Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu giải pháp nâng cấp bảo vệ rơ le và thiết kế hệ thống điều khiển xa trạm biến áp Phù Ninh, Phú Thọ

Chia sẻ: Conmeothayxao | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu giải pháp nâng cấp bảo vệ rơ le và thiết kế hệ thống điều khiển xa trạm biến áp Phù Ninh, Phú Thọ" được hoàn thành với mục tiêu nhằm nghiên cứu hệ thống SCADA trạm 110kV Phù Ninh-Phú Thọ, tìm hiểu hệ thống SCADA dùng giao thức IEC 61850 tại trạm 110kV Phù Ninh - Phú Thọ. Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển bảo vệ trạm biến áp 110 kV.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu giải pháp nâng cấp bảo vệ rơ le và thiết kế hệ thống điều khiển xa trạm biến áp Phù Ninh, Phú Thọ

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC NGUYỄN VĂN QUYỀN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CẤP BẢO VỆ RƠ LE VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XA TRẠM BIẾN ÁP PHÙ NINH, PHÚ THỌ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN HÀ NỘI, 2022
BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC NGUYỄN VĂN QUYỀN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CẤP BẢO VỆ RƠ LE VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XA TRẠM BIẾN ÁP PHÙ NINH, PHÚ THỌ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN NGỌC TRUNG HÀ NỘI, 2022
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn này tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Ngọc Trung đã hướng dẫn tôi thực hiện nghiên cứu của mình. Tôi xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ của thầy. Mặc dù em đã hoàn thành đồ án của mình, nhưng do kiến thức của tôi còn hạn chế nên chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo Khoa Kỹ thuật điện, các thầy cô giáo của Trường Đại học Điện lực đã đem lại cho tôi những kiến thức bổ ích và đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập. Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình. Hà Nội, ngày 28 tháng 06 năm 2022 Nguyễn Văn Quyền i
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Ngọc Trung. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được chỉ rõ nguồn gốc. Nguyễn Văn Quyền ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ ii MỤC LỤC ........................................................................................................... iii MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................ v CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ................................................................ vii MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1. HỆ THỐNG SCADA, BẢO VỆ RƠ LE VÀ CÁC CHUẨN GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP 110KV .................................................................................................. 3 1.1. Khái niệm, vai trò và nhiệm vụ của hệ thống rơ le: ....................................... 3 1.2. Các yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơ le. ............................................................. 3 1.2.1. Tính cắt nhanh............................................................................................. 3 1.2.2. Tính chọn lọc. ............................................................................................. 3 1.2.3. Độ nhạy : ..................................................................................................... 4 1.2.4. Độ tin cậy. ................................................................................................... 4 1.2.5. Tính kinh tế. ................................................................................................ 4 1.3. Khái niệm, vai trò hệ thống SCADA. ............................................................ 5 1.4. Nhiệm vụ hệ thống SCADA. ......................................................................... 7 1.4.1. Chức năng giám sát ..................................................................................... 7 1.4.2. Chức năng điều khiển ................................................................................. 8 1.4.3. Quản lý và lưu trữ dữ liệu ........................................................................... 8 1.4.4. Tính năng thời gian thực ............................................................................. 8 1.5. Cấu trúc hệ thống SCADA ........................................................................... 10 1.5.1.SCADA Server ........................................................................................... 11 1.5.2.SCADA Client ........................................................................................... 12 1.5.3.PLC- RTU .................................................................................................. 12 1.6. Chuẩn giao thức truyền thông trong điều khiển và bảo vệ tại TBA 110kV . .. 15 1.6.1. Giới thiệu về chuẩn giao thức IEC 61850 và ứng dụng của nó đến bảo vệ và tự động hóa trong các trạm biến áp. ............................................................... 15 1.6.2. Các đặc điểm chính của hệ thống theo chuẩn IEC 61850. ....................... 15 1.6.3. Các ứng dụng sơ cấp của IEC 61850 ....................................................... 16 iii
1.6.4. Giới thiệu các ứng dụng của chuẩn giao thức IEC 61850 trong tự động hoá trạm biến áp .................................................................................................. 17 CHƢƠNG 2. THỰC TRẠNG LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG SCADA VÀ BẢO VỆ RƠ LE TRẠM 110 KV PHÙ NINH - PHÚ THỌ .......................... 19 2.1. Giới thiệu chung về trạm biến áp 110kV Phù Ninh - Phú Thọ. .................. 19 2.2. Hệ thống rơ le bảo vệ trạm 110 kV Phù Ninh - Phú Thọ ............................ 19 2.2.1. Bảo vệ máy biến áp ................................................................................... 19 2.2.2. Bảo vệ cho đường dây 110kV. ................................................................. 22 2.3. Hệ thống SCADA trạm 110kV Phù Ninh - Phú Thọ. .................................. 23 2.3.1. Chức năng SCADA của trạm sau khi nâng cấp và cải tạo ....................... 23 2.3.2. Giao thức truyền tin. ................................................................................. 24 2.3.3. Hiện trạng hệ thống SCADA trạm 110kV Phù Ninh - Phú Thọ. ............. 24 2.4. Đánh giá chung về hiện trạng hệ thống SCADA và bảo vệ rơ le trạm 110kV Phù Ninh - Phú Thọ ................................................................................ 32 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU VÀ NÂNG CẤP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, BẢO VỆ TRẠM 110KV PHÙ NINH - PHÚ THỌ......................................... 33 3.1.Tổng quan hệ thống IEDs của trạm 110kV................................................... 33 3.1.1.Bảo vệ ngăn đường dây ............................................................................. 33 3.1.2. Bảo vệ ngăn máy biến áp .......................................................................... 34 3.1.3. Bảo vệ ngăn cầu ........................................................................................ 35 3.1.4. Bảo vệ các ngăn xuất tuyến ...................................................................... 36 3.2. Tổng quan hệ thống máy tính....................................................................... 37 3.3. Tổng quan dạng tín hiệu bảo vệ của trạm 110kV đưa lên SCADA ............. 38 3.4.Triển khai truyền thông cho hệ thống Relay bảo vệ ..................................... 39 3.4.1.Cấu hình tự động hóa và 61850 cho BCU và relay SEL .......................... 39 3.5.Quản lý, giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển xa cho Trạm biến áp Phù Ninh bằng phần mềm Elipse. .............................................................................. 48 3.5.1.Giới thiệu ................................................................................................... 48 3.5.2.Thiết kế hệ thống điều khiển bằng phần mềm Elipse ............................... 49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 71 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 85 iv
MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Hệ thống thu thập dữ liệu sơ khai [4] .............................................................6 Hình 1. 2. Sơ đồ hệ thống SCADA hiện đại ...................................................................7 Hình 1. 3. Sơ đồ cấu trúc phần mềm Client/Server của hệ thống SCADA ...................11 Hình 1. 4. PLC S7-400 Hình 1. 5. RTU ...........................................12 Hình 1. 6. Tự động hóa trạm với BUS Station ..............................................................17 Hình 1. 7. Giao thức truyền thông 61850 ......................................................................17 Hình 1. 8. Liên kết các khối dữ liệu bằng chuẩn 60870 ................................................18 Hình 1. 9. Chuẩn giao thức truyền thông với việc ghép nối với bên ngoài...................18 Hình 2. 1. MiCOM C264 và MiCOM C264C ...............................................................25 Hình 3. 1. Sơ đồ điều khiển máy tính trạm....................................................................37 Hình 3. 2. Giao diện cấu hình các thông số truyền thông và giao thức 61850 .............40 Hình 3. 3. Cấu hình điều khiển thiết bị ra Output của Relay ........................................41 Hình 3. 4. Nơi trỏ các biến bảo vệ được cài đặt vào biến TRIP ....................................42 Hình 3. 5. Cấu hình kích hoạt các tiếp điểm Output Relay ...........................................43 Hình 3. 6. Gán đèn tín hiệu cho tín hiệu bảo vệ ............................................................ 43 Hình 3. 7. Dataset và Report được dựng sẵn trong hệ thống SEL ................................ 44 Hình 3. 8. Cửa sổ cấu hình Datasets ..............................................................................45 Hình 3. 9. Cửa sổ cấu hình Reports ...............................................................................46 Hình 3. 10. Phân vùng cấu hình DeadBands .................................................................47 Hình 3. 11. Cửa sổ gửi File cấu hình 61850 vào thiết bị ...............................................47 Hình 3. 12. Tạo một Driver mới ....................................................................................50 Hình 3. 13.Cửa sổ cấu hình giao thức IEC61850 ..........................................................50 Hình 3. 14. Cửa sổ Tag Browser để lấy biến từ giao thức 61850 lập trình trong thiết bị .......................................................................................................................................51 Hình 3. 15. Các Tags nhặt ra từ Driver 61850 của 110kV Phù Ninh............................ 51 Hình 3. 16. Kênh IEC104 để trao đổi dữ liệu với TTĐĐ A0 và A1 ............................. 52 Hình 3. 17. Cấu hình thông số Ethernet cho Driver IEC104.........................................54 Hình 3. 18. Cấu hình địa chỉ COA cho Driver IEC104.................................................55 Hình 3. 19.Thư mục các loại tín hiệu được gửi lên Trung tâm điều độ ........................55 Hình 3. 20. Các Tag tín hiệu được gửi lên Trung tâm điều độ......................................56 Hình 3. 21. Các khối Tag tín hiệu (Block) để Trung tâm điều độ điều khiển xuống ....56 Hình 3. 22. Giao diện mô phỏng sơ đồ một sợi trạm 110kV 110kV Phù Ninh ............57 Hình 3. 23. Giao diện module Substations trạm 110kV 110kV Phù Ninh ...................58 v
Hình 3. 24. Đối tượng Breaker Position thể hiện trạng thái của thiết bị đóng cắt ........59 Hình 3. 25. Đối tượng Breaker Position dùng để điều khiển thiết bị đóng cắt .............59 Hình 3. 26. Đối tượng Analog Measurement để hiển thị đo lường của thiết bị ............59 Hình 3. 27. Đối tượng Discrete Alarm được dùng trong dự án 110kV Phù Ninh để biểu diễn các trạng thái 1 bit..........................................................................................60 Hình 3. 28. Cửa sổ cấu hình nguồn tín hiệu và trạng thái biểu hiện của đối tượng Alarm ............................................................................................................................. 60 Hình 3. 29. Dạng lưu trữ Historic được sử dụng lưu trữ đo lường cho 110kV Phù Ninh .......................................................................................................................................61 Hình 3. 30. Module Alarm Server .................................................................................61 Hình 3. 31. Cửa sổ cấu hình module Alarm Server.......................................................62 Hình 3. 32. Frame 110kV Phù Ninh ..............................................................................62 Hình 3. 33. Phân vùng Frame của dự án 110kV Phù Ninh ...........................................63 Hình 3. 34. Thanh điều hướng màn hình .......................................................................63 Hình 3. 35. Screen sơ đồ SingleLine toàn trạm ............................................................. 64 Hình 3. 36. Screen giám sát ngăn 112 ...........................................................................64 Hình 3. 37. Screen giám sát hệ thống DC .....................................................................65 Hình 3. 38. Screen hệ thống cảnh báo ...........................................................................65 Hình 3. 39. Screen giám sát MBA lực...........................................................................65 Hình 3. 40. Screen quản lý dữ liệu đo lường dạng bảng ...............................................66 Hình 3. 41. Screen giám sát thanh cái trung thế ............................................................ 66 Hình 3. 42. Tổng thể Screen trên 2 màn hình ................................................................ 67 Hình 3. 43. Sơ đồ Single sau khi được Import từ Electrical Modeler ........................... 68 Hình 3. 44. Nguồn của các đối tượng hiện thị trên Screen được đồng bộ từ Electrical Modeler ..........................................................................................................................68 Hình 3. 45. Cửa sổ cấu hình cho hiển thị của E3Browser .............................................69 Hình 3. 46. Cửa sổ cấu hình query của đối tượng E3Browser ......................................69 Hình 3. 47. Các Data Tag có chức năng đặc biệt ..........................................................70 Hình 3. 48. Sử dụng Internal Tag cho việc hiển thị phân quyền hệ thống ....................70 Hình 3. 49. Tag dùng làm hiển thị thời gian cho giao diện HMI ..................................70 vi
CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT SCADA Supervisory Control And Data Acquicsition - Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu RTU Remote Terminal Unit - Thiết bị đầu cuối từ xa. TSS Single TeleSignaling- Tín hiệu cảnh báo (1 bít). TSD Double TeleSignal - Tín hiệu trạng thái (2 bít). CPR Cell Processor module - module bộ xử lí của cell. DI Digital Input module - module đầu vào số. DO Digital Output module - module đầu ra số. CSDL Cơ sở dữ liệu. AI Analog Input - Đầu vào tương tự AO Analog Output - Đầu ra tương tự CPU Central Processing Unit - Bộ xử lý trung tâm DCS Distributed Control System - Hệ thống điều khiển phân tán GPS Global Positioning System - Hệ thống định vị toàn cầu GUI Graphical User Interface – Giao diện người dùng đồ họa HMI Human Machine Interface - Giao diện người - máy I/O Input/Output - Đầu vào/Đầu ra IEC International Electrotechnical Commision-Ủy ban kỹ thuật điện tử quốc tế IED Intelligent Electronic Devices - Thiết bị điện tử thông minh LAN Local Area Network - Mạng cục bộ PC Personal computer - Máy tính cá nhân PLC Programmable Logic Controller - Bộ điều khiển logic lập trình SCL Structured Control Language - Ngôn ngữ lập trình điều khiển cấu trúc TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol - Giao thức kiểm soát truyền thông/Giao thức mạng toàn cầu vii
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Năng lượng điện là nguồn năng lượng quan trọng mang tính sống còn đối với mọi nền kinh tế. Nó góp phần tạo dựng nên cuộc sống văn minh nhận loại hiện nay. Hầu như trên mọi lĩnh vực cuộc sống đều có sự hiện diện của năng lượng điện dưới mọi hình thái. Ở Việt Nam năng lượng điện cũng đã có mặt hàng trăm năm, cùng với nó là quá trình thiết lập cơ sở hạ tầng, hình thành ngành công nghiệp Điện. Trong những năm đất nước tiến hành đổi mới, nhất là quá trình Công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay, điện năng có vai trò không thể thay thế. Để duy trì hệ thống Điện Quốc gia làm việc ổn định, tin cậy, cần thiết lập được một cơ sở hạ tầng tốt, một đội ngũ chuyên viên giỏi, trong đó vai trò của hệ thống thiết bị điều khiển và bảo vệ cực kỳ quan trọng. Đối với các trạm biến áp 110kV thuộc Công ty lưới điện cao thế Miền Bắc trong đó có các trạm biến áp thuộc Chi nhánh Lưới điện cao thế Phú Thọ, hệ thống điều khiển và bảo vệ đã và đang được triển khai, từng bước được hoàn thiện. Với sự gợi ý của TS. Nguyễn Ngọc Trung cùng với các nhược điểm của hệ thống nêu trên, tôi quyết định chọn đề tài, đó là: “Nghiên cứu giải pháp nâng cấp bảo vệ rơ le và thiết kế hệ thống điều khiển xa trạm biến áp Phù Ninh, Phú Thọ”. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu hệ thống SCADA trạm 110kV Phù Ninh - Phú Thọ, tìm hiểu hệ thống SCADA dùng giao thức IEC 61850 tại trạm 110kV Phù Ninh - Phú Thọ. - Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển bảo vệ trạm biến áp 110 kV. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu các giải pháp SCADA cho trạm biến áp 110 kV. - Nghiên cứu cách kết nối hệ thống tích hợp các thiết bị trong trạm 110kV. 1
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là mô hình hệ thống SCADA và hệ thống điều khiển tích hợp cho trạm 110 kV Phù Ninh - Phú Thọ - Phạm vi nghiên cứu áp dụng cho trạm 110 kV Phù Ninh - Phú Thọ. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Đề tài thuộc loại hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ, chuẩn hóa các tiêu chuẩn của truyền tín hiệu và xử lý tín hiệu áp dụng trong đo lường điều khiển hệ thống bảo vệ trong hệ thống điện. - Áp dụng các phần mềm trong việc lập trình điều khiển bảo vệ nhằm cụ thể hóa các đối tượng làm việc là phương pháp nghiên cứu chuyên sâu của đề tài. 6. Dự kiến đóng góp mới - Về mặt khoa học: Nghiên cứu mô hình lý thuyết một số vấn đề chính về tự động hoá hệ thống bảo vệ cho trạm 110 kV Phù Ninh - Phú Thọ. - Về mặt thực tiễn: Quản lý hệ thống bảo vệ cho trạm 110 kV Phù Ninh - Phú Thọ tốt hơn nhờ công tác giám sát vận hành hệ thống, thu thập và lưu trữ thông tin đầy đủ và chính xác theo thời gian thực, xuất dữ liệu vận hành tự động. Tăng năng suất lao động, giảm thiểu thấp nhất các tác động xấu của sự cố đến việc vận hành của nhà máy cũng như nâng cao đội ngũ vận hành cho nhà máy. 2
CHƢƠNG 1. HỆ THỐNG SCADA, BẢO VỆ RƠ LE VÀ CÁC CHUẨN GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP 110KV 1.1. Khái niệm, vai trò và nhiệm vụ của hệ thống rơ le: Rơ le là một trong những thiết bị có thể bảo vệ được máy phát, máy biến áp, đường dây, thanh góp...và toàn bộ hệ thống điện làm việc an toàn, phát triển liên tục, bền vững. Rơ le là một thiết bị có nhiệm vụ phát hiện và loại trừ càng nhanh càng tốt phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện để hạn chế đến mức thấp nhất có thể của các hậu quả do sự cố gây ra. Các nguyên nhân gây sự cố hư hỏng có thể do các hiện tượng thiên nhiên như giông bão, động đất, lũ lụt... do các thiết bị hao mòn, già cỗi gây chạm chập, đôi khi do công nhân vận hành thao tác sai. Tuy nhiên trong hệ thống có nhiều loại máy móc thiết bị khác nhau, tính chất làm việc và yêu cầu bảo vệ khác nhau nên không thể chỉ dùng rơ le để bảo vệ. Ngày nay khái niệm rơ le có thể hiểu là một tổ hợp các thiết bị thực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo vệ và tự động hóa hệ thống điện, thỏa mãn các nhu cầu kỹ thuật đề ra đối với nhiệm vụ bảo vệ cho từng phần tử cụ thể cũng như cho toàn hệ thống điện. 1.2. Các yêu cầu cơ bản của bảo vệ rơ le. 1.2.1. Tính cắt nhanh. Khi có sự cố xảy ra thì yêu cầu rơ le phải phát hiện và xử lý cắt cách ly phần tử bị sự cố càng nhanh càng tốt. t csc = t bv + t mc (ms) Thời gian cắt sự cố bằng tổng thời gian tác động bảo vệ và thời gian làm việc máy cắt. 1.2.2. Tính chọn lọc. + Khả năng cắt đúng phần tử bị sự cố hư hỏng. + Theo nguyên lý làm việc các bảo vệ phân ra 2 loại là bảo vệ chọn lọc tương đối và tuyệt đối. 3
+ Chọn lọc tuyệt đối: Là những bảo vệ chỉ làm việc khi có sự cố xảy ra trong một phạm vi xác định, không làm việc dự phòng cho các bảo vệ ở các phần tử lân cận. + Chọn lọc tương đối: Là bảo vệ ngoài chức năng bảo vệ cho phần tử chính đặt bảo vệ còn có thể thực hiện nhiệm vụ bảo vệ dự phòng cho các bảo vệ ở các phần tử lân cận. 1.2.3. Độ nhạy : + Đặc trưng cho khả năng cảm nhận sự cố. I ngan min + Hệ số độ nhạy: K n  I kđ + Bảo vệ chính K n  2 + Bảo vệ dự phòng K n  1,5 1.2.4. Độ tin cậy. - Là tính năng bảo đảm cho thiết bị làm việc đúng và chắc chắn. - Độ tin cậy tác động và độ tin cậy không tác động. - Độ tin cậy tác động là mức độ đảm bảo rơ le hay hệ thống rơ le có tác động khi có sự cố, và chỉ được tác động trong khu vực đặt bảo vệ đã định trước. - Độ tin cậy không tác động là mức độ đảm bảo rơ le hay hệ thống rơ le không làm việc sai, tức là tránh tác động nhầm khi đang làm việc bình thường hoặc có sự cố xảy ra ở ngoài phạm vi muốn bảo vệ. 1.2.5. Tính kinh tế. - Các thiết bị bảo vệ được lắp đặt trong hệ thống điện không phải để làm việc thường xuyên trong chế độ vận hành bình thường, luôn luôn sẵn sàng chờ đón những bất thường và sự cố có thể xảy ra và có những tác động chuẩn xác. - Đối với các trang thiết bị điện áp cao và siêu cao áp, chi phí để mua sắm, lắp đặt thiết bị bảo vệ thường chỉ chiếm một vài phần trăm giá trị công trình. Vì vậy yêu cầu về kinh tế không đề ra , mà bốn yêu cầu về kĩ 4
thuật trên đóng vai trò quyết định, vì nếu không thỏa mãn được các yêu này sẽ dẫn đến hậu quả tai hại cho hệ thống điện. - Đối với lưới điện trung áp và hạ áp, số lượng các phần tử cần được bảo vệ rất lớn, và yêu cầu đối với thiết bị bảo vệ không cao bằng thiết bị bảo vệ ở nhà máy điện hoặc lưới chuyển tải cao áp. Vì vậy cần phải cân nhắc tính kinh tế trong lựa chọn thiết bị bảo vệ sao cho có thể đảm bảo được các yêu cầu kĩ thuật mà chi phí thấp nhất. 1.3. Khái niệm, vai trò hệ thống SCADA. - Hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển các quá trình từ xa. Người vận hành có thể nhận biết và điều khiển hoạt động các thiết bị thông qua máy tính và mạng truyền thông [4]. Nói cách khác, SCADA thường được dùng để chỉ tất cả các hệ thống máy tính được thiết kế để thực hiện các chức năng sau: - Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến. - Xử lý và thực hiện các phép tính trên các dữ liệu thu thập được. - Hiển thị các dữ liệu thu thập được và kết quả đã xử lý. - Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị của nhà máy. - Xử lý các lệnh điều khiển tự động hoặc bằng tay một cách kịp thời và chính xác. - Hệ thống này cung cấp cho người vận hành những thông tin quan trọng của đối tượng cần quan tâm và cho phép thực hiện các lệnh điều khiển cần thiết về phía đối tượng để đảm bảo cho hệ thống hoạt động an toàn và có hiệu quả. SCADA được hình thành và phát triển cùng với sự phát triển chung của các ngành công nghiệp khác như công nghiệp vi xử lý, viễn thông, tin học ... Từ những năm đầu thập niên 70 nền công nghiệp các nước phát triển đi vào xu hướng tự động hóa. Việc sản xuất thủ công được thay thế dần ở các xí nghiệp công nghiệp. Bên cạnh đó ngành công nghệ 5
thông tin, đặc biệt sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực tin học - công nghệ phần mềm, các hệ thống tự động hóa điều khiển bằng chương trình cũng ra đời. Với đặc điểm là một công cụ tự động hóa nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ việc quản lý điều khiển trong sản xuất công nghiệp, đến quản lý truyền tải và phân phối điện năng trong Điện lực... -Vào giữa những thập niên 90 của thế kỷ trước những hệ thống SCADA đầu tiên chỉ có tác dụng thu thập dữ liệu từ các bộ cảm biến bằng các đồng hồ đo, đèn báo, và các bộ ghi dữ liệu hiển thị dưới dạng đồ thị. Hệ thống này hết sức đơn giản, không đáp ứng được yêu cầu công nghệ trong sản xuất. Hình 1. 1. Hệ thống thu thập dữ liệu sơ khai [4] - Đến năm 2000, các chuẩn truyền thông như IEC870-5-101/104 và DNP 3.0 ra đời đã phổ biến trong việc sản xuất các thiết bị cũng như giải pháp cho hệ thống SCADA. Các thiết bị cảm biến thu thập dữ liệu được thay thế bằng các thiết bị vào ra I/O (Intput/Output) sử dụng các chuẩn giao thức mở như Modicon MODBUS dựa trên chuẩn giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol). 6
Hình 1. 2. Sơ đồ hệ thống SCADA hiện đại - Hiện nay SCADA không thể thiếu được cho việc sản xuất tự động ở xí nghiệp công nghiệp cần độ chính xác và tự động hóa cao. Để đáp ứng với khả năng phát triển chung của nền kinh tế, hệ thống điện đóng vai trò chủ đạo không những thúc đẩy nền kinh tế mà còn đảm bảo an ninh, chính trị, quốc phòng. Vì vậy việc sử dụng SCADA trong hệ thống điện Việt Nam để đảm bảo việc cung cấp điện liên tục, vận hành, xử lý tình huống một cách nhanh chóng để đáp ứng yêu cầu của nền kinh tế phát triển. 1.4. Nhiệm vụ hệ thống SCADA. Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp được các chức năng sau: Chức năng giám sát Chức năng điều khiển Quản lý và lưu trữ dữ liệu Tính năng thời gian thực 1.4.1. Chức năng giám sát Chức năng giám sát của hệ thống SCADA nhằm các mục đích: 7
- Giám sát và đảm bảo được tính chính xác toàn bộ các thông số vận hành của hệ thống như dòng điện, điện áp, công 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… 1.4.2. Chức năng điều khiển Chức năng điều khiển của hệ thống SCADA cần đảm bảo: - Quá trình điều 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. - Cho phép 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 các 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 với thực tế. Việc cài đặt này có thể được thực hiện từ xa tại các Trung tâm điều độ vùng/miền hoặc quốc gia. 1.4.3. Quản lý và lƣu trữ dữ liệu - Hệ thống SCADA ngoài việc giám sát được các sự cố xảy ra trên lưới cũng như của các thiết bị còn cần thực hiện cảnh báo sự cố bằng âm thanh, màu sắc hoặc thông báo trên màn hình hiển thị, ghi lại được 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. 1.4.4. 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 8
và quan trọng. Sự 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 của các kết quả đầu ra, mà còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả. Để đảm bảo tính năng thời gian thực, một hệ thống Bus phải có những đặc điểm sau: - Độ nhạy nhanh: Tốc độ truyền thông tin 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 về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm. - Độ tin 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. - Hệ thống SCADA thực hiện chức năng thu thập dữ liệu từ xa, các số liệu về sản lượng, các thông số vận hành ở các trạm biến áp thông qua đường truyền số liệu được truyền về trung tâm, lưu trữ ở hệ thống máy tính chủ. Các cơ sở số liệu đó được sử dụng nhằm các mục đích: - Cung cấp những dịch vụ về điều khiển giám sát hệ thống điện. - Hiển thị các trạng thái về quá trình hoạt động của thiết bị điện, hiển thị đồ thị, hiển thị sự kiện, báo động, hiển thị báo cáo sản xuất. - Thực hiện điều khiển từ xa quá trình Đóng/Cắt máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, thay đổi các giá trị của đầu phân áp máy biến thế, đặt giá trị của rơ le... - Thực hiện các dịch vụ: Về truyền số liệu trong hệ và ra ngoài hệ, việc đọc viết số liệu lên PLC/RTU, trả lời các bản tin yêu cầu của cấp trên về số liệu, về thao tác. 9
- Một hệ thống SCADA kết hợp phần cứng lẫn phần mềm vi tính để tự động hóa việc điều khiển giám sát cho một đối tượng trong hệ thống điện. Với một hệ thống thì yêu cầu việc xây dựng hệ thống SCADA (cho hệ thống điện) thực hiện một trong số những nhiệm vụ tự động hóa sau: + Thu thập, giám sát từ xa + Điều khiển Đóng/Cắt từ xa + Điều chỉnh tự động từ xa + Thông tin từ xa của các đối tượng và các cấp quản lý. Mỗi chức năng trên đều có những yêu cầu đặc biệt cho từng bộ phận, phần cứng, phần mềm chuyên dụng của hệ thống SCADA. Cụ thể là: Phần đo, giám sát từ xa: Cần đảm bảo thu thập, lưu giữ, hiển thị, in ấn, đủ những số liệu cần cho quản lý kỹ thuật. Phần điều khiển thao tác từ xa: Phải đảm bảo được việc kiểm tra đóng/cắt an toàn, tin cậy. 1.5. Cấu trúc hệ thống SCADA Hệ thống SCADA có ba phần: Các PC ở phòng điều khiển trung tâm, các RTU hay PLC ở các trạm xa và thiết bị thông tin để kết nối hai phần trên với nhau. 10
Hình 1. 3. Sơ đồ cấu trúc phần mềm Client/Server của hệ thống SCADA SCADA tương tự như phần HMI của hệ thống DCS: Hiển thị, điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm, thu thập dữ liệu, quản lý các số liệu, quản lý báo động,báo cáo. Các hệ thống SCADA cũ chạy trên môi trường DOS, VMS hay UNIX.Các hệ thống mới hơn chạy trên nền của Windows, Linux. 1.5.1.SCADA Server SCADA Sever chính là máy Server của hệ thống SCADA ở trung tâm được nối với các RTU hay PLC. Trong cấu trúc phần mềm máy chủ Server có chức năng thu thập, chia sẻ dữ liệu với các máy Client thông qua mạng Ethernet và gửi mệnh lệnh từ các Client trực tiếp đến các bộ điều 11