Giới thiệu về các cấu trúc phân tán
Theo lý thuyết cấu trúc liên kết Barran năm 1964 [1], có thể chia các cấu trúc liên kết các phần tử trong hệ thống kỹ thuật hay xã hội thành 3 loại chính như hình 1: “Tập trung” (Centralized), “Phân tán“ (Decentralized), và “Phân bố” (Distributed). Trong đó, cấu trúc phân tán và phân bố là các cấu trúc phi tập trung. Theo một cách nhìn khác, cấu trúc phân bố có thể được xếp vào loại cấu trúc phân tán một lớp hoặc cấu trúc phân tán không có các nút (tác tử, phần tử) khu vực. Ba loại cấu trúc này tồn tại trong rất nhiều hệ thống khác nhau, như các hệ thống năng lượng, hệ thống thông tin, hệ thống giao dịch, hệ thống quản trị...
Hình 1: Cấu trúc các hệ thống tập trung, phân tán và hệ thống phân bố [1]
Ngoài ra, hình thức không liên kết giữa các nút, hay còn gọi là cục bộ hóa (localized) cũng có thể được xếp thành một hình thức phân tán.
Theo sự phát triển của các mô hình hoạt động kỹ thuật, kinh tế, xã hội, ngành điều khiển cũng đã phát triển lý thuyết toán về các loại cấu trúc phân tán hiện đại để phù hợp với sự phức tạp của chúng. Một loại cấu trúc phân tán điển hình hay được đề xuất áp dụng cho các hệ thống kỹ thuật trong thời gian gần đây là cấu trúc phân tán phân lớp, như được minh họa ở hình 2. Cấu trúc này rất phù hợp với các hệ thống có quy mô lớn.
Hình 2: Phân cấp theo các lớp trong hệ thống phân tán [2]
Trong một hệ thống tổng thể, các hệ thống thành phần không nhất định phải có cấu trúc liên kết giống nhau. Chẳng hạn như trong mô hình thông tin – vật lý (Cyber - Physical Model) của một hệ thống điện trình bày trong hình 3, lớp thông tin có thể có các lựa chọn cấu trúc độc lập với lớp vật lý (truyền dẫn năng lượng). Lớp vật lý trong hình có cấu trúc tập trung, trong khi đó lớp thông tin có thể có các lựa chọn khác nhau: Tập trung, Cục bộ hóa và kết hợp Phân bố và cục bộ hóa, trong đó hai cấu trúc sau đều thuộc loại hình cấu trúc phân tán.
Hình 3: Cấu trúc lớp thông tin và lớp vật lý bên trong các hệ thống tập trung, phân tán và hệ thống phân phối [3]
Với các hệ thống kỹ thuật, lớp vật lý của chúng thường có cấu trúc theo đặc thù chức năng, nhiệm vụ của hệ thống và do đó thường chậm hoặc khó thay đổi. Lớp thông tin phục vụ cho việc điều khiển, quản trị hệ thống, và có thể được linh hoạt chọn lựa giữa các kiểu cấu trúc tập trung hay phân tán.
Các ưu điểm cơ bản của các cấu trúc phân tán, khi vận dụng vào các mô hình hệ thống kỹ thuật, kinh tế hay xã hội, nằm ở tính bảo mật thông tin, tính công bằng, và sự tối ưu hóa sử dụng tài nguyên. Khi áp dụng cấu trúc phân tán, trong nhiều trường hợp các phần tử có thể được chọn lựa đối tác tương tác (thông tin, giao dịch…) của mình, và một phần tử chỉ tương tác với một số giới hạn các phần tử khác (phần tử lân cận, thân thiết). Điều này hạn chế việc rò rỉ thông tin toàn hệ thống. Do không có độc quyền thông tin/ độc quyền tương tác, tính công bằng của hệ thống được bảo đảm tốt hơn. Sự phân tán về cấu trúc cũng dẫn đến phân tán về chức năng, nhiệm vụ (cung ứng, tính toán, điều khiển, quản trị…), dẫn đến sự chia sẻ tài nguyên liên quan, làm giảm các áp lực cung ứng, tính toán, hoặc điều khiển hệ thống tổng thể. Việc các tác vụ cung ứng, tính toán, điều khiển hệ thống được chia sẻ thực hiện song song qua cấu trúc phân tán giúp hệ thống vận hành nhanh chóng và hiệu quả hơn.
Tuy vậy, cấu trúc phân tán lại đòi hỏi vận dụng các kỹ thuật mô hình phức tạp phù hợp để bảo đảm tính đồng bộ và tính minh bạch, đồng thời cần các cảm biến/thiết bị/công cụ cũng như các phương thức/giao thức tương tác liên quan phức tạp hơn so với cấu trúc tập trung. Đây là các thách thức khiến việc áp dụng các cấu trúc phân tán vào thực tế chậm hơn khá nhiều so với tốc độ nghiên cứu và đề xuất chúng trong các ngành Toán, Điều khiển học.
Các giải thuật điều khiển phân tán
Một trong những đặc thù quan trọng của cấu trúc phân tán là việc áp dụng chúng trong hệ thống thông tin liên lạc, quản lý và điều khiển tối ưu hệ thống. Các giải thuật quản lý, điều khiển có cấu trúc phân tán thường phức tạp hơn so với các giải thuật có cấu trúc tập trung.
Đã có rất nhiều lớp mô hình giải thuật quản lý, điều khiển tối ưu phân tán được nghiên cứu đề xuất trong nhiều thập niên qua, chẳng hạn như Điều khiển/Tối ưu phân tán (Decentralized Control/Optimization), Điều khiển phân bố (Distributed Control), Điều khiển thụ động (Pasitivity Control), Điều khiển phân tán phân lớp (Hierarchical Decentralized Control), Mul-ti Agent Control (Điều khiển đa tác tử), Điều khiển toàn cục – cục bộ (Glocal Control)…
Các giải thuật cụ thể trong các lớp giải thuật được đề xuất đều hướng tới việc bảo mật thông tin, tăng tốc độ xử lý, tính toán của hệ thống, bảo đảm tính đồng bộ hệ thống. Bên cạnh đó, việc vận dụng các giải thuật điều khiển trên phần lớn không yêu cầu sự hiểu biết về cấu trúc cũng như tham số đầy đủ của cả hệ thống, khiến cho các mục tiêu điều khiển trở nên dễ dàng thực thi trong thực tế.
Một số kỹ thuật điều khiển cụ thể trong các lớp này đã được vận dụng vào thực tiễn các hệ thống công nghiệp, chẳng hạn như các kỹ thuật của các lớp điều khiển phân bố (DCS), điều khiển đa tác tử, điều khiển phân tán phân lớp.
Mô hình hệ thống phân tán trong hệ thống điện
Hệ thống điện truyền thống vốn đã có cấu trúc phân tán phân lớp với lớp vật lý. Tuy nhiên, lớp thông tin và điều khiển có cấu trúc chủ yếu là tập trung, đặc biệt là cấu trúc thông tin và điều độ các nhà máy điện trong hệ thống. Tuy rằng các nhà máy điện lớn đều có các chức năng điều khiển tại chỗ như điều tần cấp 1, điều khiển ổn định (PSS)… và các chức năng điều khiển này hình thành một lớp điều khiển phân tán (tại chỗ), nhưng các quyết định điều khiển quan trọng hoặc có tính tham chiếu đều được thực thi qua cơ chế điều khiển trung tâm.
Với sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo phân tán, việc tích hợp xe điện vào hệ thống điện, sự chuyển đổi vai trò sang chủ động, tích hơn của các hộ tiêu thụ điện thông qua đáp ứng phụ tải, của các nhà tiêu thụ - cung cấp (prosumer) trong hệ thống điện, cơ chế điều khiển hệ thống điện tập trung đã bộc lộ nhiều hạn chế, đặc biệt là trong việc thu thập thông tin, đồng bộ hệ thống, và bảo đảm giám sát, điều khiển hệ thống một cách trọn vẹn, liên tục, ổn định.
Xuất phát từ nguyên nhân này, cùng với các nguyên nhân khác liên quan đến sự phân tán về tài nguyên, nhân lực, các mô hình như Microgrid, nhà máy điện ảo (VPP), tòa nhà thông minh đã được đề xuất và lần lượt được triển khai nhiều nơi trên thế giới, làm tăng tính phân tán trong khâu quản lý, điều khiển hệ thống điện.
Hình 4: Xu hướng chuyển đổi từ tập trung sang đa hướng và phân tán các hệ thống năng lượng tập trung [4]
Cùng với đó, thị trường điện cũng chuyển dần sang xu hướng phân tán, với các mô hình thị trường điện bán lẻ, mua bán điện trực tiếp, mua bán ngang hàng (peer-2-peer).
Việc xuất hiện các mô hình nguồn phân tán, Microgrid, VPP, thị trường điện p2p, xe điện… cũng khiến cho các công nghệ, giải thuật điều khiển/tối ưu phân tán dần chứng minh tính thực tiễn của chúng. Ngoài các giải thuật quản lý/điều khiển phân tán như đã nhắc đến ở trên, còn có thể kể đến công nghệ blockchain rất phù hợp với các ứng dụng phân tán như lưu trữ dữ liệu sạc xe điện, thị trường điện bán lẻ, mua bán điện trực tiếp, mua bán điện p2p, mua bán tín chỉ các-bon, tín chỉ năng lượng tái tạo.
Hình 5: Giải thuật điều khiển phân tán phân lớp giúp nâng cao tính ổn định của hệ thống [5]
Kết luận
Trong công cuộc chuyển dịch năng lượng, xu hướng phân tán sẽ là một xu thế không thể tránh được. Trong nhiều thập niên qua, các cấu trúc phân tán và các phương thức quản lý, điều khiển tương ứng đã được đề xuất, phát triển một cách đa dạng, phong phú trong ngành Toán và ngành Điều khiển học. Việc tìm hiểu, nghiên cứu các cấu trúc, kỹ thuật này sẽ đem lại nhiều thuận lợi cho việc triển khai hệ thống năng lượng phân tán trong thời gian sắp tới.
Theo pecc2.vn