng theo thời gian trên giấy ghi của trống quay. Khi mức nước trong buồng phao đạt đến đỉnh của syphon, syphon sẽ xả nước mưa trong buồng phao trong thời gian ngắn. Nếu tiếp tục mưa, quá trình trên sẽ được lặp lại. Cuối cùng, thời gian bắt đầu và kết thúc cùng với sự thay đổi cường độ của lượng mưa có thể được thu thập, từ đó lượng mưa có thể được tính toán.

2.2.3 Cảm biến lưu lượng

- Đồng hồ lưu lượng siêu âm: Khi sóng siêu âm truyền trong chất lỏng chảy, nó được cộng với tốc độ dòng chảy của chất lỏng. Tốc độ dòng chảy của chất lỏng có thể được tính toán dựa trên tín hiệu siêu âm nhận được. Sau đó, lưu lượng có thể được tính toán dựa trên phép tính tích phân của tiết diện dòng chảy. Theo phương pháp phát hiện, đồng hồ lưu lượng siêu âm có thể được chia thành các loại khác nhau sử dụng các phương pháp phát hiện khác nhau, chẳng hạn như phương pháp chênh lệch tốc độ truyền, phương pháp Doppler, phương pháp lệch chùm, phương pháp tiếng ồn và phương pháp tương quan.

- Máy đo vận tốc Doppler: Là thiết bị đo lưu lượng sử dụng hiệu ứng Doppler, bao gồm bộ biến âm siêu âm và bộ điều khiển. Bộ điều khiển có thể làm cho bộ biến âm siêu âm phát ra hai tín hiệu sóng liên tục với tần số khác nhau không liên tục trong thời gian ngắn. Sẽ có một chênh lệch tần số cố định giữa tín hiệu Doppler và tần số trước đó. Sự dịch chuyển Doppler có thể được thu được sau khi xử lý thông tin bằng cách chồng chéo và nâng cao hai tín hiệu Doppler, từ đó, tốc độ dòng chảy hoặc lưu lượng có thể được tính toán.

2.2.4 Các cảm biến khác

- Nhiệt kế, anemometer, bể bay hơi, đồng hồ lưu lượng, máy đo độ sâu, máy đo khoảng cách, máy ảnh, v.v.

 

2.3 Công nghệ truyền thông dữ liệu

2.3.1 Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN) cung cấp một kênh tương tự độc quyền được kết nối với nhau bởi nhiều tổng đài điện thoại. Khi hai máy chủ hoặc bộ định tuyến cần được kết nối qua PSTN, việc chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số và từ số sang tương tự có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một modem ở phía truy cập mạng (tức là phía vòng người dùng) ở cả hai đầu.

2.3.2 Truyền thông di động không dây, mạng không dây di động

Truyền thông di động là công nghệ truyền thông không dây hiện đại. Các kênh tần số của nó chủ yếu bao gồm tần số thấp, tần số trung, tần số cao, tần số rất cao và tần số siêu cao. Trong các kênh tần số này, thiết bị đầu cuối của mạng di động có thể được kết nối thông qua công nghệ truyền thông di động và cơ sở hạ tầng truyền thông để trao đổi giọng nói, video và dữ liệu. Từ hệ thống truyền thông di động tương tự, hệ thống truyền thông di động số, hệ thống truyền thông đa phương tiện di động đến hệ thống truyền thông di động tốc độ cao hiện nay, tốc độ của công nghệ truyền thông di động đã liên tục được cải thiện với độ trễ và lỗi thấp hơn, và độ ổn định và độ tin cậy của công nghệ cũng đang được cải thiện dần dần. Lấy dịch vụ GPRS (Dịch vụ Gói Dữ liệu Chung) làm ví dụ. Đây là một loại công nghệ chuyển mạch gói không dây dựa trên hệ thống GSM, có thể cung cấp kết nối IP không dây đầu cuối và diện rộng. GPRS có ưu điểm là truyền tải tốc độ cao trực tuyến theo thời gian thực và chuyển mạch tự do, do đó được sử dụng rộng rãi trong truyền tải dữ liệu của hệ thống dự báo thủy văn tự động.

2.3.3 Truyền thông vệ tinh

Truyền thông vệ tinh là truyền thông giữa các trạm truyền thông vô tuyến trên trái đất (bao gồm mặt đất và tầng khí quyển thấp) với vệ tinh làm trục. Hệ thống truyền thông vệ tinh bao gồm vệ tinh và trạm mặt đất. Truyền thông vệ tinh có các đặc điểm: phạm vi truyền thông rộng lớn (trong phạm vi sóng do vệ tinh truyền, bất kỳ hai điểm nào cũng có thể có truyền thông); độ tin cậy cao (không dễ bị ảnh hưởng bởi các mối nguy hiểm trên đất liền), và mở mạch nhanh (có thể được mở miễn là mạch trạm mặt đất được thiết lập); nhiều truy cập (tín hiệu có thể được nhận tại nhiều địa chỉ cùng lúc cho phát sóng kinh tế và truyền thông truy cập nhiều); cài đặt mạch rất linh hoạt (có thể phân tán lưu lượng điện thoại quá tập trung bất kỳ lúc nào); và kết nối truy cập nhiều (cùng một kênh có thể được sử dụng ở các hướng khác nhau hoặc các đoạn khác nhau).

2.3.3.1 Inmarsat

Inmarsat là hệ thống truyền thông có thể cung cấp dịch vụ truyền thông khẩn cấp và an toàn cũng như dịch vụ điện thoại, telex, dữ liệu và fax cho ngành hàng hải, hàng không và ngoài khơi thông qua vệ tinh đồng bộ. Hệ thống Inmarsat bao gồm vệ tinh hàng hải, trạm mặt đất và thiết bị đầu cuối. Nó có thể bao phủ bốn khu vực, cụ thể là Thái Bình Dương, Ấn Độ Dương và các khu vực phía đông và phía tây của Đại Tây Dương, và cung cấp dịch vụ truyền thông trong phạm vi vĩ độ 75° bắc và nam. Nó có thể cung cấp dịch vụ truyền thông vệ tinh di động toàn diện bao phủ biển, đất liền và trên không.

2.3.3.2  Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) là một hệ thống định vị chính xác cao dựa trên công nghệ truyền thông vệ tinh. Nó có khả năng cung cấp vị trí địa lý và thời gian chính xác ở bất kỳ đâu trên bề mặt Trái Đất và trong không gian vũ trụ toàn cầu.

2.3.3.3 Hệ thống Vệ tinh BeiDou

Hệ thống Định vị Vệ tinh BeiDou, bao gồm ba phân đoạn: không gian, mặt đất và người dùng, có khả năng cung cấp dịch vụ định vị, dẫn đường và thời gian chính xác cao, đáng tin cậy, hoạt động suốt ngày đêm và trong mọi điều kiện thời tiết cho tất cả các loại người dùng trên toàn thế giới. Hệ thống này cũng hỗ trợ khả năng truyền thông tin nhắn ngắn và đã đạt được khả năng định vị, dẫn đường và cung cấp thời gian trong khu vực, với độ chính xác định vị đạt đến decimet và centimet, khả năng đo tốc độ chính xác đến 0,2 m/s và dịch vụ thời gian chính xác đến 10 nanosecond.

2.3.4 Tần số rất cao (VHF)

Tần số rất cao (VHF) đề cập đến dải tần sóng vô tuyến từ 30 MHz đến 300 MHz. Dải tần này chủ yếu được sử dụng cho truyền tải dữ liệu trong khoảng cách ngắn và có thể truyền thông tin đến người nhận thông qua sóng vô tuyến.

2.3.5 Đường truyền chuyên dụng mặt đất

Việc truy cập đường truyền chuyên dụng có thể được cung cấp dựa trên cáp quang của Mạng lõi và Mạng cục bộ để truyền tải điểm-điểm.

 

2.4 Xử lý dữ liệu

Các dữ liệu thủy văn và khí tượng có thể được nhận theo thời gian thực thông qua trạm truyền thông và máy tính điện tử. Dữ liệu nhận được sẽ được giải mã và chuyển tiếp, sau đó trải qua kiểm tra tính hợp lý, phân biệt, xử lý và tính toán phân loại, và sau đó được hiển thị và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu để phục vụ cho các hệ thống điều độ, vận hành, bảo vệ lũ lụt và ra quyết định của trạm thủy điện và hồ chứa.

 

3. ỨNG DỤNG TRONG VẬN HÀNH TỔNG HỢP CỦA TRẠM THỦY ĐIỆN VÀ HỒ CHỨA

3.1 Dự báo dòng chảy vào hồ chứa và vận hành tối ưu của các hồ chứa liên hồ

Việc ứng dụng rộng rãi công nghệ giám sát điều kiện thủy văn trực tuyến giúp nắm bắt kịp thời và chính xác các chế độ nước và mưa trong lưu vực. Thông tin này cung cấp cơ sở cho việc điều độ và vận hành hàng ngày của các trạm thủy điện và hồ chứa. Việc sử dụng hợp lý dữ liệu truyền thông điều kiện thủy văn có thể cải thiện độ chính xác dự báo dòng chảy vào hồ chứa, cung cấp cơ sở ra quyết định cho các tổ hợp thủy lực trong việc phòng chống lũ và phát điện, và thực hiện vận hành chung tối ưu của các trạm thủy điện liên hồ. Ví dụ, dữ liệu thu thập về chế độ nước và mưa có thể được đưa vào mô hình tính toán điều độ phòng chống lũ và phát điện của các trạm thủy điện liên hồ để tính toán, từ đó áp dụng kế hoạch vận hành tối ưu trên cơ sở đảm bảo an toàn cho đập và các công trình bảo vệ thượng và hạ lưu. Khả năng phòng chống lũ của hồ chứa có thể được sử dụng để giảm thiểu đỉnh lũ, làm cho dòng chảy vào tất cả các cấp trạm thủy điện đều, tận dụng tối đa dòng chảy và giảm thiểu tổn thất do nước thừa, từ đó tăng tỷ lệ sử dụng năng lượng thủy điện và lợi ích cột nước của các trạm thủy điện liên hồ.

Ví dụ, Tập đoàn Năng lượng Sarawak ở Malaysia trước đây chủ yếu dựa vào dữ liệu lịch sử để dự báo dòng chảy và mực nước. Khi tác động của biến đổi khí hậu gia tăng, đặc biệt là dưới các điều kiện thời tiết đột ngột và cực đoan, việc tiếp tục sử dụng các phương pháp dự báo thủy văn truyền thống để hỗ trợ ra quyết định trong điều độ và lập lịch trạm thủy điện trở nên ngày càng thách thức. Nhờ vào những tiến bộ trong công nghệ giám sát nước trực tuyến, một hệ thống quản lý điều độ tài nguyên nước lưu vực dựa trên công nghệ giám sát trực tuyến về chế độ nước đã được phát triển và đưa vào vận hành. Hệ thống này cung cấp các dự báo thủy văn đáng tin cậy và chính xác dựa trên phân tích trí tuệ nhân tạo để dự đoán tốt hơn dòng chảy và mực nước dưới các điều kiện thời tiết khác nhau.

 

 

3.2 Điều độ kinh tế của trạm thủy điện và lưới điện

Các trạm thủy điện liên hồ được kết nối chặt chẽ giữa thượng và hạ lưu, việc phối hợp và điều độ khoa học, cũng như vận hành chung của các trạm thủy điện liên hồ có thể tạo ra lợi ích kinh tế và xã hội lớn hơn. Xem xét an toàn và nhu cầu thị trường điện, việc điều độ lưới điện cũng cần vận hành chung và điều độ kinh tế. Việc thu thập tự động dữ liệu thủy văn, khí tượng và vận hành hồ chứa theo thời gian thực trong lưu vực, cũng như dự báo thủy văn trực tuyến, tính toán điều tiết lũ, điều độ tối ưu và quản lý toàn diện tài nguyên nước dựa trên công nghệ quản lý cơ sở dữ liệu có thể giúp cung cấp kế hoạch vận hành hồ chứa đáp ứng các yêu cầu về phòng chống lũ, phát điện, thị trường điện và các yêu cầu sử dụng tổng hợp khác, đồng thời hỗ trợ điều độ kinh tế của trạm thủy điện, lưới điện và thị trường cùng lúc.

 

3.3 Dự báo thảm họa, cảnh báo sớm và ứng phó khẩn cấp

Công nghệ giám sát trực tuyến về chế độ nước cũng đóng vai trò trong dự báo thảm họa, cảnh báo sớm và ứng phó khẩn cấp. Trong các điều kiện thời tiết nghiêm trọng hoặc môi trường thảm họa đặc biệt, thông tin nước được truyền tải theo thời gian thực qua vệ tinh hoặc các kênh truyền thông tin cậy, giúp dự báo các sự kiện thảm họa trước. Do đó, các biện pháp hiệu quả có thể được thực hiện trước để bảo vệ thiết bị, chuyển giao nhân sự hoặc giành thời gian cho cứu hộ. Ví dụ, trong trận động đất Wenchuan (Tứ Xuyên) năm 2008 ở Trung Quốc, mực nước trong khu vực bị ảnh hưởng giảm bất thường, giúp phát hiện sự xuất hiện của hồ chứa bị chặn ở thượng lưu ngay từ đầu, cung cấp cơ sở ra quyết định cho cứu trợ động đất và tránh các thảm họa thứ cấp bằng cách thực hiện các biện pháp xử lý kịp thời. Vài ngày sau, mực nước thượng lưu của Đập Tam Hiệp dao động bất thường, cũng giúp phát hiện thảm họa lở đất của sông Thanh Cán Hà ngay từ đầu.

Ngoài ra, lấy "hệ thống điều khiển lưu lượng khẩn cấp" được phát triển ở Nhật Bản (như hình 1-2) làm ví dụ. Hệ thống này có chức năng tự động điều khiển lưu lượng khi phát hiện dao động bất thường của mực nước do hư hỏng hoặc tắc nghẽn của đường thủy. Trong thực tế, hệ thống liên tục đo mực nước thông qua một thiết bị đo mực nước được lắp đặt ở vị trí thích hợp giữa cửa vào và trạm thủy điện. Khi độ dốc của đường thủy bị hư hỏng hoặc tắc nghẽn do thảm họa và phát hiện mực nước bất thường hoặc gián đoạn dữ liệu, hệ thống có thể tự động đóng cửa vào trong trường hợp khẩn cấp và gửi email thông báo cho nhân sự liên quan, từ đó đạt được hiệu quả giảm thiểu thiệt hại cho các cơ sở và tác động đến các bên thứ ba.

Hình 1-2: Hệ thống điều khiển lưu lượng nước khẩn cấp ở Nhật Bản

Hệ thống điều khiển lưu lượng nước khẩn cấp ở Nhật Bản được thiết kế để tự động kiểm soát lưu lượng nước khi phát hiện sự biến động bất thường của mực nước do hư hỏng hoặc tắc nghẽn của đường thủy. Hệ thống này bao gồm các thành phần chính như sau:

1. Cảm biến mực nước: Được lắp đặt tại các vị trí chiến lược giữa cửa vào và trạm thủy điện, giúp liên tục đo đạc mực nước và phát hiện sự thay đổi bất thường.

2. Cổng vào tự động: Khi hệ thống phát hiện mực nước bất thường hoặc gián đoạn dữ liệu, cổng vào sẽ tự động đóng lại để ngừng dòng chảy nước vào trạm thủy điện, ngăn ngừa thiệt hại cho thiết bị và đảm bảo an toàn cho nhân viên.

3. Hệ thống thông báo: Khi cổng vào đóng, hệ thống sẽ gửi thông báo qua email hoặc các kênh liên lạc khác đến nhân viên vận hành và các bên liên quan, giúp họ kịp thời nắm bắt tình hình và thực hiện các biện pháp cần thiết.

Việc triển khai hệ thống này giúp giảm thiểu thiệt hại cho cơ sở hạ tầng và đảm bảo an toàn cho con người trong trường hợp có sự cố bất thường xảy ra.

3.4      Vận hành từ xa và thu thập dữ liệu của trạm thủy điện

Đối với một số trạm thủy điện ở vùng xa xôi, việc vận hành và bảo trì luôn gặp khó khăn do địa hình phức tạp và khí hậu khắc nghiệt. Trước đây, việc thu thập dữ liệu tại các trạm thủy điện thường được thực hiện thủ công, khiến nhân viên vận hành và bảo trì gặp khó khăn trong việc tiếp cận trạm trong mùa lũ hoặc mùa đông. Việc thu thập thủ công cũng dễ dẫn đến sai sót do chép nhầm giá trị đo được hoặc nhầm lẫn thiết bị thu thập.

Nhờ sự tiến bộ liên tục của công nghệ giám sát trực tuyến, các trạm thủy điện này hiện nay tự động thu thập dữ liệu thông qua các cảm biến và thiết bị thu thập dữ liệu. Dữ liệu này sẽ được tự động gửi đến trung tâm điều khiển tập trung của doanh nghiệp tại trạm để phân tích và xử lý. Khi dữ liệu vào cơ sở dữ liệu của trung tâm điều khiển tập trung, tính hợp lệ của các phép đo hiện tại được kiểm tra bằng cách so sánh với các giá trị đã ghi nhận trước đó, hoặc tham khảo các mô hình thống kê hoặc xác định, để xác định xem có cần thực hiện lại phép đo hay không. Nhân viên chỉ được cử đi kiểm tra trực tiếp khi dữ liệu bất thường trong một khoảng thời gian dài.

So với việc kiểm tra thủ công, công nghệ giám sát trực tuyến có thể thu thập dữ liệu chính xác hơn, giúp hiểu rõ hơn về trạng thái vận hành và mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị, từ đó thực hiện tối ưu hóa có mục tiêu. Đồng thời, công nghệ này tiết kiệm chi phí lao động và nâng cao hiệu quả công việc.

 

4. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN VÀ TRIỂN VỌNG

Sự phát triển của công nghệ truyền thông không dây 5G sẽ gây ra sự đổi mới hơn nữa trong mô hình mạng truyền thông của công nghệ giám sát điều kiện thủy văn trực tuyến. Dựa trên băng thông truy cập không dây cao hơn của 5G với đặc điểm độ trễ thấp và độ tin cậy cao, hệ thống dự báo điều kiện thủy văn mạng hóa thông qua công nghệ 5G có ưu điểm về độ trễ thông tin thấp và hiệu quả thời gian cao, và sẽ áp dụng cho nhiều kịch bản ứng dụng hơn so với hệ thống dự báo thủy văn tự động mạng hóa truyền thống.

Hệ thống dự báo thủy văn mạng hóa thông qua truyền thông không dây truyền thống có độ trễ lớn trong truyền tải dữ liệu. Đặc biệt, trong mùa lũ, thời gian chờ đợi rất lâu khi cần dữ liệu từ trạm đo xa theo thời gian thực, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả thời gian của quyết định kiểm soát lũ. Hệ thống dự báo thủy văn mạng hóa với kênh truyền thông có dây có độ trễ nhỏ trong truyền tải dữ liệu và dễ bảo trì, nhưng chi phí tương đối cao. Ngoài chi phí thấp, hệ thống dự báo thủy văn mạng hóa thông qua công nghệ 5G có thể thực hiện việc gọi dữ liệu theo thời gian thực từ trạm đo xa và bảo trì từ xa, cải thiện hiệu quả thời gian của các quyết định về kiểm soát lũ và vận hành hồ chứa, và tiết kiệm chi phí bảo trì.

Hệ thống dự báo thủy văn mạng hóa thông qua truyền thông không dây truyền thống không thể truyền tải video. Dựa trên GPRS, nó có thể truyền tải một số hình ảnh, nhưng độ phân giải và độ rõ nét thấp, và băng thông tần số chiếm dụng nhiều hơn, do đó phạm vi ứng dụng bị hạn chế. Mạng trạm đo xa mạng hóa với sợi quang có chi phí xây dựng cao. Hệ thống TV công nghiệp có thể thực hiện truyền tải video, nhưng chi phí cũng rất cao. Do đó, trạm đo xa 5G được trang bị camera độ phân giải cao có nhiều kịch bản ứng dụng. Nó có thể truyền tải tín hiệu video 4K ultra high definition và thay thế TV công nghiệp. Camera độ phân giải cao lắp đặt trên trạm đo xa có thể giúp quan sát mực nước của trạm đo với thước đo nước và môi trường thủy văn xung quanh trạm đo trực tiếp theo thời gian thực, cung cấp một tham chiếu trực tiếp hơn cho việc ra quyết định bảo vệ lũ và vận hành hồ chứa. Hơn nữa, góc camera có thể được điều khiển thông qua mạng 5G theo thời gian thực để giám sát môi trường xung quanh trạm đo xa, thuận tiện cho việc quản lý, vận hành và bảo trì của trạm đo xa.

[Còn tiếp- Xin mời đón đọc số tiếp theo]