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 7

CHƯƠNG VI: CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT TRỰC TUYẾN CỦA THIẾT BỊ CƠ ĐIỆN

1. TỔNG QUAN

1.1 Định nghĩa

Giám sát trực tuyến thiết bị cơ điện, thông qua hệ thống thu thập dữ liệu tự động và tuần tra của nhân viên, tận dụng tối đa công nghệ máy tính hiện đại để thu thập và phân tích dữ liệu vận hành của thiết bị cơ điện tại nhà máy thủy điện, hỗ trợ ra quyết định và giám sát an toàn vận hành của thiết bị kịp thời. Hệ thống thiết bị cơ điện của nhà máy thủy điện chủ yếu bao gồm: tuabin thủy lực, máy phát thủy điện, máy biến áp, cáp điện áp cao, hệ thống điều tốc, hệ thống kích từ và các hệ thống phụ trợ khác liên quan đến sản xuất điện.

1.2 Mục tiêu và ý nghĩa

Bằng cách giám sát trạng thái vận hành của thiết bị thủy điện và đo lường các chỉ số hiệu suất chính trong quá trình vận hành, mục tiêu là hiểu rõ đặc điểm thực tế của toàn bộ thiết bị hoặc các bộ phận của nó trong quá trình hoạt động. Thu thập thông tin về các triệu chứng bất thường và suy giảm của thiết bị trước khi xảy ra sự cố, nhằm thực hiện các biện pháp đối phó để kiểm soát hoặc ngăn ngừa sự cố, giảm thời gian ngừng hoạt động và tổn thất do dừng máy, giảm chi phí bảo trì và cải thiện hiệu quả sử dụng thiết bị.

Công nghệ giám sát trực tuyến thiết bị cơ điện giúp nhân viên vận hành và bảo trì nắm bắt trạng thái vận hành của thiết bị theo thời gian thực, có cái nhìn rõ ràng hơn về chế độ vận hành của thiết bị nhà máy điện và phát hiện sớm những thay đổi nhỏ của thiết bị đang hoạt động. Dựa trên trạng thái vận hành, lập kế hoạch bảo trì thiết bị trước để đảm bảo rằng các khiếm khuyết và điều kiện bất thường của thiết bị có thể được phát hiện và xử lý kịp thời trước khi chúng vượt khỏi tầm kiểm soát, nhằm cải thiện hiệu quả dịch vụ của thiết bị và ngăn ngừa hiệu quả các sự cố nghiêm trọng hoặc thậm chí tai nạn thảm khốc.

1.3 Quá trình phát triển

 

Công nghệ giám sát trực tuyến thiết bị thủy điện được Viện Chẩn đoán Lỗi Cơ khí Quốc gia đề xuất vào những năm 1960, và công nghệ này dần phát triển từ nghiên cứu lý thuyết đến giai đoạn thực hành trong 20 năm tiếp theo. Kể từ thế kỷ 21, với sự tiến bộ và cải thiện của công nghệ máy tính, nhiều hệ thống giám sát trực tuyến trưởng thành đã xuất hiện, chẳng hạn như hệ thống giám sát xâm thực tuabin thủy lực được phát triển chung bởi các tổ chức nghiên cứu của Hoa Kỳ và Canada, hệ thống giám sát độ ổn định của tổ máy phát thủy điện, hệ thống giám sát sắc ký dầu của máy biến áp chính và sự phóng điện cục bộ của cách điện máy phát thủy điện, được sử dụng rộng rãi tại các nhà máy thủy điện ở Trung Quốc. Tuy nhiên, do các chức năng của giám sát trạng thái trực tuyến phân tán, khiến mỗi hệ thống con độc lập, luôn tồn tại vấn đề khó khăn trong việc tích hợp và phát hiện sai lỗi, điều này không thuận lợi cho vận hành kinh tế. Hiện nay, giám sát và chẩn đoán trực tuyến của các đơn vị thủy điện phân tán dần trở thành xu hướng phát triển chính. Thông qua việc thiết lập các trung tâm chẩn đoán mạng khu vực và sử dụng công nghệ truyền thông internet, có thể thực hiện giám sát thiết bị từ xa và chẩn đoán hợp tác.

Một hệ thống đo lường nhạy cảm cao phù hợp với yêu cầu của tổ máy phát thủy điện đảm bảo giám sát và bảo trì hiệu quả dựa trên trạng thái, kéo dài vòng đời của máy quay và cải thiện khả năng sẵn sàng và độ tin cậy của thiết bị cơ điện của nhà máy điện.

 

2. CÔNG NGHỆ CHÍNH

2.1 Các hạng mục giám sát

Hệ thống giám sát trực tuyến thiết bị cơ điện của nhà máy thủy điện chủ yếu giám sát các hạng mục sau:

1. Nhiệt độ: Như nhiệt độ thanh stato, nhiệt độ nước vào và ra của bộ làm mát, nhiệt độ dầu máy biến áp, v.v.

2. Mức chất lỏng: Như mức dầu của bể dầu ổ trục, mức nước tinh khiết của đơn vị làm mát nước, v.v.

3. Biến dạng: Như biến dạng rung của các thành phần kết cấu, rung trục tại ổ trục dẫn hướng, rung theo hướng trục, hành trình động cơ servo, hành trình cầu dao, khe hở không khí, v.v.

4. Tốc độ: Như tốc độ rung của các thành phần kết cấu;

5. Gia tốc: Như gia tốc rung của các thành phần kết cấu, gia tốc rung của nhà máy điện, v.v.

6. Cường độ từ trường: Cường độ từ trường của máy phát thủy điện;

7. Dòng điện: Như dòng điện chạm đất của lõi máy biến áp;

 

8. Phóng điện cục bộ: Như tín hiệu phóng điện cục bộ của máy phát thủy điện, tín hiệu phóng điện cục bộ của máy biến áp, tín hiệu phóng điện cục bộ của cáp điện, v.v.

9. Thành phần khí: Như hàm lượng khí trong dầu máy biến áp, sản phẩm phân hủy SF6, v.v.

10. Lưu lượng: Như lưu lượng của tuabin thủy lực và lưu lượng nước làm mát của hệ thống làm mát, v.v.

11. Ứng suất: Như ứng suất của các thành phần kết cấu;

12. Áp suất: Như áp suất ống xoắn, áp suất tại cửa vào tuabin và cửa ra ống hút, dao động áp suất tuabin thủy lực, áp suất khí SF6, v.v.

13. Tiếng ồn: Như tiếng ồn phòng tuabin, tiếng ồn vận hành máy biến áp, v.v.

14. Tín hiệu quang học: Ví dụ, tín hiệu quang học phát sinh từ corona thanh stato, v.v.

Hệ thống giám sát trực tuyến của đơn vị thủy điện chủ yếu bao gồm cảm biến, đơn vị thu thập dữ liệu, máy chủ và các thiết bị mạng liên quan, phần mềm, v.v. Hệ thống áp dụng cấu trúc phân tán theo cấp bậc, có thể chia thành hai cấp: cấp nhà máy điện và cấp địa phương. Các thiết bị ở cấp nhà máy điện thường bao gồm máy chủ dữ liệu trạng thái, máy chủ WEB/ứng dụng, trạm làm việc kỹ sư, thiết bị mạng và máy in. Các thiết bị ở cấp địa phương thường bao gồm đơn vị thu thập dữ liệu giám sát trực tuyến địa phương của đơn vị thủy điện, các cảm biến khác nhau, giao diện truyền thông, phụ kiện, v.v.

Hệ thống giám sát trực tuyến của đơn vị thủy điện có thể thu thập và hiển thị dữ liệu ổn định (rung, rung trục, dao động áp suất, rung theo hướng trục, tiếng ồn, v.v.) và sự thay đổi của dữ liệu khe hở không khí theo thời gian thực. Nó cũng có thể hiển thị các tham số làm việc của thiết bị phát điện, chẳng hạn như điện áp đầu cuối, dòng điện, công suất hoạt động, công suất phản kháng, v.v.

2.2 Công nghệ cảm biến

Cảm biến là thành phần hoặc thiết bị có khả năng cảm nhận phần cần đo và chuyển đổi nó thành tín hiệu đầu ra có thể sử dụng theo các quy tắc nhất định. Thông thường, cảm biến bao gồm hai phần chính: phần cảm nhận và phần chuyển đổi. Phần cảm nhận là bộ phận trực tiếp cảm nhận hoặc phản ứng với đối tượng cần đo, trong khi phần chuyển đổi biến đổi tín hiệu từ phần cảm nhận thành tín hiệu điện phù hợp để truyền tải hoặc đo lường.

Tín hiệu đầu ra của cảm biến thường là tín hiệu điện, thuận tiện cho việc truyền tải, chuyển đổi, xử lý và hiển thị. Tín hiệu điện có nhiều dạng, như điện áp, dòng điện, điện dung, điện trở, v.v., và dạng tín hiệu đầu ra được xác định bởi nguyên lý hoạt động của cảm biến. Trong các nhà máy thủy điện, có nhiều loại cảm biến được sử dụng phổ biến. Dựa trên nguyên lý hoạt động, chúng chủ yếu bao gồm:

2.2.1 Cảm biến điện trở

Ví dụ: Cảm biến đo ứng suất và biến dạng của trục chính. Cảm biến này có thể phản ánh ứng suất và biến dạng của các thành phần kết cấu bằng cách đo giá trị điện trở của cảm biến thông qua hiệu ứng biến dạng của sự thay đổi điện trở của dây dẫn do biến dạng cơ học.

2.2.2 Cảm biến điện dung

Ví dụ: Cảm biến khe hở không khí của máy phát thủy điện. Cảm biến này sử dụng nguyên lý rằng giá trị điện dung giữa hai bản cực của cảm biến điện dung tấm liên quan đến khoảng cách giữa chúng để phát hiện sự thay đổi của khe hở không khí trong máy phát thủy điện.

2.2.3 Cảm biến cảm ứng từ

Ví dụ: Cảm biến dòng điện xoáy cho rung động trục chính. Cảm biến cảm ứng từ sử dụng cảm ứng điện từ để chuyển đổi đại lượng vật lý cần đo thành hệ số tự cảm hoặc hệ số cảm ứng từ, sau đó được chuyển đổi thành biến thiên của điện áp hoặc dòng điện bởi mạch đo lường.

2.2.4 Cảm biến điện từ

Ví dụ: Cảm biến rung của nhà máy thủy điện thường là cảm biến điện từ sử dụng hệ thống dao động lò xo, đo chuyển động tuyệt đối của thành phần cần đo cũng như giá đỡ cảm biến. Cảm biến điện từ sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để chuyển đổi các đại lượng vật lý như tốc độ chuyển động và biến dạng thành điện động lực cảm ứng trong cuộn dây.

2.2.5 Cảm biến khí

Ví dụ: H2, C2H2, CO và C2H4 trong dầu máy biến áp đi vào máy dò khí điện hóa của cảm biến khí, phản ứng với oxy để tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ với phân tỷ thể tích của khí, sau đó thu được tỷ lệ thay đổi kịp thời và hàng ngày của phân tỷ thể tích khí tổng hợp. Cảm biến khí được sử dụng để đo loại, nồng độ và thành phần của khí.

 

2.3 Công nghệ thu thập dữ liệu

Một trạm thu thập dữ liệu được thiết lập cho thiết bị ở cấp địa phương của đơn vị, và mỗi thành phần của trạm thu thập dữ liệu được tập trung trong một bảng điều khiển tiêu chuẩn. Công nghệ thu thập dữ liệu thường bao gồm: công nghệ điều chỉnh tín hiệu, lấy mẫu dữ liệu và công nghệ truyền thông dữ liệu.

2.3.1 Điều chỉnh tín hiệu

Trước khi điện áp của cảm biến được đưa vào thẻ thu thập, tín hiệu cần được lọc thông thấp để loại bỏ ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu đến dữ liệu thu thập. Chức năng của mô-đun điều chỉnh tín hiệu là nhận tín hiệu đầu ra từ cảm biến, giảm và lọc tín hiệu, chuyển đổi tín hiệu dòng điện thành tín hiệu điện áp, giảm điện trở trong của tín hiệu, và cuối cùng cung cấp tín hiệu điện áp phù hợp với tiêu chuẩn cho thẻ thu thập.

2.3.2 Lấy mẫu dữ liệu

Công nghệ cốt lõi của thu thập dữ liệu bao gồm:

- Lấy mẫu A/D: Số bit A/D đề cập đến phạm vi từ 0 đến 2ⁿ-1 mà A/D có thể sử dụng để rời rạc hóa tín hiệu điện áp đầu vào khi đại lượng tương tự được chuyển đổi thành đại lượng số. Số bit càng cao, độ phân giải càng cao.

- Tốc độ lấy mẫu: Tốc độ lấy mẫu đề cập đến số lần thẻ thu thập lấy mẫu tín hiệu tương tự mỗi đơn vị thời gian, là một chỉ số kỹ thuật quan trọng của thu thập dữ liệu.

- Phương pháp thu thập: Có hai phương pháp: lấy mẫu tần số cố định và lấy mẫu toàn bộ chu kỳ đồng bộ. Đối với phương pháp lấy mẫu tần số cố định, khoảng thời gian giữa các điểm lấy mẫu là cố định. Trong quá trình xử lý sau, cần kết hợp tín hiệu pha chính để chọn thời kỳ của dữ liệu phân tích phổ, nếu không sẽ xảy ra rò rỉ phổ. Thông qua phương pháp lấy mẫu toàn bộ chu kỳ, tần số thu thập liên quan đến tốc độ quay của đơn vị, và khoảng thời gian không đồng nhất, có thể gây ra một số vấn đề trong quá trình xử lý sau này.

2.3.3 Truyền thông dữ liệu

Theo nhu cầu phân tích dữ liệu, dữ liệu mẫu ban đầu được nhóm và truyền đến đơn vị phân tích dữ liệu thông qua mạng hoặc bus dữ liệu. Cấu trúc mạng vòng thường được áp dụng giữa thiết bị ở cấp nhà máy điện và thiết bị ở cấp địa phương, và phương tiện mạng được sử dụng thường là sợi quang.

 

2.4 Công nghệ phân tích dữ liệu

Phân tích dữ liệu là phân tích và hiển thị đa chiều của các tín hiệu mẫu thu được. Ví dụ, thực hiện phân tích miền thời gian và phổ của thông tin số thu được, và sử dụng phần mềm lọc, xử lý trung bình và các công nghệ khác để xử lý, biến đổi hoặc phân tách tín hiệu nhằm cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Mục đích của phân tích dữ liệu bao gồm: thu thập giá trị đặc trưng, hiển thị dữ liệu và phân tích sơ bộ nguyên nhân sự cố.

2.4.1 Thu thập giá trị đặc trưng

Các giá trị đặc trưng cần đo được thu thập bằng cách phân tích dữ liệu mẫu ban đầu, chẳng hạn như giá trị đỉnh đến đỉnh và dữ liệu phổ được tính toán bởi thiết bị giám sát rung động/rung trục trực tuyến. Hệ thống giám sát trực tuyến cho hàm lượng khí trong dầu được sử dụng để tính toán nồng độ của các thành phần khí khác nhau và tỷ lệ thay đổi sản xuất khí. Thiết bị giám sát phóng điện cục bộ trực tuyến tính toán số lần phóng điện và biên độ phóng điện, v.v.

 

2.4.2 Hiển thị dữ liệu

Dữ liệu mẫu ban đầu và giá trị đặc trưng được hiển thị dưới dạng biểu đồ để thuận tiện cho nhân viên vận hành và bảo trì thiết bị hiểu dữ liệu. Chẳng hạn, đồ thị miền thời gian và đồ thị thác nước của thiết bị giám sát rung động/rung trục trực tuyến, và phổ hai chiều và ba chiều của thiết bị giám sát phóng điện cục bộ trực tuyến.

2.4.3 Phân tích nguyên nhân sự cố

Một số hệ thống giám sát trực tuyến thậm chí có thể thực hiện phân tích nguyên nhân sơ bộ cho các sự cố đặc biệt trên cơ sở phân tích dữ liệu. Ví dụ, hệ thống giám sát trực tuyến cho hàm lượng khí trong dầu có thể ước tính sơ bộ nguyên nhân của hàm lượng khí thành phần vượt mức trong dầu thông qua nguyên lý ba tỷ lệ, và hệ thống giám sát phóng điện cục bộ GIS/GIL phân tích loại phóng điện theo lượng phóng điện và điện áp.

2.5 Công nghệ tích hợp hệ thống

Thông thường có hai phương pháp tích hợp hệ thống. Phương pháp đầu tiên là thực hiện tích hợp theo loại hệ thống giám sát trực tuyến, tức là thực hiện tích hợp dữ liệu cho cùng một loại hệ thống giám sát trực tuyến giữa các đơn vị và thiết bị khác nhau;

Phương pháp thay thế là thực hiện tích hợp theo đơn vị, tức là thực hiện tích hợp dữ liệu giữa các loại hệ thống giám sát trực tuyến khác nhau của một đơn vị nhất định. Sự cố của thiết bị đơn vị có thể ảnh hưởng lẫn nhau, và cùng một sự cố có thể được phản ánh trong dữ liệu của nhiều hệ thống giám sát trực tuyến. Đối với phân tích sự cố, phương pháp thứ hai phù hợp hơn. Tuy nhiên, do sự khác biệt trong công nghệ giám sát và phương pháp phân tích của các hệ thống giám sát trực tuyến khác nhau, có yêu cầu cao hơn đối với nhà tích hợp, vì vậy phương pháp tích hợp đầu tiên vẫn được ưu tiên hiện nay.

 

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

Việc vận hành tổng hợp nhà máy thủy điện và hồ chứa cần xem xét toàn diện các nguồn thông tin khác nhau. Thông qua hệ thống giám sát trực tuyến thiết bị cơ điện, việc thực hiện vận hành từ xa hoặc giám sát tại chỗ các nhà máy thủy điện và hồ chứa, kịp thời hiểu và nắm bắt trạng thái của thiết bị cơ điện của nhà máy thủy điện, đảm bảo vận hành an toàn, ổn định và kinh tế của các tổ máy, có ý nghĩa quan trọng trong việc xây dựng và điều chỉnh kịp thời kế hoạch vận hành của nhà máy thủy điện và hồ chứa, cũng như cải thiện hiệu quả kinh tế của nhà máy thủy điện và hồ chứa. Hiện nay, công nghệ giám sát trực tuyến thiết bị cơ điện đã được ứng dụng thực tế ở nhiều quốc gia, chủ yếu thể hiện ở các khía cạnh sau:

 

3.1 Giám sát theo thời gian thực

Hiển thị sự thay đổi dữ liệu ổn định và dữ liệu khe hở không khí với nhiều đồ họa hoặc đường cong trực quan theo thời gian thực, tạo điều kiện cho nhân viên vận hành và bảo trì hiểu rõ trạng thái vận hành theo thời gian thực của từng thành phần tổ máy, đảm bảo các tổ máy luôn trong tình trạng tốt.

Ví dụ, Energias de Portugal (EDP) đã thực hiện giám sát trạng thái theo thời gian thực thông qua tính toán biên. Hiện tượng tác động được phát hiện từ tín hiệu gốc của cảm biến gia tốc hướng kính tại ổ trục dẫn hướng trên, và quan sát từ đồ thị quỹ đạo cho thấy có hai cú sốc đối diện nhau tại mỗi vòng quay. Như được xác nhận bởi nhân viên vận hành và bảo trì, kết quả giám sát tín hiệu này phù hợp với một số tiếng ồn từ thiết bị phụ trợ trong khu vực ổ trục dẫn hướng trên. Trong quá trình bảo dưỡng ngắn hạn, ổ trục dẫn hướng trên được kiểm tra và phát hiện một số tấm ổ trục bị lỏng. Sau khi siết chặt lại các tấm ổ trục và điều chỉnh thiết bị nghiêng của các tấm, giám sát trạng thái vận hành tiếp theo của ổ trục dẫn hướng trên và xác nhận rằng biện pháp này đã giải quyết hiệu quả hiện tượng tín hiệu tác động và tiếng ồn bất thường trong phần này. 

([powerline.net.in](https://powerline.net.in/2024/03/08/asset-management-effective-om-practices-for-hydropower-plants/?utm_source=openai))

 

3.2 Vận hành từ xa

Với sự phát triển nhanh chóng của ngành năng lượng, thị trường năng lượng ngày càng trở nên kỹ thuật số, phi tập trung và phức tạp. Sự gia tăng số lượng các đơn vị phát điện phi tập trung làm tăng sự biến động của thị trường năng lượng, đòi hỏi nhiều quyết định được đưa ra trong thời gian ngắn trong môi trường thay đổi động. Sự trưởng thành ngày càng tăng của công nghệ giám sát trực tuyến thiết bị cơ điện đã thúc đẩy hiệu quả việc phát triển các ứng dụng vận hành từ xa tập trung. Việc phổ biến vận hành từ xa đã thực hiện hỗ trợ quyết định nhanh chóng cho vận hành và quản lý các nhà máy thủy điện và hồ chứa, đồng thời giảm hiệu quả chi phí quản lý và tăng lợi ích quản lý toàn diện.

Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đã thực hiện vận hành từ xa các nhà máy thủy điện. Ví dụ, China Yangtze Power Co., Ltd., công ty năng lượng sạch niêm yết lớn nhất của Trung Quốc, đã thiết lập các trung tâm điều khiển từ xa tại Thành Đô, tỉnh Tứ Xuyên và Côn Minh, tỉnh Vân Nam, cho phép vận hành từ xa bốn nhà máy thủy điện khổng lồ cách hàng trăm km ở hạ lưu sông Kim Sa. Hầu hết các nhà máy thủy điện ở Thụy Sĩ cũng đã thực hiện vận hành từ xa, cung cấp cho chủ sở hữu cơ hội phản ứng nhanh chóng với các nhu cầu năng lượng cụ thể, và cũng phản ứng nhanh chóng với các yêu cầu ổn định của lưới điện.

 ([en.wikipedia.org](https://en.wikipedia.org/wiki/Hydropower_in_Switzerland?utm_source=openai))

 

 

3.3 Cảnh báo sớm

Thu thập các chỉ số hiệu suất nên có dưới trạng thái hiện tại dựa trên phân tích dữ liệu lịch sử trong quá trình vận hành bình thường của các tổ máy. Theo điều kiện vận hành của nhà máy điện và chế độ vận hành của thiết bị, thiết lập giá trị cảnh báo và dữ liệu mẫu dưới mỗi điều kiện vận hành, và so sánh dữ liệu đo lường vận hành thực tế hiện tại với hành vi mong đợi, để tự động phán đoán trạng thái vận hành của các tổ máy theo thời gian thực. Khi trạng thái thay đổi, kịp thời gửi ra tín hiệu cảnh báo và cảnh báo sớm, để nhân viên trực ca có thể biết thông tin bất thường của tổ máy và thực hiện các biện pháp tương ứng ngay lập tức.

Hệ thống giám sát trực tuyến thiết bị cơ điện kịp thời cảnh báo về sự gia tăng bất thường trong trạng thái vận hành của dữ liệu phóng điện cục bộ của máy phát điện, như được thể hiện trong Hình 6-1. Nhân viên liên quan đã tắt máy, kiểm tra các thanh stato và phát hiện rằng cách điện của một ống sắt (đường kính: 10 mm) giữa hai đầu trên của hai thanh dưới bị mòn, như được thể hiện trong Hình 6-2. Sau khi sửa chữa, mức độ phóng điện cục bộ của máy phát điện đã được phục hồi và tránh được việc mở rộng thêm một tai nạn.

Hình 6-1: Minh họa sự gia tăng dữ liệu phóng điện cục bộ (PD)

Hình 6-1 minh họa sự gia tăng dữ liệu phóng điện cục bộ (PD) trong quá trình vận hành của máy phát thủy điện. Sự gia tăng này thường được biểu diễn qua đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp áp dụng và cường độ phóng điện cục bộ. Theo nghiên cứu, cường độ phóng điện cục bộ tăng lên khi điện áp áp dụng tăng, đặc biệt là khi điện áp đạt đến giá trị gần với điện áp phóng điện (flashover voltage). Điều này cho thấy mối quan hệ giữa điện áp và cường độ phóng điện cục bộ có thể được biểu diễn qua đồ thị với trục hoành là điện áp và trục tung là cường độ phóng điện cục bộ. 

Việc theo dõi sự gia tăng phóng điện cục bộ là rất quan trọng, vì nó có thể là dấu hiệu của sự suy giảm chất lượng cách điện trong máy phát. Khi cường độ phóng điện cục bộ tăng, điều này có thể dẫn đến hư hỏng cách điện nghiêm trọng hơn, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của máy phát. Do đó, việc giám sát và phân tích dữ liệu phóng điện cục bộ giúp phát hiện sớm các vấn đề và thực hiện các biện pháp bảo trì kịp thời, đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của hệ thống thủy điện.

Hình 6-2: Hình ảnh giám sát Stato của máy phát

Hình 6-2 minh họa các thanh stato của máy phát thủy điện với phần cách điện ở đầu bị hỏng. Trong quá trình vận hành, việc phát hiện và sửa chữa kịp thời các hư hỏng này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của máy phát.

**Cách điện của thanh stato:**

Thanh stato là các thanh dẫn điện chính trong máy phát thủy điện, thường được quấn bằng dây đồng và được cách điện để ngăn chặn dòng điện không mong muốn và đảm bảo hiệu suất hoạt động. Cách điện ở đầu thanh stato giúp ngăn chặn sự tiếp xúc không mong muốn giữa các phần dẫn điện và các bộ phận khác, tránh gây ra chập điện hoặc hư hỏng thiết bị.

**Hư hỏng cách điện ở đầu thanh stato:**

Hư hỏng cách điện ở đầu thanh stato có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân, bao gồm:

- Mài mòn cơ học: Do ma sát liên tục trong quá trình vận hành, lớp cách điện có thể bị mài mòn, dẫn đến lộ ra phần dẫn điện bên trong.

- Nhiệt độ cao: Nhiệt độ quá cao có thể làm hỏng hoặc làm suy yếu lớp cách điện, đặc biệt nếu hệ thống làm mát không hoạt động hiệu quả.

- Phóng điện cục bộ: Sự tích tụ điện tích và phóng điện cục bộ có thể gây hỏng lớp cách điện, đặc biệt ở các khu vực có điện trường mạnh.

**Hậu quả của hư hỏng cách điện:** Khi lớp cách điện ở đầu thanh stato bị hỏng, có thể dẫn đến:

 

- Chập điện: Tiếp xúc không mong muốn giữa các phần dẫn điện có thể gây ra chập điện, ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn của máy phát.

- Giảm hiệu suất: Hư hỏng cách điện có thể làm giảm hiệu suất hoạt động của máy phát, dẫn đến tổn thất năng lượng và tăng chi phí vận hành.

- Hư hỏng thiết bị: Nếu không được phát hiện và sửa chữa kịp thời, hư hỏng cách điện có thể dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng hơn của máy phát, gây gián đoạn trong quá trình sản xuất điện và tăng chi phí bảo trì.

**Biện pháp khắc phục:** Để khắc phục hư hỏng cách điện ở đầu thanh stato, có thể thực hiện các biện pháp sau:

- Kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ: Thực hiện kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ để phát hiện sớm các hư hỏng và thực hiện sửa chữa kịp thời.

- Sử dụng vật liệu cách điện chất lượng cao: Đảm bảo sử dụng vật liệu cách điện có chất lượng tốt và phù hợp với điều kiện vận hành của máy phát.

- Cải thiện hệ thống làm mát: Đảm bảo hệ thống làm mát hoạt động hiệu quả để duy trì nhiệt độ hoạt động trong giới hạn an toàn, tránh làm hỏng lớp cách điện.

Việc phát hiện và sửa chữa kịp thời hư hỏng cách điện ở đầu thanh stato là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của máy phát thủy điện.

Nhà máy thủy điện tích năng Frades II ở Bồ Đào Nha đã triển khai một giải pháp giám sát tiên tiến kết hợp giữa phân tích đám mây và phân tích biên để phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và tiềm ẩn hỏng hóc. Hệ thống này sử dụng hai phương pháp bổ sung:

1. **Phân tích đám mây (Cloud Analysis):** Dựa trên việc thu thập dữ liệu tần suất thấp (tốc độ lấy mẫu: 1-5 phút) từ các cảm biến tại chỗ, phương pháp này áp dụng mô hình dự đoán để nhận dạng mẫu nâng cao, tạo ra ước tính cho tất cả dữ liệu đầu vào và một số dữ liệu tính toán như hiệu suất thiết bị.

2. **Phân tích biên (Edge Analysis):** Xử lý dữ liệu tần suất cao để nhận dạng mẫu nâng cao, phương pháp này giám sát các hiện tượng thoáng qua trên các tổ máy thủy điện cho một tập hợp các chế độ hỏng hóc cụ thể, thường liên quan đến kiến thức và phân tích trong các lĩnh vực như rung động, phóng điện cục bộ, v.v. Mặc dù phương pháp này bao quát ít chế độ hỏng hóc hơn, nhưng độ chính xác của chẩn đoán cao hơn và có thể phát hiện hỏng hóc sớm hơn.

Việc kết hợp cả hai phương pháp này giúp Frades II tăng cường khả năng giám sát và chẩn đoán, đảm bảo vận hành an toàn, ổn định và hiệu quả của nhà máy.

 

3.4 Đánh giá hiệu suất

Phân tích trạng thái của các tổ máy dựa trên dữ liệu lịch sử nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho kế hoạch bảo trì. Tự động tạo ra các báo cáo trạng thái trước và sau bảo trì, và đánh giá kết quả bảo trì bằng cách so sánh dữ liệu lịch sử và xu hướng đường cong. Phân tích dữ liệu biến đổi khe hở không khí trong quá trình quá độ và ổn định nhiệt để hướng dẫn việc lắp đặt và thiết kế tối ưu các tổ máy.

Hệ thống giám sát và phân tích được phát triển bởi một công ty công nghệ Đức có chức năng giám sát và phân tích thông minh để hỗ trợ hiệu quả cho chiến lược bảo trì phòng ngừa. Ví dụ, để tăng cường thông tin hiệu quả chứa trong tín hiệu rung động và thể hiện các yếu tố tương quan giữa các rung động khác nhau, mô-đun thống kê của hệ thống giám sát có thể linh hoạt cung cấp giá trị đo của bất kỳ biến quá trình mong muốn nào. Phân tích so sánh đa chiều có thể được thực hiện trên các mặt đo khác nhau, tín hiệu đo và các tham số chính.

3.5 Phân tích và chẩn đoán từ xa

Mạng giám sát trạng thái của các tổ máy có thể được xây dựng bằng mạng LAN cục bộ (Local Area Network), và các kỹ sư quản lý thiết bị có thể thực hiện giám sát và phân tích trực tuyến các tổ máy, nắm bắt trạng thái của các tổ máy bất kỳ lúc nào trong phạm vi mạng.

Thông qua chẩn đoán sự cố, xác định chính xác vị trí và nguyên nhân sự cố kịp thời, cung cấp giải pháp cho việc bảo trì chính xác các tổ máy và giảm chi phí cũng như thời gian khắc phục sự cố.

Hệ thống giám sát, phân tích và chẩn đoán được phát triển bởi một công ty công nghệ Đức hỗ trợ việc cung cấp truy cập từ xa an toàn từ máy chủ trung tâm đến hệ thống giám sát trực tuyến. Các chuyên gia chẩn đoán thiết bị có thể truy cập hệ thống giám sát trạng thái cục bộ thông qua truy cập an toàn đến thiết bị đặc biệt. Khi các chuyên gia chẩn đoán thiết bị không có mặt tại chỗ, hỗ trợ từ xa và phân tích nhanh chóng các sự cố thiết bị tổ máy có thể được thực hiện, đánh giá định kỳ có thể được thực hiện, và các tham số thiết bị có thể được cấu hình, khởi động, khắc phục sự cố và phân tích. 

3.6 Tối ưu hóa vận hành

Bằng cách sử dụng dữ liệu tự động tích lũy từ hệ thống giám sát trạng thái trực tuyến, cơ sở dữ liệu về trạng thái vận hành ổn định và phạm vi điều kiện vận hành không ổn định của các tổ máy được thiết lập, nhằm nhắc nhở nhân viên trực ca tránh hoặc rút ngắn thời gian vận hành của các tổ máy trong điều kiện không ổn định, hướng dẫn các tổ máy vận hành trong điều kiện ổn định càng nhiều càng tốt, tối ưu hóa hiệu suất của các tổ máy và hướng dẫn vận hành kinh tế của các tổ máy.

3.7 Bảo trì dựa trên điều kiện

Bằng cách phân tích và khai thác dữ liệu thu được từ hệ thống giám sát điều kiện trực tuyến, có thể thực hiện đánh giá hiệu suất và quản lý tình trạng và sức khỏe (PHM) thành công. Theo điều kiện của tổ máy được phân tích bởi dữ liệu trực tuyến, chiến lược bảo trì có thể được xây dựng một cách khoa học và hợp lý, giúp tránh hiệu quả các vấn đề về bảo trì thiếu và bảo trì quá mức do bảo trì theo kế hoạch.

 

4. TRIỂN VỌNG

Với sự phát triển của công nghệ cảm biến và Internet vạn vật (IoT), việc thu thập thông tin trạng thái thiết bị trở nên thuận tiện và chính xác hơn, giúp quá trình xử lý và phân tích dữ liệu sau này trở nên đáng tin cậy và trực quan hơn. Cùng với sự tiến bộ của công nghệ mô phỏng phần cứng và phần mềm, việc sử dụng các hệ thống mô phỏng thời gian thực hoặc gần thời gian thực để vận hành các mô hình trạng thái thiết bị, kết hợp với các dữ liệu thu được từ giám sát trực tuyến để điều chỉnh và tối ưu hóa mô hình mô phỏng, sẽ đạt được hiệu quả trong việc mô phỏng hoạt động của thiết bị tổ máy dưới các điều kiện làm việc khác nhau.

4.1 Triển vọng của công nghệ cảm biến

Công nghệ cảm biến dự kiến sẽ phát triển theo các hướng sau:

1. Độ chính xác cao hơn: Điều này không chỉ thể hiện ở độ chính xác cao hơn của phép đo cảm biến mà còn ở độ tin cậy và ổn định cao hơn của cảm biến, tức là khả năng chống nhiễu tốt hơn.

2. Không dây: Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ IoT, các cảm biến sẽ dần dần thực hiện truyền tải không dây.

3. Thông minh hóa và số hóa: Các cảm biến trong tương lai sẽ thực hiện số hóa và xử lý thông minh để trích xuất các chỉ số đặc trưng quan trọng, và có khả năng thay đổi chiến lược kiểm tra và trích xuất đặc trưng bất kỳ lúc nào theo yêu cầu.

4. Thu nhỏ kích thước: Trong những năm gần đây, các cảm biến áp suất vi mô, cảm biến gia tốc, cảm biến nhiệt độ và các cảm biến khác đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như ô tô, sinh học, thể thao và các lĩnh vực khác. So với các cảm biến truyền thống, chúng có đặc điểm như kích thước nhỏ, chi phí thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, độ tin cậy cao, dễ tích hợp và thông minh hóa, có thể được lắp đặt ở nhiều vị trí hơn.

5. Đa chiều hóa: Để có cái nhìn tổng thể và toàn diện về trạng thái vận hành của các tổ máy thủy điện, sẽ sử dụng nhiều cảm biến để giám sát các tham số cùng lúc, và thông tin sẽ được kết hợp.

 

4.2 Triển vọng của công nghệ dữ liệu lớn và nền tảng thông minh

 

Trong những năm gần đây, với sự xuất hiện và trưởng thành của công nghệ dữ liệu lớn, việc kết hợp thông tin từ nhiều nguồn đã trở thành một xu hướng mới trong tích hợp hệ thống. Việc xây dựng nền tảng dữ liệu lớn, truy cập vào dữ liệu từ các hệ thống giám sát trực tuyến và hệ thống giám sát máy tính, kết hợp các dữ liệu và hệ thống thông tin trước đây độc lập, cũng như phân tích trạng thái đa chiều và đa góc độ của thiết bị tổ máy, đã dần trở thành hướng phát triển của tích hợp hệ thống.

Mặt khác, do sự xuất hiện của một loạt các thành phần, khái niệm, phương pháp và mô hình mới như học máy (ML), trí tuệ nhân tạo (AI) và khai thác dữ liệu (DM), mô hình vận hành của các công ty thủy điện đang trải qua những thay đổi đáng kể. Nền tảng thông minh mạng của nhà máy thủy điện dựa trên tự động hóa và bảo trì dựa trên dữ liệu cung cấp một mức độ chưa từng có về dịch vụ vận hành và bảo trì thủy điện. Bằng cách cung cấp các kết luận phân tích hữu ích từ dữ liệu vận hành thiết bị, theo dõi trạng thái sức khỏe của nhà máy thủy điện và cải thiện chẩn đoán và dự đoán sự cố của các tổ máy thủy điện, thiết bị thủy điện có thể được sửa chữa vào thời điểm tốt nhất và thời gian ngừng hoạt động của thiết bị có thể được giảm thiểu.

Ví dụ, sử dụng dấu vân tay máy (dấu vân tay máy) để giám sát, nhận dạng và phân tích trạng thái sức khỏe của thiết bị. Bằng cách so sánh phân tích tương quan và phân tích thời gian-tần số giữa dấu vân tay vận hành của thiết bị cần phân tích và mẫu dấu vân tay khỏe mạnh được thiết lập dưới điều kiện vận hành bình thường trên một nền tảng thông minh mạng, trạng thái bất thường của thiết bị tổ máy có thể được nhận diện hiệu quả.

Nhật Bản sử dụng một thuật toán thị giác máy tính tiên tiến dựa trên học sâu, có thể nhận dạng sự tích tụ tuyết trong hình ảnh video ghi lại. Thuật toán giải quyết vấn đề thực tế về gián đoạn phát điện trong vài tháng do tuyết trôi hình thành trên bề mặt nước do tuyết rơi nặng trong mùa đông, bị kẹt trên cổng vào của nhà máy thủy điện nằm sâu trong núi. Sự tích tụ tuyết trong hình ảnh CCTV có thể được phát hiện tự động. Một cảnh báo sẽ được đưa ra khi tuyết trôi trên cổng vào vượt quá ngưỡng, và van cổng vào có thể được vận hành tự động để xả tuyết trôi mà không cần can thiệp thủ công.

Dự án Monitor X, do các công ty năng lượng ở Na Uy, Thụy Điển và các quốc gia khác hợp tác với trung tâm nghiên cứu, đã phát triển các mô hình và thuật toán cho phân tích dữ liệu, giám sát trạng thái và phân tích cho bảo trì dự đoán của các thành phần thủy điện. Dự án đã công bố 9 trường hợp ứng dụng thực tế, bao gồm thuật toán phát hiện suy giảm ổ trục hoặc sự cố sớm và phát hiện sự cố máy biến áp điện lực. Trong trường hợp thuật toán phát hiện suy giảm ổ trục hoặc sự cố sớm, một mô hình mạng nơ-ron (LSTM) được thiết lập cho một nhà máy điện để dự đoán hành vi bình thường của nhiệt độ ổ trục, và nhiệt độ ổ trục hiện tại được dự đoán dựa trên một loạt các giá trị đo nhiệt độ trước đó, từ đó thực hiện giám sát trạng thái động của các sự cố sớm trong quá trình vận hành ổ trục.

[Còn nữa, xem tiếp Bài 8: Công nghệ giám sát trực tiếp cấu trúc thép]