TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
255
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP MỞ RỘNG HỆ THỐNG MINISCADA
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI – KHU VỰC MIỀN TRUNG
A STUDY ON THE SOLUTIONS FOR THE EXPANSION OF
MINISCADA ON DISTRIBUTION NETWORKS IN CENTRAL REGIONS
Trần Vinh Tịnh
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Nguyễn Thành, Nguyễn Văn Ngà
Tổng Công ty Điện lực miền Trung
TÓM TẮT
Hàng năm, lưới điện phân phối được đầu tư phát triển không ngừng để đáp ứng nhu
cầu cung cấp điện cho khách hàng. Vì vậy, hệ thống miniSCADA/DMS phải được đầu tư mở
rộng đồng bộ với sự phát triển của lưới điện để đáp ứng các yêu cầu về điều khiển, giám sát và
thu thập dữ liệu trên lưới điện cũng như khả năng khai thác các ứng dụng của hệ thống
miniSCADA/DMS.
Bài báo phân tích, đánh giá giải pháp kỹ thuật kết nối SCADA tại các trạm biến áp
(TBA) 110kV, các thiết bị trên lưới điện phân phối (LĐPP) như: Recloser, LBS và hệ thống
thông tin truyền thông giữa Trung tâm điều khiển với các TBA 110kV, Recloser, LBS của hệ
thống miniSCADA tại 4 thành phố: Huế, Đà Nẵng, Qui Nhơn và Buôn Ma Thuột, khu vực miền
Trung. Từ đó, đề xuất các giải pháp mở rộng hệ thống thông tin truyền thông và kết nối SCADA
tại các TBA 110kV, Recloser, LBS và mô hình kết nối SCADA LĐPP khu vực miền Trung phù
hợp trong công tác quản lý vận hành, điều độ lưới điện để định hướng cho việc đầu tư xây
dựng mới và kết nối mở rộng hệ thống miniSCADA trong tương lai.
ABSTRACT
Every year the distribution network is continuously developed to meet the demand of
supplying power to customers. Therefore, the miniSCADA/DMS must be invested and
expanded hand in hand with the power network development in response to the control,
supervision and data collection on the power network as well as the exploitation of the
miniSCADA/DMS applications.
This article presents analyses and evaluation on the technical solutions for the SCADA
connection at 110kV substations, and equipment on the distribution network including
Reclosers, LBS, and the communication system between the control centre and the 110kV
substations, reclosers, LBS of the miniSCADA systems in the four cities -- Hue, Danang,
Quinhon and Buon Ma Thuot in Central Vietnam. In this article, we propose solutions to the
expansion and connection of miniSCADA 110kV substations, reclosers, LBS and the SCADA
connection model on the Central power distribution networks, facilitating the operating
management and power dispatching to orientate new activities for the construction and
expansion of future miniSCADA.
1. Đặt vấn đề
Từ năm 2006, Tổng Công ty Điện lực miền Trung (EVNCPC) đầu tư hệ thống
miniSCADA LĐPP tại 4 thành phố khu vực miền Trung: Huế, Đà Nẵng, Qui Nhơn và
Buôn Ma Thuột. Đến đầu năm 2010, Hệ thống miniSCADA đã được nghiệm thu đưa
vào vận hành thử nghiệm. Qua thời gian vận hành thử nghiệm đã chứng minh được việc
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
256
đầu tư xây dựng hệ thống miniSCADA là cần thiết, mang lại nhiều tiện ích trong công
tác quản lý vận hành và điều độ lưới điện. Tuy nhiên, để phát huy hiệu quả hệ thống
miniSCADA và khai thác được các ứng dụng của chương trình phần mềm
SCADA/DMS cần tiếp tục đầu tư mở rộng kết nối SCADA tại các TBA 110kV và các
thiết bị trên lưới điện như Recloser, LBS.
2. Phân tích, đánh giá hệ thống thông tin liên lạc
- Hệ thống thông tin liên lạc giữa Trung tâm điều khiển và các TBA 110kV sử
dụng giải pháp truyền dẫn quang làm đường truyền chính và đường truyền dự phòng là
đường dây điện thoại công cộng (PSTN) để truyền số liệu. Với giải pháp sử dụng đường
truyền này chi phí đầu tư thấp do sử dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của lưới điện; đây là
đường truyền có băng thông rộng, sử dụng nhiều dịch vụ đồng thời và độ tin cậy cao. Vì
vậy, tiếp tục tận dụng cơ sở hạ tầng cáp quang hiện có để kết nối mở rộng SCADA
trong tương lai là giải pháp hợp lý.
- Hệ thống thông tin liên lạc giữa trung tâm điều khiển và các Recloser, LBS
được sử dụng hệ thống thông tin UHF, gồm 2 kênh truyền: UHF1 là kênh truyền chính
và UHF2 là kênh dự phòng. Dải tần số hoạt động từ 400 MHz – 470 MHz. Giải pháp
kết nối và truyền tin như hình 2.1: Tại Trung tâm điều khiển lắp đặt modem UHF
master và anten. Tại các Recloser, LBS lắp đặt modem UHF slave và anten. Các modem
master và slave hoạt động trên nguyên tắc điểm – đa điểm. Hệ thống thông tin UHF có
chi phí đầu tư thấp hơn so với các hệ thống thông tin khác như: GSM/GPRS, cáp quang,
ADSL….có kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt và thiết lập kênh truyền. Tuy nhiên, hệ
thống UHF hoạt động theo nguyên tắc light-of-sight (tầm nhìn thẳng) và dải tần số thấp
nên phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết và địa hình, do vậy tín hiệu truyền tin
thường bị chập chờn hoặc nhiễu…Để khắc phục các nhược điểm nêu trên, nhóm tác giả
đề xuất mô hình giải pháp mở rộng hệ thống thông tin UHF như sau:
H
ình 2.1. Mô hình hệ thốn
g
UHF hiện hữu
H
ình 2.2. Mô hình mở rộn
g
hệ thốn
g
UHF.
Cáp quang
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
257
Hiện nay, EVNCPC đã đầu tư xây dựng các trạm thu phát sóng BTS và hệ thống
cáp quang tại các quận, huyện, thành phố để cung cấp dịch vụ viễn thông ngành điện.
Trên cơ sở hạ tầng hiện có phân vùng các Recloser, LBS…thực hiện kết nối SCADA
theo vùng phủ sóng của trạm BTS. Sau đó sử dụng giải pháp lắp đặt modem UHF
master và anten tại cột anten của trạm BTS và modem UHF slave và anten tại các
Recloser, LBS. Tín hiệu tại ngõ ra của modem UHF master sẽ được ghép nối lên thiết bị
truyền dẫn quang hiện có tại trạm BTS, từ đó truyền về Trung tâm điều khiển tại trụ sở
các Công ty Điện lực. Mô hình mở rộng như hình 2.2.
3. Phân tích, đánh giá giải pháp kết nối SCADA tại các TBA 110kV và các thiết bị
LBS, Recloser trên lưới điện
3.1. Tại các TBA 110kV
- Giải pháp kết nối SCADA hiện tại: Tại các TBA 110kV lắp đặt RTU 560. Các
tín hiệu điều khiển, giám sát được lấy từ các tiếp điểm phụ của rơle, mạch điều khiển,
giám sát tại trạm đưa vào các card vào/ra của RTU 560. Các tín hiệu đo lường được lấy
từ TU, TI đưa vào Transducer và kết nối đến RTU 560 qua cổng giao tiếp RS485 với
giao thức truyền thông Modbus. Giải pháp kết nối này có ưu điểm là thu thập được các
tín hiệu điều khiển, giám sát với các mã hiệu rơle của các nhà sản xuất khác nhau nhưng
có rất nhiều nhược điểm như: Khi mở rộng RTU phụ thuộc hoàn toàn vào công nghệ
của nhà sản xuất; lắp đặt quá nhiều các thiết bị phụ như: rơle trung gian, hàng kẹp,
contact, cáp tín hiệu đấu nối…dẫn đến độ tin cậy thấp, khó khăn trong quản lý vận
hành, tốn nhiều thời gian và chi phí trong việc đấu nối, thí nghiệm; sai số đo lường lớn.
Ngoài ra, giải pháp này không khai thác được nhiều chức năng như: truy cập và cài đặt
các thông số rơle từ Trung tâm điều khiển; đọc xa các thông số đo lường từ công tơ
(meter) hoặc rơle (IEDs); không ghi nhận được dòng sự cố thông qua rơle từ Trung tâm
điều khiển.
- Giải pháp mở rộng:
+ Đối với các TBA 110kV đã lắp đặt RTU 560: Khi đầu tư mở rộng lưu ý các
card tín hiệu vào/ra phải có cùng thông số kỹ thuật, mã hiệu và nhà sản xuất với các card
vào/ra hiện hữu. Số lượng card vào/ra phụ thuộc vào số lượng các tín hiệu cần thu thập.
+ Đối với các TBA 110kV đầu tư xây dựng mới: Theo định hướng, ngành điện
Việt Nam đang nổ lực chuyển từ TBA 110kV có người trực sang trạm không người trực
nhằm nâng cao năng suất lao động, vì vậy cần lựa chọn các giải pháp kỹ thuật và công
nghệ phù hợp với yêu cầu về quản lý vận hành và điều độ lưới điện. Đề xuất mô hình
giải pháp đầu tư TBA 110kV theo giải pháp tự động hoá TBA 110kV trên nền tảng giao
thức truyền thông IEC 61850.
Trước đây, các giao thức truyền thông được sử dụng trong việc giám sát điều
khiển xa TBA phổ biến như: Modbus, DNP3, UCA và IEC 60870-5-103... Khi xây
dựng và phát triển về tự động hoá TBA gặp nhiều khó khăn do các thiết bị được cung
cấp bởi các nhà sản xuất khác nhau thì thiết bị không thể trao đổi, sử dụng thông tin lẫn
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
258
nhau, đồng thời hạn chế về tốc độ xử lý thông tin. Xuất phát từ những hạn chế đó, từ
năm 1994 các chuyên gia của các nước châu Âu và Bắc Mỹ trong hiệp hội tiêu chuẩn kỹ
thuật điện quốc tế IEC và ANSI đã phối hợp xây dựng phát triển và cho ra đời giao thức
truyền thông IEC 61850 trên cơ sở sự kết hợp của tiêu chuẩn UCA2.0 và IEC 60870-5-
103. Từ năm 2004, giao thức truyền thông IEC 61850 đã được ứng dụng rộng rãi trên
thế giới trong lĩnh vực tự động hoá TBA.
Hệ thống tự động hoá trạm thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin vận hành, hệ
thống bảo vệ, điều khiển và đo lường tại TBA. Thông tin sẽ được thu thập thông qua việc
kết nối trực tiếp với các thiết bị điều khiển, bảo vệ và đo lường thông minh (IEDs) bằng
giao thức truyền thông IEC61850. Giải pháp này sẽ cho phép loại bỏ RTU như hiện nay;
tạo ra sự thuận tiện cho việc mở rộng và nâng cấp sau này, giảm chi phí và thời gian cho
công tác đấu nối và thí nghiệm; kết nối các IEDs của các nhà sản xuất khác nhau; tiếp cận
đến mọi dữ liệu của thiết bị trong trạm; đáp ứng được các yêu cầu về TBA không người
trực; tận dụng được sức mạnh của đường truyền quang trên cơ sở hạ tầng hiện có của lưới
điện. Sơ đồ hệ thống điều khiển tích hợp TBA 110kV như hình 3.1.
Để đảm bảo cho việc mở rộng kết nối các IEDs của các nhà sản xuất khác nhau
yêu cầu các IEDs phải được tuân thủ đúng và đầy đủ chuẩn giao thức truyền thông
IEC61850. Cấu hình mở rộng kết nối thực hiện trên các file ngôn ngữ cấu hình trạm có
phần mở rộng là: *.SCL (Substation Configuration Language). *.SCD files (System
Configuration Description); *.SSD files (System Specification Description); *.ICD files
(IED Capability Description); *.CID (Configured IED Description).
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp 110kV.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
259
3.2. Tại các LBS
- Giải pháp kết nối SCADA tại các LBS hiện tại: Lắp đặt thiết bị REC 523 như
là một RTU thu thập các tín hiệu điều khiển, giám sát tại LBS. Các tín hiệu điều khiển,
giám sát được trích từ tiếp điểm phụ của mạch điều khiển, giám sát tại tủ điều khiển đưa
vào REC523. Lắp đặt TU, TI để lấy tín hiệu đo lường: I, U, P, Q và Cosφ và cấp nguồn
cho tủ điều khiển, RTU và môtơ truyền động. Lắp đặt thiết bị thông tin UHF gồm:
Moderm, anten, kim chống sét.
Các LBS hiện có trên lưới điện
được trang bị nhiều mã hiệu của nhiều
nhà sản xuất khác nhau và chỉ có bộ phận
đóng cắt cơ khí không có tủ điều khiển.
Để thực hiện kết nối SCADA các LBS
hiện có trên lưới điện phải mua sắm bổ
sung tủ điều khiển gồm: môtơ và thanh
truyền động từ tủ điều khiển đến bộ phận
đóng cắt cơ khí phải cùng mã hiệu và nhà
sản xuất với phần đóng cắt cơ khí của
LBS hiện hữu trên lưới điện để đảm bảo
tương thích về hành trình truyền động cơ
khí, nhưng do một số mã hiệu LBS của
các nhà sản xuất không còn sản xuất hoặc
có sản xuất thì giá thành khá cao.
Giải pháp mở rộng: Để thực hiện
kết nối SCADA tại các LBS và khắc
phục các hạn chế nêu trên, cần đầu tư mới LBS trọn bộ gồm: cơ cấu đóng cắt, tủ điều
khiển, động cơ và thanh truyền động, máy biến áp cấp nguồn,
RTU, modem UHF slave. RTU được cài đặt giao thức truyền thông IEC60870-5-101
slave đáp ứng theo chuẩn giao thức truyền thông IEC60870-5-101 master hiện có tại
Trung tâm điều khiển (tuân thủ bảng Interoperability Checklist for IEC60870-5-101).
Ngoài ra, trang bị thêm modem UHF master và anten lắp đặt tại Trung tâm điều khiển
(hoặc tại các trạm BTS) cùng nhà sản xuất LBS trọn bộ được trang bị. Sơ đồ của một
LBS trọn bộ như hình 3.2.
3.3. Tại các Recloser
- Giải pháp kết nối SCADA tại các Recloser hiện tại: Lắp đặt thiết bị REC 523
như là một RTU thu thập các tín hiệu điều khiển, giám sát và đo lường tại các Recloser.
Các tín hiệu điều khiển, giám sát được trích từ card vào/ra hoặc tiếp điểm phụ của mạch
điều khiển, giám sát tại tủ điều khiển của Recloser đưa vào REC 523. Lắp đặt TU, TI để
lấy tín hiệu đo lường: I, U, P, Q và Cosφ và cấp nguồn cho tủ điều khiển và RTU. Lắp
đặt thiết bị thông tin UHF gồm: Moderm, anten, kim chống sét.
Các Recloser hiện có trên lưới điện được trang bị nhiều chủng loại của nhiều nhà
Hình 3.2. Sơ đồ của một LBS trọn bộ.