Đồ án Tìm hiểu ứng dụng của Scadatrong hệ thống điện

Nội dung text: Đồ án Tìm hiểu ứng dụng của Scadatrong hệ thống điện

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG ĐIỆN TÌM HIỂU ỨNG DỤNG CỦA SCADATRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: SINH VIÊN THỰC HIÊN: Th.S Đào Minh Trung Nguyễn Hữu Nguyên (MSSV:1111018) Ngành: Kỹ thuật điện – khóa 37 Tháng 11/2014
2. Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điệ, hệ thống truyền tải, lưới phân phối và các phụ tải tiêu thụ điện. Chúng gắn bó với nhau thành một thể thống nhất, nếu bị phá vỡ thì sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề cho toàn hệ thống và gây ảnh hưởng khoonng nhỏ đến nền kinh tế quốc dân. Do vậy đòi hỏi một sự quản lý, giám sat, điều khiển vận hành an toàn, tin cậy cho toàn hệ thống. Cùng với sự phát triển của hệ thống hiện đại có các thiết bị điện ứng dụng công nghệ tân tiến thì vấn đề quản lý, giám sát, điều khiển vận hành hệ thống điện cũng không ngừng phát triển với sự trợ giúp đắc lực của các thiết bị tự động, thiết bị truyền tin và thiết bị điều khiển từ xa, các hệ thống giám sát điều khiển hệ thống điện. Một trong các hệ thống trợ giúp đắc lực đó là hệ thống điều khiển giám sát thu thập dữ liệu SCADA. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, của quá trình công nghiệp hoá-hiện đại hoá, các sản phẩm công nghệ yêu cầu phải tinh sảo, chất lượng, đáp ứng được nhu cầu của người tiêu dùng. Để làm được điều đó người kỹ sư phải không ngừng nghiên cứu, tìm hiểu, nắm bắt sự phát triển của xã hội.Trong học kỳ này em được giao tìm hiểu ứng dụng cúa hệ thống SCADA trong hệ thống điện do Th.S Đào Minh Trung hướng dẫn. Do em còn chưa có đầy đủ kinh nghiệm nên không thể tránh được thiếu sót, vậy mong thầy khi xem xét đồ án có gì thiếu sót, sơ sài đóng góp ý kiến cho em. Em xin chân thành cảm ơn tới thầy hướng dẫn Th.S Đào Minh Trung đã tận tình chỉ bảo, gợi ý giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Cần Thơ, ngày tháng năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Hữu Nguyên SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên i
3. Lời nói đầu NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ ,CHO ĐIỂM ( Của người hướng dẫn) Điểm: ( bằng chữ: . ) Cần Thơ, ngày tháng năm 2014 CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Kí và ghi rõ họ tên) SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên ii
4. Mục lục MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1 1.1 Khái quát chung về scada 1 1.1.1 Tổng quan chung về scada 1 1.1.2 Chức năng và vai trò của SCADA 2 1.1.3 Nguyên lý hoạt động của SCADA 2 1.2 Sự phân cấp quản lý của hệ thống scada 4 1.2.1 Cấp chấp hành 5 1.2.2 Cấp điều khiển 5 1.2.3 Cấp điều khiển giám sát 6 1.3 Các yêu cầu chung của hệ thống scada 6 1.3.1 Chức năng giám sát 6 1.3.2 Chức năng diều khiển 6 1.3.3 Quản lý và lưu trữ dữ liệu 6 1.3.4 Tính năng thời gian thực 6 1.4 Tổng quan về cơ cấu hệ thống scada 7 1.5 Thành phần hệ thống scada 9 1.5.1 Phần cứng 9 1.5.2 Phần mềm 9 1.5.3 Cáp truyền thông 10 1.5.4 Tổng quan về mạng cục bộ lan 11 1.5.5 Thiết bị modem 12 1.5.6 Yêu cầu về máy tính trong hệ thống scada 12 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG SCADA TRÊN LƯỚI ĐIỆN 15 2.1 Nguyên lí làm việc 15 2.2 Các chức năng SCADA 16 2.3 Các chức năng EMS trong lưới truyền tải 16 2.4 Các Chức năng DMS trong lưới phân phối 17 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG SCADA TRONG GIÁM SÁT LƯỚI HẠ THẾ 19 SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên iii
5. Mục lục CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG SCADA TRONG CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN 27 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG SCADA TRONG ĐIỀU ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN 31 5.1 Scada trạm và các chức năng của scada trạm 31 5.2 Các kiến trúc của scada trạm 31 5.3 Lợi ích của việc sử dụng scada trạm 33 SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên iv
6. Mục lục PHỤ LỤC Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống SCADA 1 Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát 5 Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát 6 Hình 1.3 hệ thống SCADA 8 Hình 1.4 Cấu trúc phần mềm của hệ thống điều khiển và giám sát SCADA 10 Hình 3.1 Lưu đồ chính vận hành giám sát lưới điện hạ thế 21 Hình 3.2 Lưu đồ vận hành và giám sát nhánh tải CD 22 Hình 3.3 Lưu đồ vận hành và giám sát nhánh tải EF 23 Hình 3.4 Lưu đồ vận hành và giám sát nhánh tải GH 24 Hình 3.5 Chương trình con phát hiện và khắc phục sự cố 25 Hình 3.6 Chương trình con phát hiện và phân loại các sự cố về dòng. 26 Hình 3.7 Chương trình con theo dõi bù công suất phản kháng 27 SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên v
7. Phụ lục CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Khái quát chung về scada 1.1.1 Tổng quan chung về scada SADA ( Supervisory Control And Data Acquisition): là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường. Để có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ thống SCASA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người – máy ( HMI – Human Machine Interface). Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống SCADA Trong hệ thống điều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng không chỉ ở cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người – máy để phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ. Vì lý do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vận hành (OP SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên vi
8. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA – Operator Panel), màn hình sờ (TP – Touch Panel), Multi Panel chuyên dụng được sử dụng nhiều và chiếm vai trò quan trọng hơn. Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về khu trung tâm để xử lý. Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyền thông và phần cứng được đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn. Trong những năm gần đây sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ truyền thông công nghiệp và công nghệ phần mềm trong công nghiệp đã đem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các giải pháp tích hợp hệ thống. 1.1.2 Chức năng và vai trò của SCADA Mỗi hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức theo nhiều cấp quản lý. Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển giám sát riêng lên từng đối tượng cụ thể của hệ thống. Chính vì thế việc SCADA cho một hệ thống sản xuất công nghiệp cũng được phân ra từng cấp SCADA cụ thể, tuỳ vào quy mô của từng cấp mà có những yêu cầu cụ thể khác nhau song nói chung mỗi cấp SCADA là phải thực hiện những dịch vụ sau: - Thu thập số liệu từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất và tổ chức việc lưu trữ trong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu về lịch sử sản xuất, về sự kiện thao tác, về báo động ). - Điều khiển và giám sát hệ sản xuất trên cở sở các dữ liệu đã thu thập được. - Thực hiện công tác truyền thông số liệu trong và ra ngoài hệ (đọc/viết số liệu PLC/RTU, trả lời các bản tin yêu cầu từ cấp trên về số liệu, về thao tác hệ). - Nhìn chung SCADA là một sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm theo một phương thức truyền thông nào đó để tự động hoá việc quản lý giám sát, điều khiển cho một đối tượng công nghiệp. Và ta nhận thấy rằng xu thế tự động hoá là một xu thế không thể tránh khỏi do vậy việc áp dụng bài toán SCADA là một việc làm tất yếu nếu chúng ta không muốn tụt hậu trong sản xuất. Vai trò của nó là rất rõ ràng, SCADA giúp ta thu thập rất chính xác về hệ thống từ đó có thể đưa ra các quyết định đúng đắng về hệ, đồng thời ta cũng dễ dàng trong công tác điều khiển và ra quyết định. Việc làm này sẽ giảm đáng kể việc chi phí về vấn đề nhân lực, về vận hành điều này góp phần đáng kể trong việc giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh. 1.1.3 Nguyên lý hoạt động của SCADA 1.1.3.1 Cơ chế thu thập dữ liệu Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quét thông tin có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng. Thời SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 7
9. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong. Các máy chủ quét các RTU (với tốc độ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này. Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tín hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ. 1.1.3.2 Xử lý dữ liệu Dữ liệu truyền tải trong hệ SCADA có thể là dạng liên tục (analog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse) Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) dùng để hiển thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu được hiện thị dưới dạng hình ảnh tĩnh, khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo. Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiện thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa (GUI) dưới dạng đồ thị. Một ưu điểm lớn của hệ SCADA là khả năng xử lí lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lí sau: Sử dụng dữ liệu cất giữ trong các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường. Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ do vậy, các bộ phận dự phòng này sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra ). 1.1.3.3 Nguyên lý hoạt động Khi các thiết bị đang vận hành vi phạm các giới hạn cho phép của các thông số kỹ thuật hoặc bị sự cố, hệ thống tự động đưa ra các tín hiệu cảnh báo dạng chuông, còi; hiển thị nội dung sự kiện cảnh báo bằng những dòng lệnh theo màu sắc và nhấp nháy, điều này giúp cho các kỹ sư điều hành hệ thống điện có những hành động ứng xử kịp thời để đưa các thiết bị trở lại trạng thái vận hành bình thường hoặc đưa các thiết bị dự phòng vào hoạt động thay thế nhằm đảm bảo cho hệ thống điện vẫn làm việc ở trạng thái ổn định và kinh tế. Tất cả các sự kiện xảy ra đối với các thiết bị trên hệ thống điện, đối với các chế độ vận hành hệ thống điện đều được SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 8
10. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA lưu trữ tự động theo trật tự thời gian, có độ chính xác đến từng mili giây(ms), có thể truy xuất khi cần thiết dưới dạng các bảng biểu, đồ thị giúp cho quá trình xử lý và phân tích sự cố được chính xác. Hệ thống SCADA cho phép các kỹ sư điều hành có thể thực hiện các thao tác, điều khiển các thiết bị từ xa như khởi động hay ngừng các tổ máy phát điện, thay đổi công suất theo yêu cầu, đóng cắt các thiết bị, điều chỉnh nấc điện áp của các máy biến áp Khả năng này cho phép giảm bớt nhân lực, tiến tới có thể xoá bỏ chế độ người trực vận hành ở các trạm điện, các nhà máy. Các thiết bị làm việc hoàn toàn tự động, được điều khiển từ xa từ các trung tâm điều độ. Từ thập kỷ 90 trở lại đây, các hệ thống tích hợp thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát được ứng dụng và phát triển rộng rãi. Chức năng cơ bản của hệ thống SCADA tích hợp là nó được trang bị thêm nhiều phần mềm ứng dụng khác hỗ trợ trong việc tự động lấy các dữ liệu thời gian thực của hệ thống, đưa vào tính toán và cho ra kết quả bằng các lệnh điều khiển trực tiếp lên một phần thiết bị của hệ thống điện hoặc đưa ra các khuyến cáo cụ thể cho các kỹ sư điều hành thực hiện nhằm đảm bảo sự làm việc của hệ thống điện được ổn định, an toàn và kinh tế nhất. Các phần mềm ứng dụng thông thường đi kèm là: - Điều khiển phát điện tự động (AGC: Automatic Generation Control). - Điều độ kinh tế (ED: Economic Dispatch). - Phân tích chế độ đột biến (CA: Contingency Analysis). - Đánh giá trạng thái (SE: State Estimation). - Tính toán trào lưu công suất (DLF: Dispatch Load Flow). - Tối ưu hoá trào lưu công suất (OPF: Optimal Power Flow). - Dự báo phụ tải (LF: Load Forecast). - Lập kế hoạch vận hành (GP: Generation Planning). 1.2 Sự phân cấp quản lý của hệ thống scada Việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển là rất cần thiết đối với mọt hệ thống công nghiệp bất kỳ. Đặc thù của HTĐ là quy mô của hệ thống sản xuất rất lớn, trải trên một không gian rộng, bao gồm nhiều phần tử, thiết bị với các chức năng, nguyên lý làm việc khác nhau. Do đó việc sử dụng một hệ thống điều khiển trung tâm để đảm nhiệm tất cả các chức năng giám sát và điểu khiển hết sức phức tạp. Chính vì vậy, tùy theo mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng giám sát, điều khiển mà các chức năng giám sát, điều khiển và thu thập số liệu được phân phối và phân cấp cho các thiết bị khác nhau. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 9
11. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển và giám sát Hệ thống SCADA cho hệ thống hợp nhất, với một công ty điện lực chịu trách nhiệm quản lý, thông thường được chia thành ba phân cấp cơ bản sau đây: 1.2.1 Cấp chấp hành Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường/truyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp trên điều khiển. 1.2.2 Cấp điều khiển Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các bộ chấp hành. Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công cụ đo lường, tự thực hiện các thao tác như ấn nút mở/đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay, Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin. Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay được gọi chung là cấp trường (Field level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệ thống kỹ thuật. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 10
12. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA 1.2.3 Cấp điều khiển giám sát Có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường. Ngoài ra trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức. Việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài máy tính thông thường. 1.3 Các yêu cầu chung của hệ thống scada 1.3.1 Chức năng giám sát Giám sát và đảm bảo được tính chính xác toàn bộ các thông số vận hành của hệ thống như dòng điện, điện áp, cống suất, tần số, vị trí nấc của máy biến áp.Giám sát được các trạng thái của các phần tử đóng cắt trong hệ thống. Đó là trạng thái đóng/mở của máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa 1.3.2 Chức năng diều khiển 1.3.2.1 Quá trình điểu khiển phải chính xác, tin cậy Trong quá trình thực hiện các thao tác đóng/mở máy cắt, dao cách ly, điều khiển chuyển nấc phân áp của máy biến áp . Từ xa ( từ Trung tâm điều độ vùng/miền hoặc quốc gia) phải đảm bảo tuyệt đối tin cậy, không được nhầm lẫn, có nghĩa là các thao tác phải được giám sát chặt chẽ về tính liên động phối hợp giữa máy cắt, dao cách ly và các thiết bị liên quan tuân theo quy trình quy phạm vận hành của hệ thống. 1.3.2.2 Cài đặt thông số từ xa Khi có sự thay đổi về cấu trúc của lưới hoặc nâng cao công suất chống quá tải thì các thông số vận hành của lưới và thiết bị sẽ thay đổi, vì vậy ta cần phải đặt lại thông số chỉnh định bảo vệ rơ le hoặc thay đổi tỷ số biến đổi trong các thiết bị đo đếm như đồng hồ và công tơ cho phù hợp thực tế. Việc cài đặt này có thể được thực hiện từ xa tại các Trung tâm điều độ vùng/miền hoặc quốc gia. 1.3.3 Quản lý và lưu trữ dữ liệu Giám sát được các sự cố xảy ra trên lưới cũng như các thiết bị, cảnh báo sự cố bằng âm thanh, màu sắc hoặc thông báo trên mà hình hiển thị, ghi lại các chuỗi sự kiện, sự cố xảy ra và xác định chuẩn đoán sự cố. Tất cả các chức năng trên của hệ thống phải được bảo mật ở mức cao nhất và tuyệt đối tin cậy. 1.3.4 Tính năng thời gian thực SCADA là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trong thời gian thực, do đó tính năng thời gian của hệ thống là rất cần thiết và quan trọng. Sự SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 11
13. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA hoạt động bình thường của hệ thống kỹ thuật nói chung, hệ thống điện nói riêng làm việc trong thời gian thực không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắn kết quả đầu ra, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả. - Độ nhạy nhanh: tốc độ truyền thông tinh hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể. - Tính tiền định: Dự đoán trước được thời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm. - Độ tinh cậy, kịp thời: đảm bảo tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệu một cách tin cậy giữa các trạm nằm trong một khoảng xác định. - Tính bền vững: có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để không gây thiệt hại thêm cho toàn bộ hệ thống. 1.4 Tổng quan về cơ cấu hệ thống scada Từ sự phân cấp quản lý hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu cũng như yêu cầu chung của hệ thống SCADA nêu trên, một hệ thống SCADA cần có cơ cấu cơ bản như sau: Trạm thu thập dữ liệu trung gian: là các khối thiết bị vào ra đầu cuối từ xa RTU (Remote Termial Units) hoặc là các khối (bộ) vi điều khiển logic lập trình PLC ( Programmale Logic Controllers) có chức năng giao tiếp với các thiết bị chấp hành (cảm biến cấp trường, các hộp điều khiển đóng cắt và các van chấp hành ). Trạm điều khiển và giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm ( Central host computer server). Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn thông và các thiêt bị chuyển đổi dòng kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường đến các khối điều khiển và máy chủ. Giao diện người – máy HMI ( Human – Machine Interface): là các thiết bị hiển thị quá trình xử lý dữ liệu để người vân hành điều khiển các quá trình hoạt động của hệ thống. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 12
14. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA Hình 1.3 Hệ thống SCADA Theo các thành phần, có một cơ chế thu thập dữ liệu như sau: Trong hệ SCADA, quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện trước tiên ở quá trình các RTU quyeets thông tinh có được từ các thiết bị chấp hành nối với chúng. Thời gian để thực thi nhiệm vụ này được gọi là thời gian quét bên trong. Các máy chủ quét RTU ( với tốc đọ chậm hơn) để thu thập dữ liệu từ các RTU này. Để điều khiển, các máy chủ sẽ gửi tín hiệu yêu cầu xuống các RTU, từ đó cho phép các RTU gửi tính hiệu điều khiển trực tiếp xuống các thiết bị chấp hành thực thi nhiệm vụ. Trong quá trình truyền tải dữ liệu, dữ liệu có thể là dạng liên tục ( analog), dạng số (digital) hay dạng xung (pulse). Giao diện cơ sở để vận hành tại các thiết bị đầu cuối là một màn hình giao diện đồ họa GUI ( Graphical User Interface) dùng để hiện thị toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát hoặc các thiết bị trong hệ thống. Tại một thời điểm, dữ liệu được hiển thị dưới dạng hình ảnh tĩnh., khi dữ liệu thay đổi thì hình ảnh này cũng thay đổi theo. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 13
15. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA Trong trường hợp dữ liệu của hệ thống biến đổi liên tục theo thời gian, hệ SCADA thường hiển thị quá trình thay đổi dữ liệu này trên màn hình giao diện đồ họa GUI dưới dạng đồ thị. Một ưu điểm lớn nhất của hệ SCADA là khả năng xử lý lỗi rất thành công khi hệ thống xảy ra sự cố. Nhìn chung, khi có sự cố, hệ SCADA có thể lựa chọn một trong các cách xử lí sau: Sử dụng dữ liệu cất giữ các RTU: trong các hệ SCADA có các RTU có dung lượng bộ nhớ lớn, khi hệ thống hoạt động ổn định, dữ liệu sẽ được sao lưu vào trong bộ nhớ của RTU. Do đó, khi hệ thống xảy ra lỗi thì các RTU sẽ sử dụng tạm dữ liệu này cho đến khi hệ thống hoạt động trở lại bình thường. Sử dụng các phần cứng dự phòng của hệ thống: Hầu hết các hệ SCADA đều được thiết kế thêm các bộ phận dự phòng, ví dụ như hệ thống truyền thông hai đường truyền, các RTU đôi hoặc hai máy chủ Các bộ phận dự phòng nãy sẽ được đưa vào sử dụng khi hệ SCADA có sự cố hoặc hoạt động offline (có thể cho mục đích bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra ). 1.5 Thành phần hệ thống scada 1.5.1 Phần cứng Một hệ thống SCADA bao gồm một số các thiết bị đầu cuối RTUs(Remote Termote Terminal Units) làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu quay trở lại trạm chủ thông qua một hệ thống truyền thông. Trạm chủ hiển thị các dữ liệu thu được và cho phép người vận hành thực hiện các nhiệm vụ điều khiển từ xa. Các dữ liệu chính xác và kịp thời cho phép tối ưu hóa các hoạt động nhà máy và quá trình. Lợi ích khác của hệ thống SCADA là hiệu quả hơn, độ tin cậy cao, chi phí thấp và quan trọng nhất là an toàn hơn trong hoạt động. Một hệ thống SCADA phức tạp có năm cấp độ cơ bản sau: - Thiết bị đo và thiết bị điều khiển - Trạm đầu cuối và thiết bị đầu cuối RTU - Hệ thống truyền thông - Các trạm thu thập dự liệu - Hệ thống xử lý dữ liệu 1.5.2 Phần mềm Phần mềm SCADA có thể được chia thành hai loại, thuộc quyền sở hữu hoặc nguồn mở. Các phần mềm thuộc quyền sở hữu là các phần mềm SCADA nhà cung cấp hệ thống SCADA thiết kế ra để giao tiếp với phần cứng của họ. Vấn đề chính với hệ thống này là sự phụ thuộc quá nhiều vào các nhà cung cấp hệ thống. Vì vậy các phần mềm mở được sử dụng phổ biến hơn vì khả năng tương tác của họ mang SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 14
16. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA lại cho hệ thống. Thường các phần mềm mở có khả năng trộn các nhà sản xuất thiết bị khác nhau trên cùng một hệ thống. Citect và WonderWare chỉ là hai trong số những gói phần mềm mở sẵn trên thị trường cho các hệ thống SCADA. Một số gói phần mềm hiện nay bao gồm cả quản lý tải sản tích hợp trong hệ thống SCASA. Phần mềm SCASA sẽ bao gồm những phần chính sau: - Giao diện người sử dụng - Đồ họa - Các cảnh bái(Alarms) - Các đồ thị(Trends) - Giao diện cho thiết bị đầu cuối RTU và PLC - Khả năng mở rộng - Phương thức truy cập dữ liệu - Cơ sở dữ liệu - Mạng truyền thông - Lỗi và dự phòng - Quá trình phân phối máy chủ/khách Hình 1.4 Cấu trúc phần mềm của hệ thống điều khiển và giám sát SCADA 1.5.3 Cáp truyền thông Có rất nhiều loại cáp truyền thông được sử dụng trong hệ thống SCADA Thông tin trong ngành Điện lực được truyền tải thông qua các hình thức sau: - Các kênh sử cao tẩng theo tuyến đường dây tải điện PLC(Power Line Carrier) SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 15
17. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA Sử dụng các đường dây điện lực, dây chống sét hoặc các đường cáp đặt cách ly trong chúng để tạo kênh cao tần truyền tin. Việc sử dụng đường dây điện lực để truyền thông tin cao tần được thực hiện theo các sơ đồ: Dây phát – Dây nhận, Dây pha – Dây đất, Dây pha – Dây pha, Dây pha của lộ này – Dây pha của lộ khác. Việc sử dụng đường dây chống sét(DCS) truyền tin được thực hiện theo các sơ đồ:DCS – DCS, DCS- Dây đất, hai DCS – Dây đất. Các đường cáp đặt cách ly trong đường dây điện lực hoặc trong dây chống sét cũng được thực hiện theo các sơ đồ tương tự. - Các kênh theo đường cáp ngầm dưới đất hoặc dây hữu tuyến trên không, thường sử dụng loại cáp đồng trục. - Các kênh liên lạc sử dụng vô tuyến chuyển tiếp hay vi ba với bước sóng 1 – 10cm - Các kênh vô tuyến sóng ngắn, bước sóng từ 10 – 50cm. - Các kênh cáp quang chôn ngầm dưới đất hoặc theo đường dây truyền tải điện. - Các kênh thuê của nghành bưu điện Hiện nay trong nghành Điện lực, hình thức truyền tin cao tần theo đường dây tải điện, vô tuyến chuyển tiếp và kênh cáp quang được sử dụng rộng rãi hơn cả. 1.5.4 Tổng quan về mạng cục bộ lan Mạng cục bộ LAN( Local Area Network) được dùng để chia sẻ toàn bộ tài nguyên thông tin. Do vậy, có thể sử dụng mạng LAN để các trạm nằm trong mạng SCADA có thể chia sẻ thông tin được với nhau khi chúng được kết nối qua các phương tiện truyền thông. Phương thức kết nối là topology mạng. topology mạng là sự sắp sếp hình học của các nút và cáp nối mạng cục bộ. Các topology mạng đều thuộc hai loại: tập trung và phân tán. Trong topology mạng tập trung, như mạng hình sao, có một máy tính trung tâm điều khiển việc thâm nhập mạng. Kiểu thiết kế này đảm bảo an toàn dữ liệu và sự quản lý trung tâm đối với các nội dung và các hoạt động của toàn mạng. Trong các topology phân tán như mạng Bus hoặc mạng vòng tròn, không có máy trung tâm, mà từng trạm công tác có thể xâm nhập vào một các độc lập và tự thiết lập các ghép nối riêng của mình với các trạm công tác khác. Trong mạng LAN, các máy tính cá nhân và các máy tính khác trong phạm vi một khu vực hạn chế được nối với nhau bằng các dây cáp chất lượng tốt, sao cho những người sử dụng có thể trao đổi thông tin, dùng chung các thiết bị ngoại vi và sử dụng các chương trình cũng nhú các dữ liệu đã được lưu trữ trong một máy tính dành riêng gọi là máy dich vụ tệp. Khác nhau nhiều về quy mô và mức độ phức tạp, SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 16
18. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA mạng cục bộ LAN có thể chỉ liên kết và ba máy tính cá nhân và một thiết bị ngoại vi dùng chung đắt tiền, như máy in laser chẳng hạn. Các hệ thống phức tạp hơn thì có các máy tính trung tâm (máy dịch vụ tệp) và cho phép những người dùng tiến hành thông tin vơi nhau thông qua thư điện tử để phân phối các chương trình nhiều người sử dụng , thâm nhập vào các cơ sở dữ liệu dùng chung. 1.5.5 Thiết bị modem MODEM( Modulator/Demodulator) là một thiết bị biến đổi các tín hiệu số do cổng nối tiếp của máy tính phát ra thành các tín hiệu dạng tương tự được điều biến, cần thiết để truyền qua đường điện thoại. Ngược lại, nó cũng biến những tín hiệu tương tự nhận được thành các tín hiệu số tương đương đương. Trong điện toán cá nhân, người ta thường dùng MODEM để trao đổi các chương trình và dữ liệu với những máy tính khác và truy cập các dịch vụ thông tin trực tuyến như Dow Jones News/Retrieval Service MODEM là danh từ rút gọn của Modulator/Demodulator (điều biến/giải điều biến). Việc điều biến này là cần thiết vì các đường dây điện thoại được thiết kế để xử lý tiếng nói con người, có tần số thay đổi trong khoảng từ 300Hz đến 3000Hz trong những cuộc nói chuyện điện thoại bình thường (từ giọng nói trầm đến giọng thanh). Tốc độ truyền dữ liệu của một MODEM được tính bằng đơn vị bit mỗi dây hay là bps (về kỹ thuật), không phải là baut, mặc dù hai thuật ngữ này được dùng lẫn lộn. Chọn MODEM tương đối đơn giản: chọn loại tốc độ chậm (300 hoặc 1200 bps) hoặc loại tốc độ nhanh (2400 bps). Tuy nhiên, hiện nay có nhiều khả năng chọn MODEM hơn. 1.5.6 Yêu cầu về máy tính trong hệ thống scada Các máy vi tính sử dụng trong hệ thống SCADA phải đạt tiêu chuẩn cao cả về cấu hình và chất lượng, là máy tính đặc chủng được sản xuất dùng riêng trong công nghiệp. Hiện nay máy tính thường được sử dụng nhiều nhất là các dòng máy tính công nghiệp của Dell và HP. Đối với các máy trạm thường sử dụng máy Workstation mới nhất của HP là Z600 có cấu hình tối thiểu như sau: HP Z600 WORKSTATION CPU Intel Xeon E5504 2.00 4MB/800 QC CPU -1 RAM HP 2GB (2x1GB) DDR3-1333 ECC 1-CPU RAM OS Genuine Windows Vista® XP Professional 32-bit Hard Drive HP 160GB SATA 7200 1st HDD Video Card NVIDIA Quadro FX380 256MB Graphics Mouse HP Optical 3-Button Mouse SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 17
19. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA Key board HP USB Standard Keyboard Monitor HP LCD 21” Đối với máy chủ (Server) cần phải đặt hàng các máy chuyên dụng có khả năng xử lý và lưu trữ dữ liệu tốt nhất. Để máy vi tính có thể làm việc trong một thời gian thì phải thực hiện bảo trì thường xuyên. Công việc bảo trì có thể làm hàng ngày, hàng tuần, hàng tháng hoặc kiểm tra hàng năm. - Những yêu cầu chung về phần cứng: Máy tính PC dùng để thu thập và điều khiển phải mang tính phổ thông và có khả năng giao tiếp tốt với các hãng thiết bị phần cứng khác nhau. Có hệ điều hành đa nhiệm có khả năng mở rộng và giao tiếp dễ dàng với các phần mềm và phần cứng khác. - Những yêu cầu chung về phần mềm: Có khả năng tương thích với các giao thức (Protocol) thông dụng. Dễ dàng thiết kế và nâng cấp khi cần thiết. - Về dịch vụ SCADA: Có khả năng thu thập, lưu trữ, sử dụng số liệu được ít nhất trong một năm. Cung cấp sự giao tiếp và giao diện dễ dàng cho người sử dụng và vận hành. Dể dàng cho ngươì dùng hiển thị sơ đồ và đồ thị trong giám sát cũng như in báo cáo. Giúp thao tác điều khiển từ xa dễ dàng, tuy nhiên vẫn phải bảo đảm thao tác điều khiển bằng tay. - Yêu cầu về giá thành và chi phí lắp đặt phải rẻ, hợp lý. 1.5.7 Truyền tin trong hệ SCADA - Các dạng truyền tin trong hệ SCADA Ngoài việc sử dụng các máy tính công nghiệp, các Server, thiết bị mạng ở phòng theo dõi trung tâm. Một bộ phận không thể thiếu được trong hệ thống SCADA là hệ thống truyền tin. Nó liên quan đến tính ổn định và sự chính xác của hệ thống. Vì vậy, một hệ truyền tin được chọn trong một hệ SCADA phải thoả mãn các tiêu chuẩn như: giải tốc độ truyền, giao thức truyền thông, truyền đồng bô hay dị bộ, khoảng cách địa lý Hệ thống truyền tin được chọn phải tương thích với thiết bị trường và máy chủ Server. Một số thiết bị có thể sử dụng được để truyền dữ liệu trong hệ SCADA như sau: Modem RDT (Radio Data Technology) của Anh quốc có các loại truyền sóng Radio, vô tuyến; các thiết bị thu phát sóng của Motorola, các bộ RTU, GPS. Tuỳ theo mô hình, phạm vi của từng hệ SCADA mà ta áp dụng từng loại thiết bị trên sẽ phát huy hết tính năng tác dụng của nó. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 18
20. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA Hệ thống SCADA cấp quốc gia và miền dùng các RTU được thiết kế đặc biệt cho ngành điện (theo tiêu chuẩn IEEE và IEC, có khả năng chịu được nhiễu điện từ ). Các thiết bị RTU thông minh với các trung tâm điều độ qua thủ tục truyền tin IEC-870-5-101. Ngoài ra, với nhiều hệ SCADA dùng PLC dùng thủ tục truyền tin là Profibus. - Truyền tin số Truyền tin số là truyền đi các bản tin số ( mã dưới dạng bit, byte ) từ nơi phát đến nơi thu có những tín hiệu truyền để đãm bảo truyền số liệu. Truyền từ ứng dụng này đến một ứng dụng khác, trong truyền tin công nghiệp thường là: giữa một ứng dụng chủ với ứng dụng slave hay giữa một ứng dụng khách hàng với ứng dụng server phục vụ hoạc giữa các ứng dụng chủ với các ứng dụng slave của mỗi master với nhau, hay giữa các master với nhau. - Truyền tin hiện trường Việc truyền tin hiện trường nhàm đảm bảo việc máy chủ thường xuyên thông tin với các PLC hay RTU. Các thông tin được thống nhất theo kiểu: + Máy chủ gửi từ một bảng tin từng lệnh đến PLC hay RTU trên bus mutidros. + PLC hay RTU liên quan thực hiện mỗi lệnh đó và gửi tin trả lời kết quả. Các bản tin do máy chủ gửi đi thường là lệnh read các loại số liệu của PLC hay RTU và một vài lệnh write một số hệ số bằng số gán địa chỉ hay đơn vị cho các số đó. Các bản tin tức thời thường được gửi về các số lượng trạng thái đo của PLC hay RTU hay báo cáo có tình trạng có sai trong bản tin nhận được. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 19
21. Chương 1: Tổng quan về hệ thống SCADA CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG SCADA TRÊN LƯỚI ĐIỆN Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ứng dụng của các hệ thống thông tin đo lường điều khiển xa ngày càng rộng. Xét trong phạm vi một nhà máy điện, đó là hệ thống tự động hoá nhà máy, đối với trạm biến áp là hệ thống tự động hoá trạm (Substation Automation System - SAS). Từ năm 1994 cùng với việc xây dựng hệ thống tải điện 500 kV, Trung tâm Điều độ HTĐ quốc gia ra đời với phần trung tâm của nó là hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Sau đó lưới điện phân phối của các công ty Điện lực cũng từng bước được áp dụng hệ thống SCADA/EMS (Energy Management System), mở ra một triển vọng vận hành HTĐ an toàn, liên tục và kinh tế. 2.1 Nguyên lí làm việc  Nguyên tắc làm việc của hệ thống SCADA như sau: - Thu thập dữ liệu: + Dữ liệu từ các trạm biến áp và các nhà máy điện được chia làm ba loại chính: + Dữ liệu trạng thái: trạng thái các máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, các khoá điều khiển từ xa/tại chỗ v.v Các cảnh báo của các bảo vệ. + Dữ liệu tương tự: Công suất tác dụng MW, phản kháng MVAr, điện áp, dòng điện, vị trí nấc biến áp v.v + Dữ liệu tích luỹ theo thời gian: Điện năng kWh, kvarh v.v SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 20
22. Chương 2: Ứng dụng SCADA trên lưới điện - Các dữ liệu trạng thái từ các rơ le trung gian được đưa vào các đầu vào số của RTU, còn các dữ liệu tương tự từ cuộn thứ cấp của máy biến dòng điện và điện áp được đưa vào các bộ biến đổi (tranducer), đầu ra của bộ biến đổi được đưa vào các cổng đầu vào tương tự của RTU. Tại RTU dữ liệu được số hoá và thông qua kênh truyền (giao thức) gửi về trung tâm điều độ. - Điều khiển: + Lệnh điều khiển từ hệ thống SCADA của trung tâm điều độ thông qua kênh truyền gửi đến RTU (hoặc SAS), các lệnh điều khiển có thể là: + Lệnh đóng cắt máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa (open/close). + Lệnh điều khiển tăng giảm (Raise/Lower) + Lệnh điều khiển thay đổi giá trị đặt (Setpoint) - Giám sát: Dữ liệu thu thập từ các trạm về trung tâm điều khiển sẽ được máy tính xử lý: + Hiển thị trên các sơ đồ, bảng biểu và các dạng đồ thị xu hướng. + Đối với dữ liệu trạng thái (máy cắt, dao cách ly, cảnh báo v.v ) khi phát hiện ra có sự thay đổi trạng thái hệ thống SCADA sẽ phát cảnh báo bằng âm thanh và dòng thông báo để lôi kéo sự chú ý của người vận hành. + Đối với dữ liệu giá trị đo xa, dữ liệu nhận được sẽ được kiểm tra so sánh với các ngưỡng dưới và ngưỡng trên (đã được định trước), nếu giá trị đo được bị vi phạm thì hệ thống sẽ phát cảnh báo cho người vận hành. 2.2 Các chức năng SCADA - Thu thập dữ liệu, - Điều khiển giám sát, - Giao tiếp người máy đồ họa hoàn toàn, - Điều khiển cảnh báo và sự kiện, - Ghi nhận trình tự các sự kiện, - Lưu trữ và khôi phục dữ liệu quá khứ, - Phân tích dữ liệu sự cố, - Phân tích kết dây và trạng thái hệ thống, - Xu hướng của dữ liệu động và dữ liệu quá khứ, - Tạo báo cáo, thường lệ và đặc biệt, - Biến cố và thẻ báo thiết bị đóng cắt, - Thông tin liên lạc với các Trung tâm Điều độ. 2.3 Các chức năng EMS trong lưới truyền tải Hệ thống quản lý năng lượng (EMS) cung cấp cho Trung tâm Điều độ phương tiện để điều khiển và vận hành một cách tối ưu HTĐ. Các chức năng chính SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 21
23. Chương 2: Ứng dụng SCADA trên lưới điện của bộ chương trình EMS đáp ứng yêu cầu vận hành an toàn và kinh tế. Các chương trình ứng dụng bao gồm: - Thiết lập trạng thái kết dây và đánh giá trạng thái. - Phân tích đột biến (bao gồm cả tự động lựa chọn trường hợp đột biến), - Trào lưu công suất cho kỹ sư điều hành. - Vận hành kinh tế trong điều kiện có ràng buộc. - Phần mềm huy động thủy điện. - Tự động điều khiển phát điện (AGC). - Trào lưu công suất tối ưu. - Dự báo phụ tải. - Phối hợp thuỷ-nhiệt điện. - Huy động tổ máy. Các chương trình trên được hỗ trợ cho cả chế độ thời gian thực và chế độ nghiên cứu. Do tính chất quan trọng của hệ thống SCADA/EMS mà hầu hết các thiết bị đều có cấu hình kép. Tương tự như đối với lưới truyền tải, để quản lý vận hành lưới điện phân phối cao áp người ta sử dụng hệ thống SCADA/DMS. Trong đó DMS (Distribution Management System) là các ứng dụng đi cùng với hệ thống SCADA phục vụ quản lý lưới điện phân phối. Ngoài ra để phục vụ cho quản lý vận hành lưới trung thế phân phối còn có hệ thống tự động hóa lưới phân phối DAS (Distribution Automation System). 2.4 Các Chức năng DMS trong lưới phân phối Các chức năng DMS giúp vận hành lưới điện phân phối an toàn và hiệu quả nhất, các chức năng điển hình như sau: - Tô màu động theo phân cấp điện áp, phân loại thiết bị hoặc theo mức mang tải v.v - Tính toán trào lưu công suất - Tính toán ngắn mạch - Cân bằng phụ tải cho các xuất tuyến hoặc các máy biến áp - Tối thiểu hóa tổn thất công suất theo ràng buộc lưới - Định vị sự cố - Cô lập điểm sự cố và khôi phục lưới - Lập kế hoạch sửa chữa lưới điện - Sa thải phụ tải - Mô phỏng phục vụ đào tạo điều độ viên Hiện nay EVN có một số đơn vị đã đưa hệ thống SCADA/DMS vào vận hành, có một số hệ thống do ABB cung cấp, hệ thống cũ hơn vận hành tại Công ty Điện lực TP Hồ Chí Minh, hệ thống mới vận hành tại Công ty Điện lực Hà Nội. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 22
24. Chương 2: Ứng dụng SCADA trên lưới điện Công ty Điện lực Đồng Nai, các Điện lực Cần Thơ, Lâm Đồng thuộc Công ty Điện lực 2 cũng đã triền khai thành công hệ thống SCADA/DMS trên lưới điện phân phối. Công ty Điện lực 3 đang cùng với ABB Oy triển khai dự án để đưa hệ thống SCADA/DMS vào vận hành tại các thành phố Đà Nẵng, Huế, Quy Nhơn và Buôn Mê Thuột SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 23
25. Chương 2: Ứng dụng SCADA trên lưới điện CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG SCADA TRONG GIÁM SÁT LƯỚI HẠ THẾ Mạng SCADA giám sát lưới hạ thế, trong xu thế phát triển hiện nay, ngoài chức năng giám sát và thu thập xử lý dữ liệu, còn phải góp phần thỏa mãn các mục tiêu bao gồm: Bảo đảm tính liên tục của lưới điện hạ thế - Tối ưu hóa các nguồn tài nguyên cũng như chất lượng bảo trì - Nâng cao chất lượng điện năng - Bảo đảm an toàn lưới điện hạ thế. Lưới điện hạ thế hiện đại khi được lắp đặt luôn luôn phải thỏa mãn các mục tiêu sau: - Nâng cao mức linh hoạt khi sử dụng điện năng - Giảm giá thành sử dụng điện - Tiết kiệm chi phí lắp đặt, bảo trì và nâng cấp - Bảo đảm an toàn cho người vận hành - Cải thiện nghi khi vận hành lưới điện hạ thế. - Muốn vậy, lưới điện hạ thế cần phải có tính thích ứng cao, khả năng nâng cấp và thích nghi với mọi cấu hình khi lắp đặt. Người vận hành lưới điện hạ thế để thỏa mãn các yêu cầu của mạng SCADA giám sát lưới cần phải biết: - Cài đặt đầy đủ các chức năng điều khiển khi lắp đặt, nắm vững các trạng thái vận hành, trong đó gồm cả khả năng điều khiển từ xa của các khí cụ và thiết bị. - Kết nối tốt với mọi phần tử nằm trong mạng hạ thế đang vận hành, bảo đảm đáp ứng nhanh nhất khi có sự cố xảy ra. - Khai thác và xử lý tốt dữ liệu thu thập - Đo và hiển thị mọi thông số của lưới phân phối ( dòng, áp, công suất, cos ) - Bảo đảm an toàn cho người và thiết bị. - Như vậy ta có thể qui về 4 nhóm chức năng chính cho mạng SCADA giám sát lưới hạ thế bao gồm: Đo lường, Hiển thị, Điều khiển và Quản lý. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 24
26. Chương 3: Ứng dụng SCADA trong giám sat lưới điện hạ thế Tóm tắt bốn nhóm chức năng như sau: - Chức năng Đo lường: Bảo đảm thu thập được đầy đủ dữ liệu liên quan đến hệ thống phân phối lưới hạ thế. - Chức năng Hiển thị: Thể hiện đầy đủ mọi thông số lưới cũng như luôn kịp thời cảnh báo sự cố nếu có. - Chức năng Điều khiển: Có khả năng giám sát và điều khiển từ xa mọi thành phần của lưới hạ thế. - Chức năng Quản lý: Bảo đảm giảm chi phí vận hành tăng cường tiện nghi và đơn giản hóa công tác bảo trì. - Các thiết bị bảo vệ và đóng cắt hiện đại cho phép mở rộng 4 chức năng chính nêu trên, cụ thêt: - Nâng cao tính năng khi đo các thông số của lưới điện, không chỉ thể hiện giá trị dòng và áp ở mặt trước của PANEL hiển thị, mà còn có thể hiện các đại lượng P; S; cos cùng khả năng truyền giá trị đo về máy tính PC trung tâm. - Chức năng điều khiển có nhiều tính năng mới: - Có khả năng tập trung dữ liệu để kiểm tra và phân tích - Điều khiển từ xa CB cùng các thiết bị khác trong mạng. - Hiển thị thông báo trạng thái từng thiết bị cũng như tình trạng điện áp trên từng thanh cái. - Phát hiện sự cố và cảnh báo kịp thời. - Chức năng chuẩn đoán và bảo trì có thêm tính năng định vị trí nơi bị sự cố cũng như lưu trữ các thông số liên quan đến từng sự cố. - Chức năng quản lý có khả năng đọc thông số điện tiêu thụ từ xa, giám sát và phân tích đầy đủ các đại lượng P; S; cos . Hình 3.1 Lưu đồ chính vận hành giám sát lưới điện hạ thế. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 25
27. Chương 3: Ứng dụng SCADA trong giám sat lưới điện hạ thế Hình 3.2 Lưu đồ vận hành và giám sát nhánh tải CD SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 26
28. Chương 3: Ứng dụng SCADA trong giám sat lưới điện hạ thế Hình 3.3 Lưu đồ vận hành và giám sát nhánh tải EF SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 27
29. Chương 3: Ứng dụng SCADA trong giám sat lưới điện hạ thế SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 28
30. Chương 3: Ứng dụng SCADA trong giám sat lưới điện hạ thế Hình 3.4 Lưu đồ vận hành và giám sát nhánh tải GH SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 29
31. Chương 3: Ứng dụng SCADA trong giám sat lưới điện hạ thế Hình 3.5 Chương trình con phát hiện và khắc phục sự cố SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 30
32. Chương 3: Ứng dụng SCADA trong giám sat lưới điện hạ thế Hình 3.6 Chương trình con phát hiện và phân loại các sự cố về dòng. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 31
33. Chương 3: Ứng dụng SCADA trong giám sat lưới điện hạ thế Hình 3.7 Chương trình con theo dõi bù công suất phản kháng SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 32
34. Chương 3: Ứng dụng SCADA trong giám sat lưới điện hạ thế CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG SCADA TRONG CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát. Khái niệm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và các nhà máy hiện đại. Đối với một nhà máy hiện đại, khi xây dựng và đưa vào hoạt động, để có thể tạo ra được sản phẩm đạt yêu cầu về chất lượng, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của thị trường, nhà máy cần được trang bị các máy móc hiện đại, đạt được các tiêu chuẩn về chất lượng và môi trường, độ an toàn, năng suất và tiết kiệm. Chính vì thế, việc tích hợp tự động hóa nhà máy là một yêu cầu bức thiết được ra. Các hạng mục sản xuất được trang bị máy móc tự động, phần mềm điều khiển hiện đại để tiết kiệm nhiên liệu, điện năng, nhân công và đảm bảo chính xác theo yêu cầu. Thông thường được chia ra làm 3 cấp: - Cấp vận hành (Cấp trường): Là cấp độ để các kỹ sư, công nhân vận hành, theo dõi hoạt động của thiết bị, các thông số theo quy trình công nghệ đặt ra. - Cấp điều khiển (Tại phòng điều khiển): Là cấp độ các kỹ sư điều khiển tự động sẽ giám sát, điều khiển các thông số, tình trạng của các thiết bị và toàn bộ dây truyền sản xuất theo quy trình đã đặt ra bằng thao tác, theo dõi trên bảng thông số, màn hình hiển thị và điều khiển qua giao diện phần mềm (HMI-Human Machine Interface) hay bàn điều khiển (Operator Panel). - Cấp giám sát, quản lý : Có 2 hình thức tương đương nhau SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 33
35. Chương 4: Ứng dụng SCADA trong các nhà máy điện Sơ đồ mô tả hệ thống SCADA cho nhà máy điện như sau: Tin trong hệ thống SCADA để giám sát điều khiển thông thường bao gồm: - Công suất P, Q, S - Sản lượng điện luỹ kế - Tần số, điện áp - Tình trạng đóng cắt của các máy cắt - Số lần dừng máy - Những tuabin nào đang hoạt động - Tình hình sự cố (nếu có) - Dự trữ dầu, lượng tiêu thụ dầu trong ngày - Sản lượng, chất lượng khí hoặc than tiêu thụ, v.v Các thông số này được cung cấp từ các thiết bị đo ở cấp trường, chúng được tích hợp vào các bộ điều khiển và các thông tin của chúng được dùng làm đầu vào để điều khiển các thiết bị và các thông số khác. Chúng còn được truyền lên máy tính giám sát và điều khiển và hiển thị trên màn hình giao diện điều khiển (tại phòng SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 34
36. Chương 4: Ứng dụng SCADA trong các nhà máy điện điều khiển), được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu để tạo báo cáo khi cần thiết và gửi về trung tâm qua đường internet. Tại trung tâm, các thông số này cũng được hiển thị trên giao diện đồ họa và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu của máy tính để lập báo cáo. Thiết bị của hệ thống SCADA: - Phần cứng + Phần cứng: Để xây dựng hệ thống SCADA cho nhà máy cần các phần cứng sau + Máy tính công nghiệp (IPC) + Bộ tích hợp thiết bị (Kết nối và thu thập dữ liệu lên máy tính) + Thiết bị mạng (Switch, Router, ) - Phần mềm: + Phần mềm cho giám sát điều khiển: Tạo ra giao diện hiển thị các thông số, điều khiển qua giao diện hiển thị, lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu. (Mỗi máy có 1 license và theo số điểm tích hợp điều khiển I/O point) + Phần mềm giám sát, quản lý: Hiển thị các thông số, lưu trữ các dữ liệu vào cơ sở dữ liệu (Giao diện có thể là web navigator) - Các phần mềm phụ trợ: Kết nối mạng, kết nối PLC —IPC, - Mạng kết nối: Các hình thức có thể sử dụng: Đường truyền lease-line: Là kênh thuê bao riêng của của bưu điện cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao bằng các thiết bị đầu cuối bằng modem truyền thống, tốc độ tối đa cho phép 19.2 kb/s. (của riêng nhà máy-private line) Đường truyền cáp quang: Dùng cáp quang để truyền dữ liệu từ nhà máy về trung tâm (có thể thuê của bưu điện hoặc tự kéo cáp nếu khoảng cách gần) với khoảng cách xa, băng thông rộng, tin cậy, tốc độ cao. Tại mỗi đầu phải có thiết bị chuyển đổi quang để kết nối với máy tính. Đường truyền ADSL: Là đường truyền internet băng thông rộng, cho phép dữ liệu với tốc độ cao, dễ kết nối. (Là mạng công cộng) Khả năng tích hợp vào các hệ thống tại trung tâm: Tại trung tâm, nhà quản lý không chỉ thu nhận và giám sát các thông tin liên quan đến các nhà máy điện từ xa qua mạng mà còn giám sát và quản lý nhiều hệ thống khác: trung tâm dữ liệu (thu thập toàn bộ các dữ liệu chuyên nghành và tích hợp vào các hệ thống con của tầng dữ liệu, truyền hình hội nghị (tele conference), tổng đài điện thoại (PABX), bán hàng & thương mại điện tử (e-commerce), tư vấn và các dịch vụ điện tử sử dụng nội bộ và cho thuê, Tất cả các dịch vụ này đều không chỉ thuần túy về kỹ thuật và còn liên quan đến các vấn đề về thông tin, quản lý, bán hàng, định hướng, phát triển và các dịch vụ giá trị gia tăng. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 35
37. Chương 4: Ứng dụng SCADA trong các nhà máy điện Hệ thống SCADA sẽ xây dựng hoàn toàn có thể tích hợp để giám sát từ xa trên cùng một máy tính tại trung tâm, luồng dữ liệu thu thập từ nhà máy được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu nên hoàn toàn có thể dùng để tạo các báo về các họat động có liên quan. Tuy nhiên hệ thống điều khiển giám sát SCADA vẫn hoạt động độc lập mà không bị phụ thuộc hay cản trở từ bất kỳ hệ thống nào khác kể cả khi các hệ thống khác gặp sự cố, hệ thống SCADA vẫn hoạt động bình thường. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 36
38. Chương 4: Ứng dụng SCADA trong các nhà máy điện CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG SCADA TRONG ĐIỀU ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN 5.1 Scada trạm và các chức năng của scada trạm SCADA trạm là một hệ thống tự động hoá bằng máy tính và sử dụng các transmitter/sensor thông minh để giúp việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển hoạt động của trạm. Cấu trúc chủ yếu của trạm là gồm: máy tính làm nhiệm vụ thu thập, lưu trữ, hiển thị số liệu và xử lý số liệu để điều khiển trạm, để kết nối thông tin với các thiết bị đo lường và điều khiển thông minh. SCADA trạm có các chức năng cơ bản sau: Thu thập số liệu các thanh cái của trạm bao gồm bộ các thông số(U, I, P,Q ) của các phần tử và trạng thái của các thiết bị trong trạm(chủ yếu là trạng thái máy cắt, trạng thái cầu dao, điện áp trên thanh cái ). Thực hiện các lệnh theo yêu cầu của người điều hành hệ thống và người trực trạm đưa ra hoặc của SCADA điều độ cấp trên. Việc điều khiển chủ yếu là đóng cắt các máy cắt và điều chỉnh tăng giảm nấc phân áp của máy biến áp. Cung cấp giao tiếp người - máy với người điều hành hay người trực trạm: các control pannel, các bảng mạch mà trên đó ta dùng để biểu thị các thiết bị, thông số giờ đây ta thay thế bằng giao tiếp bởi màn hình, chuột, bàn phím. Giao diện người – máy(HMI) của SCADA trạm cho phép người dùng dễ dàng hơn trong việc giám sát, thu thập dữ liệu, điều khiển, quản lý hệ thống và vận hành trạm. Ghi nhận, quản lý, lưu giữ lịch sử vận hành trạm, lịch sử các sự kiện như: báo động, sự cố; lưu trữ các quá trình thao tác trong hệ. Điều này sẽ rất có ích trong việc phát hiện và sử lý khi có lỗi xảy ra. Quản lý cơ sở dữ liệu lịch sử của trạm để phục vụ trong việc in báo cáo với cấp trên, gửi số liệu lên SCADA điều độ cấp trên. Có một cơ chế tự động tạo và in các báo các khi cần thiết. Có khả năng truyền thông với cấp trên như: nhận lệnh từ cấp trên đưa xuống và tiến hành gửi các báo cáo theo yêu cầu của cấp trên. Truyền tin với cấp dưới của SCADA trạm là các transmitter, sensor, cơ cấu chấp hành. 5.2 Các kiến trúc của scada trạm Hiện nay các thiết bị đo lường và điều khiển thông minh, các transmitter số hợp bộ, các RTU và các PLC đang phát triển mạnh và bắt đầu được ứng dụng ngay càng rộng rãi hơn trong hầu hết các ngành công nghiệp từ các khu chế biến thực phẩm, nơi các nhà máy xí nghiệp sản xuất mà dường như trước đây không mấy khi sử dụng đến các thiết bị tự động hoá, cho đến các khu chế xuất, các khu công SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 37
39. Chương 5 Ứng dụng SCADA trong điều độ hệ thống điện nghiệp. Ở một số nước tiên tiến, các hệ thống SCADA sử dụng RTU hay PLC đang ngày càng được phát triển. Tuy nhiên xu hướng người ta ngày càng sử dụng PLC thay cho các RTU càng ngày càng được ưa chuộng hơn. Rất nhiều phần mềm SCADA đã ra đời với nhiều hỗ trợ hơn cho người thiết kế hệ thống, một số sản phẩm, thiết bị của nhiều hãng như Wonderware, Siemens, Nari đã ra đời và được đưa ra thị trường. Nói chung, chúng ta có thể phân các sản phẩm này thành một số kiểu cấu trúc sau: Kiến trúc kiểu PC/PLC Sử dụng PC với PLC kết hợp với việc sử dụng hệ điều hành của Unix hay Windows. Nó sử dụng các bộ biến đổi, các transmitter analog, các sensor để thu thập số liệu. Kiểu kiến trúc này phù hợp hơn trong việc ứng dụng vào SCADA cho các trạm với quy mô nhỏ.Tuy nhiên giá thành sử dụng khá cao. Kiến trúc kiểu RTU Kiểu kiến trúc này dựa trên các thiết bị đầu cuối, các transmitter analog, các sensor, cảm biến. Các thiết bị này sẽ thu thập trạng thái của hệ thống và đưa về máy tính để xử lý số liệu và thông qua các bộ điều khiển đưa xuống cơ cấu chấp hành. Kiến trúc dựa trên các RTU thưòng được ứng dụng trong việc SCADA trạm với quy mô nhỏ và vừa. Ưu điểm của nó là giá cả rẻ song việc lắp đặt hệ thống và thiết kế là không đơn giản. Trong tương lai kiểu này sẽ không còn được sử dụng thông dụng nữa. Kiến trúc dựa trên PC/PLC/Transmitter số: Kiểu kiến trúc này với máy PC được coi như là máy chủ và các Slave là các PLC, các transmitter số thông tính. Các PLC và các transmitter số thông minh này được nối với nhau thành một mạng dựa trên chuẩn truyền tin RS – 485. Máy chủ PC sẽ làm nhiệm vụ thu thập số liệu, ra lệnh điều khiển, ghi nhận trạng thái, thao tác vận hành và sự cố. PC là nơi hiển thị các giao diện người - máy và cũng là nơi quản lý các cơ sở dữ liệu của hệ thống. Kiến trúc kiểu này rất phù hợp với những trạm có quy mô lớn và đang SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 38
40. Chương 5 Ứng dụng SCADA trong điều độ hệ thống điện ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong tương lai bởi hệ thống và quy mô của các trạm cũng ngay càng phức tạp. 5.3 Lợi ích của việc sử dụng scada trạm SCADA trạm sẽ mang lại những lợi ích to lớn khi thiết kế, xây dựng, vận hành, bảo trì và nâng cấp trạm khi cần mở rộng. Đặc biệt nó tăng cường thêm chất lượng giám sát, vận hành và nâng cao tính tin cậy của hệ thống trạm. Các lợi ích mà SCADA trạm mang lại gồm: - Lợi ích khi thiết kế và xây dựng trạm + Giảm bớt số lượng các thiết bị dự phòng. + Giảm thiểu hạ tầng cơ sở của trạm bao gồm: đường cáp tín hiệu/ống dẫn dây, các tủ bảng đo lường, tủ bảng điều khiển và diện tích nhà điều hành trạm. + Dễ dàng nâng cấp, mở rộng hệ thống điều trạm. - Lợi ích khi vận hành + Tự động ghi nhận các hoạt động ghi nhận các hoạt động điều hành trạm của người trực trạm cũng như các lệnh điều hành của cấp trên. + Có cơ sở dữ liệu vận hành để dùng trong việc vận hành, phân tích, tính toán với hệ thống, điều khiển thời gian thực. + Giảm được số lượng nhân công vận hành trạm, hơn nữa trên cơ sở hệ thống trạm được tự động hoá hoàn toàn điều này sẽ tránh được đáng kể những sai sót do người công nhân vận hành trạm. - Lợi ích trong bảo trì hệ thống + Có cơ sở dữ liệu về lịch sử vận hành, lịch sử thao tác trạm, các báo động, thông tin về sự cố luôn có sẵn trên hệ thống. + Các thiết bị đo có thể được trực tiếp lập trình về các thông số cấu hình, chẩn đoán, chỉnh định hệ thống + Dễ dàng lập kế kế hoạch bảo trì thiết bị thông qua việc phân tích cơ sở số liệu tình trạng hoạt động của thiết bị. Chi phí bảo trì sẽ giảm do có số liệu cụ thể về hệ thống. + Sơ đồ trạm được quản lý bằng máy tính nên rất dễ dàng trong việc xem xét cũng như cập nhật các thay đổi mà không mất nhiều chi phí. - Tăng cường tính tin cậy của hệ thống + Giao diện người - máy thân thiện với giải thích rõ ràng cùng cơ chế kiểm tra hoạt động sẽ giảm tối thiểu khả năng tháo tác nhầm, thao tác sai của người trực trạm. + Tăng số lượng, chất lượng và độ tin cậy của việc thu thập số liệu. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 39
41. Chương 5 Ứng dụng SCADA trong điều độ hệ thống điện + Cung cấp nhanh chóng và chính xác về lịch sử thao tác cũng như lịch sử vận hành trạm để có thể đưa ra nhanh chóng những quyết định khi hệ thống có sự cố xảy ra hay là khi cần nâng cấp, bảo trì hệ thống. + Trên cơ sở có các cảnh báo sớm sẽ khiến cho việc bảo trì đúng thời hạn sẽ giảm thiểu đáng kể các rủi ro hỏng hóc mang lại. + Do việc thu thập số liệu thời gian thực nên cho phép thực hiện nhanh chóng xác định và xử lý tình trạng quá tải. Những khu vực bị quá tải này sẽ được nhanh chóng bù đắp bằng hệ thống nguồn cấp dự phòng khác; điều này giảm đáng kể thời gian bị mất điện do sự cố qua tải hệ thống. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 40
42. Chương 5 Ứng dụng SCADA trong điều độ hệ thống điện KẾT LUẬN Qua 10 tuần thực hiện đề tài: Tìm hiểu ứng dụng SCADA trong hệ thống điện. SCADA là hệ thống quản lí và điều độ hết sức hiệu quả trong hệ thống diện ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung. Việc ứng dụng SCADA trong hệ thống điện mang lại hiệu quả vô cùng to lớn về mặt kinh tế và thời gian. SCADA là một hệ thống sẽ đảm bảo việc quản lý giám sát, điều khiển vận hành an toàn cho hệ thống điện. Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu SCADA ngày càng gần gũi hơn đối với các kỹ sư, kỹ thuật viên và sinh viên nghành Hệ thống điện việc trang bị chúng cho hệ thống điện là hết sức cần thiết. Các hãng trên thế giới đã chế tạo, lắp đặt nhiều mô hình SCADA khác nhau đối với hệ thống điện, nhà máy điện, lưới hạ thế, công ty, để quản ký vận hành các sơ đồ lưới cũng như các thiết bị kỹ thuật số ngày càng được sử dụng nhiều. Chính vì lẽ đó xu hướng nước ta đang mở rộng ứng dụng SCADA trong hệ thong quản lí hệ thống điện ở Việt Nam. Tập đồ án này, mặc dù còn nhiều hạn chế nhưng trong quá trình thực hiện đề tài, đã giúp em tự đánh giá và hiểu kỹ hơn những kiến thức về chuyên môn. Đó cũng là kết quả sau nhiều năm học tập và cùng sự hướng dẫn tận tình của thầy Đào Minh Trung em thành thật cảm ơn. SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 41
43. Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Văn Hòa, Đặng Tiến Trung (2010), Hệ thống thông tin trong hệ thống điện, Nhà xuất bản Bách Khoa – Hà Nội. 2. Phạm Văn Hòa, Đặng Tiến Trung, Lê Anh Tuấn (2010), Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA trong hệ thống điện, Nhà xuất bản Bách Khoa – Hà Nội. 3. Trương Đình Châu (2006), Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát. Bộ môn Điều khiển tự động, Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. 4. Bentley System ( 2006), Incorporated "The Fundamentals of SCADA". SVTH: Nguyễn Hữu Nguyên 42