Tiểu luận: Thiết kế hệ thống tự động hóa trạm biến áp 110kv sử dụng RTU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

---------------------------

TIỂU LUẬN MÔN: SCADA VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM BIẾN ÁP

TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM BIẾN ÁP 110KV SỬ DỤNG RTU

Người hướng dẫn : TS. Nguyễn Hoàng Việt Th.S Nguyễn Tuấn Linh

Nhóm thực hiện : Đỗ Thị Ánh Tuyết

Đỗ Thị Vân

Lớp : Cao học SPKT ĐIỆN

Hà Nội, tháng 7 - 2010

LỜI NÓI ĐẦU

Để nâng cao chất lượng và đảm bảo cung cấp điện, hệ thống điện Việt

Nam đang được đầu tư xây dựng và phát triển ngày càng nhiều các đường

dây và trạm biến áp(TBA), cũng như không ngừng mở rộng các TBA đã đầu

tư xây dựng trước đây như đầu tư xây dựng các máy biến áp(MBA) số hai và

các xuất tuyến trung áp nhằm mục đích đảm bảo cung cấp điện đảm bảo sự

tăng trưởng của phụ tải. Mặt khác hệ thống điện Việt Nam ngày càng được

hiện đại hóa bằng các thiết bị hiện đại, các thiết bị lạc hậu trước đây dần được

thay thế bằng các thiết bị hiện đại, được sản xuất theo công nghệ mới có chất

lượng và độ tin cậy cao hơn.

Hiện nay đa số các TBA có cấp điện áp 110kV, 220kV và 500kV đều

được đầu tư đồng bộ hệ thống SCADA. Các trạm biến áp 500kV, 220kV mới

và một số TBA 110kV được đầu tư hệ thống điều khiển tích hợp bằng máy

tính để phục vụ việc giám sát và điều hành lưới điện từ các Trung tâm điều

độ Miền và Trung tâm điều độ Quốc Gia.

Với lưới điện phức tạp việc vận hành lưới điện sẽ ngày càng khó khăn

hơn khi mật độ các trạm biến áp ngày càng nhiều hơn, việc đảm bảo tính ổn

định hệ thống khó hơn, mặt khác do nhu cầu của phụ tải đòi hỏi chất lượng

điện năng ngày càng cao. Do đó việc đầu tư nâng cấp các Hệ thống

SCADA/EMS cũng như các trạm điện được trang bị hệ thống tự động hóa là

cần thiết.

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM BIẾN ÁP

1.Khái niệm về hệ thống SCADA

Là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory

Control And Data Acquisition-SCADA). SCADA là một công cụ tự động hóa

trong nhiều lĩnh vực, dùng kỹ thuật vi xử lý - PLC/RTU (Programmaple

Logic Controller/ Remote Terminal Unit), để trợ giúp việc điều hành kỹ thuật

ở các cấp trực điều hành các hệ thống tự động công nghiệp cũng như hệ

thống điện. 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 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 ...

Sau khi chuyển sang cơ chế thị trường, đất nước mở cửa quá trình công

nghiệp tự động hóa bắt đầu, các nhà máy xí nghiệp xây dựng đều được ưu

tiên về công nghệ tiên tiến và hệ thống SCADA - công cụ của tự động hóa

cũng được phát triển rộng, lắp đặt ở nhiều nhà máy, xí nghiệp công nghiệp

sản xuất chất lượng cao.

Công nghệ SCADA ở nước ta, do nhập thiết bị của nhiều nước công

nghiệp tiên tiến nên nó rất đa dạng về mẫu mã, cấu trúc, về chuẩn và chủng

loại. Nhưng là một hệ thống công nghiệp mới nên hệ thống SCADA phần lớn

cũng là hệ theo chuẩn công nghiệp chung. 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.

2. Chức năng của trạm

Thu thập dữ liệu từ : thiết bị đóng cắt, các thiết bị đo lường như biến

dòng điện, biến điện áp và các thao tác điều khiển đóng cắt các thiết bị.

Các thông tin liên quan của một trạm điện có thể truy cập tại chỗ

thông qua giao diện người máy –HMI (Human Machine Interface) cho mục

đích điều khiển và giám sát tại chỗ.

3. Chức năng chung của hệ thống SCADA

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.

- Dùng các cơ sở số liệu đó: Để 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

rơle...

- 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.

- Một hệ 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 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 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 xa: Phải đảm bảo được việc kiểm tra Đóng /Cắt an

toàn, tin cậy.

4. Hệ thống SCADA /EMS bao gồm các thành phần chính như sau:

Hệ thống Máy tính chủ đặt tại các Trung tâm Điều độ hệ thống điện

(Điều độ hệ thống điện Quốc Gia, Điều độ hệ thống điện Miền, Điều độ hệ

thống điện lưới phân phối) bao gồm các thiết bị như sau:

- Máy tính chủ SCADA.

- Máy tính chủ giao diện người dùng MMI (Man Machine Interface).

- Máy tính chủ liên kết dữ liệu ICCP (Inter Control Center Protocol).

- Máy tính chủ Lưu trữ dữ liệu HIS (Historical Information System).

- Máy tính chủ Mô phỏng đào tạo điều độ viên theo thời gian thực DTS

(Dispatcher Training Simulator) và Hệ thống phát triển DS

(Development System).

- Máy tính chủ ứng dụng (Application Server)

- Các Trạm làm việc (Workstation PC).

- Hệ thống hiển thị VPS (Video Projector System).

- Thiết bị tiền xử lý thông tin CFE (Communication Front End

Proccessor).

- Thiết bị tập trung Modem.

- Hệ thống thu nhận và phân phối tín hiệu đồng bộ về tinh GPS (Global

Position System)

Toàn bộ các thiết bị trên được kết nối thông qua một hệ thống mạng cục

bộ LAN (Local Area Network), hệ thống đều được trang bị cấu hình dự

phòng nóng 1+1. Bus Ehernet chính vận hành ở tốc độ 100Mbit/s, bus dự

phòng vận hành ở tốc độ 10Mbit/s

Hệ thống SCADA tại Trung tâm sẽ kết nối với các RTU ở các trạm biến áp

sử dụng giao thức truyền tin IEC 870-5-101 master. Đồng thời kết nối với Hệ

thống SCADA /EMS của Trung tâm Điều độ hệ thống điện Quốc gia bằng

giao thức ICCP.

5. Thiết bị đầu cuối tại trạm

Thiết bị đầu cuối tại trạm có thể là thiết bị RTU hoặc một hệ thống tư

động hóa trạm hoặc có thể là một máy tính công nghiệp thu thập dữ liệu và

điều khiển toàn bộ các thông số vận hành của trạm.

Trong trường hợp sử dụng thiết bị đầu cuối RTU, Tại mỗi trạm gồm các

thiết bị chính như sau:

- Tủ thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit), chứa các đầu vào

số, đầu ra số, đầu vào tín hiệu tương tự, các cổng giao diện tín hiệu nối tiếp

để kết nối đến các IED (rơ le số hoặc các thiết bị điện tử thông minh khác

như các bộ cảnh báo-annunciator, các PLC,.. )

- Tủ giao diện giám sát SIC (Supervisory Interface Cubicle), chủ yếu lắp

đặt các bộ biến đổi trung gian (các transducer để biến đổi các giá trị điện áp,

dòng từ các biến điện áp, biến dòng, bộ chỉ báo vị trí nấc phân áp về thành tín

hiệu dòng có trị số phù hợp với chỉ tiêu kỹ thuật của đầu vào tín iệu tương tự)

và các rơ le trung gian để lặp lại trạng thái thiết bị điện (cho mục đích giám

sát), các rơ le trung gian để điều khiển các thiết bị điện.

- Các modem V.24/V.28, V35 để kết nối các RTU hoặc các Hệ thống tự

động hóa đến đường truyền viễn thông (có thể là đường truyền sử dụng hệ

thống thông tin quang, hệ thống thông tin vi ba, hệ thống thông tin tải ba)

- Và các thiết bị ngoại vi khác.

RTU thu nhận thông tin từ xa, thường đặt tại nơi làm việc để thu nhận

dữ liệu và thông tin từ các thiết bị hiện trường như các valve, các cảm biến,

các đồng hồ đo… gửi đến MTU để xử lý và thông báo cho người điều hành

biết trạng thái hoạt động của các thiết bị hiện trường. Mặt khác, nó nhận lệnh

hay tín hiệu từ MTU để điều khiển hoạt động của các thiết bị theo yêu cầu.

Thông thường các RTU lưu giữ thông tin thu thập được trong bộ nhớ của nó

và đợi yêu cầu từ MTU mới truyền dữ liệu. Tuy nhiên, ngày nay các RTU

hiện đại có các máy tính và PLC có thể thực hiện điều khiển trực tiếp qua các

địa điểm từ xa mà không cần định hướng của MTU.

RTU : Không thực hiện các chức năng tại chỗ và thông tin lên trung tâm

giám sát và điều khiển từ trung tâm

Ở mỗi trạm, RTU chỉ là một thiết bị giao tiếp giữa hệ thống quản lý

mạng và các thiết bị đóng cắt. RTU bao gồm nhiều đầu vào/ra, gần như nó

không thực hiện các chức năng tại chỗ mà chỉ thông tin đến các trung tâm

điều khiển ở xa. RTU và các trung tâm điều khiển tạo nên hệ thống SCADA,

để giám sát, điều khiển và quản lý hệ thống điện từ xa bởi sự can thiệp của

con người. Nó cung cấp thông tin theo thời gian thực (thông tin tín hiệu

tương tự và tín hiệu số) cũng như các thông tin quá khứ cho người vận hành

và hỗ trợ người vận hành quyết định việc điều khiển giám sát hiệu quả.

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG CẤU HÌNH SCADA

CHO HỆ THỐNG TRẠM 110KV SỬ DỤNG RTU

1. Sơ đồ nối điện chính của trạm của trạm biến áp 110kV Hàm Yên, Bắc

Quang

B22

Kh¸nh Hoµ 171 E22.2

Hµ Giang 171 E22.1

MBA T1: 16MVA 115+9x1.78%/38.5+2x2.5%/23kV

04 - E22.3 - §MB - PT - 04/2003

s¬ ®å tr¹m 110kv B¾c Quang ( E22.3)

1.1. Khái quát

Trạm biến áp 110kV Hàm Yên – Bắc Quang hiện có 2 xuất tuyến 110kV:

1 xuất tuyến đi trạm Khánh Hòa

1 xuất tuyến đi trạm Hà Giang

Trạm có máy biến áp T1 16MVA

- Phía 110kV gồm:

+ Máy cắt

+ Dao cách ly.

+ Chống sét van

+ Dây dẫn

Nhìn chung, các thiết bị 110kV đã quá cũ (trừ máy cắt), khó thao tác,

không đảm bảo tiêu chuẩn vận hành lâu dài và cần được thay thế.

Mục đích của chương này là nêu những yêu cầu cần thiết đối với thiết

bị nhất thứ của một trạm điện được trang bị hệ thống tự động hóa trạm, đồng

thời chương này cũng đề xuất giải pháp công nghệ mới cho các thiết bị biến

dòng và biến điện áp nhằm đáp ứng yêu cầu đo đếm và bảo vệ ngày càng

chính xác qua đó phục vụ tốt hơn trong đo đếm, cũng như trong bảo vệ, do đó

ghi nhiễu loạn trên hệ thống sẽ được thể hiện rõ hơn, phục vụ tốt cho các

chương trình phân tích hệ thống. Nhờ có các biến dòng và biến điện áp sử

dụng công nghệ mới việc định vị sự cố sẽ chính xác, giúp cho công tác tìm

kiếm điểm sự cố sẽ nhanh chóng.

Một trạm tự động hóa với thiết bị nhất thứ cũng phải tuân theo những

nguyên tắc thiết kế chung của một trạm thông thường gồm các thiết bị chính

như sau:

- Máy cắt.

- Dao cách ly và dao tiếp địa

- Các biến điện đo lường như Biến điện áp, Biến dòng điện

- Chống sét.

- Máy biến áp lực.

Để điều khiển đóng cắt các máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, điều

khiển nấc phân áp hệ thống SAS có thể sử dụng một trong hai giải pháp: Sử

dụng giải pháp cổ điển như thiết bị RTU là sử dụng các đầu ra số (Digital

Output) của thiết bị tập trung dữ liệu, kết nối đến các rơ le trung gian lệnh có

tiếp điểm song song với tiếp điểm điều khiển các thiết bị trên

Thiết bị SCADA cụ thể là RTU được coi là thiết bị nhị thứ, thu thập tín

hiệu từ hệ thống đo lường, bảo vệ, điều khiển và tác động nên HT điều khiển

của trạm

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.

1.2. Các tín hiệu của ngăn lộ cấp điện áp 110kV

 Tín hiệu chỉ vị trí, trạng thái (Đầu vào số):

- Trạng thái của máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa: Đóng/Cắt.

- Tín hiệu về vị trí của khóa Local/Remote(Local/Supervise)

 Các cảnh báo, báo động bao gồm có (Đầu vào số):

- Khi bảo vệ tác động: Quá dòng, so lệch, chạm đất.

- Khi máy cắt không sẵn sàng làm việc.

- Sự cố với rơle bảo vệ.

 Các giá trị đo lường công suất (Đầu vào tương tự): P, Q.

 Các lệnh điều khiển đối với máy cắt 110kV (Đầu ra số): Đóng/Cắt.

2. Bảng Datalist

DANH MỤC DỮ LIỆU TRẠM 110kV HÀM YÊN BẮC QUANG

r e m r o

Kiểu Data ID No Data Type

Signal Name

S S n o m m o C

r a B s u B

r e d e e F

f s n a r T

Bay Reference (Mark of CB)

1 1 C

2 1 C

1 7 1

2 7 1

3 7 1

4 7 1

1 3 3

1 3 4

3 MW 4 MVar

4 kV_1P 1 kV 4 kV_3Ph 2 kV 6 MW 6 MVar Tap_Ch 1 Position 1 Temp 2 Temperature 2

1 1

1 1 1 3

1 2 3

Analog input Tổng số Analog input giám sát 23 Số tín hiệu dự phòng ở RTU Tổng số tín hiệu Analog ở RTU 30 Digital input

220/380VAC

Bit

Transfo Buchloz Transfo Buchloz Transfo Oil Temp Transfo Oil Temp Transfo Winding Temp Transfo Winding Temp

1 1

1 1 2

1 1

1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1

1 Fault 1 Battery Fault 1 Power supply Fault 48VDC 1 Fault 1 220VDC Fault 1 Communication Fault 8 Active Relay1 Alarm1 4 Active Relay2 Alarm2 12 Main Protection Trip 1 Trip 96 1 Alarm 96 Trip 26Q 1 Alarm 26Q 1 Trip 26W 1 Alarm 26W 1 Tổng số Digital Input cho

Bit

Alarm_Trip: CB CB LS LS ES ES

36 Open status 8 Circuit Breaker Close status 8 Circuit Breaker Open status 12 Line Switch Close status 12 Line Switch Open status 21 Earth Switch Close status 21 Earth Switch

2 1 1 1 1 1 1

0 1 1 1 1