GIÁO TRÌNH hệ THỐNG điều KHIỂN GIÁM sát và THU THẬP dữ LIỆU TRONG hệ THỐNG điện SCADA CHƯƠNG mở đầu

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
VÀ THU THẬP DỮ LIỆU
(Supervisory Control And Data Acquisition system)
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN


CHƯƠNG MỞ ĐẦU:

1. Giới thiệu chung
2 .Các hệ thống SCADA
3. Các lĩnh vực ứng dụng


CHƯƠNG MỞ ĐẦU:

Mở đầu
Supervisory Control And Data Acquisition
(SCADA) = công nghệ tự động hóa + điều khiển
Đang phát triển và có khuynh hướng phát triển ở
trong mọi lĩnh vực của công nghiệp.
Trong mười năm trở lại đây ở các nước tiên tiến
quan tâm mạnh mẽ.
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghê thông tin
đã làm tăng mức độ tự động hoá và phân bố lại
chức năng giữa con người với thiết bị và sinh ra
vấn đề tương tác giữa con người – quan sát viên
với hệ thống điều khiển.
SCADA đã được đặt lên hàng đầu ở những nước
phương tây vào những năm 80 thế kỷ XX. Ở Việt
Nam 90-x.

Các lĩnh vực ứng dụng SCADA
Hệ thống SCADA ứng dụng hiệu quả nhất trong vấn
đề tự động hoá điều khiển q trình liên tục và phân
bố.
Cơng nghệ dầu khí.
Điều khiển sản xuất, truyển tải và phân phối điện
năng .
Cung cấp nước, làm sạch nước và phân phối nước.
Điều khiển những đối tượng vũ trụ;
Điều khiển trong giao thông (tất cả các dạng giao
thông: hàng không, đường sắt, đường bộ, đường
thuỷ, tàu điện ngầm).
Viễn thông.
Quân sự.


Các hệ thống SCADA
SCADA
InTouch
GeniDAQ
Genesis32
Trace Mode
Vijeo Look
Citect
Factory Link
RSView
LabView
iFIX
WinCC

Master SCADA
CIMPLICITY
Contour
Wizcon
Crug-2000
Elipse SCADA

Company
Wonderware
Advantech
Iconics
AdAstra
Schneider Electric
Ci Technologies
United States DATA Co.
Rockwell Software Inc.
National Instruments
Intellution
Siemens
InSAT
GE Fanuc
Obedinenie Uig
Axeda
Crug
Elipse Software

Country
USA
Taiwan
USA

Russia
France
Australia
USA
USA
USA
USA
Germany
Russia
USA
Ucraina
USA
Russia
USA


Ứng dụng trong lĩnh vực cung cấp nước


Ứng dụng trong lĩnh vực phân phối gas


Ứng dụng trong lĩnh vực dầu khí


Ứng dụng điều khiển hệ thống chiếu sáng


Ứng dụng điều khiển hệ thống điện năng

SCADA qua vệ tinh


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

1-1. KHÁI QUÁT CHUNG

SCADA là gì?
SCADA – quá trình thu thập dữ liệu thời gian thực từ các
đối tượng để xử lý, biểu diển, lưu trữ, phân tích và có
khả năng điều khiển những đối tượng này.
Các hệ thống SCADA hiện đại là một giai đoạn phát triển
hệ thống tự động hố trước đây, chính là hệ thống truyền
tin và báo hiệu (Telemetry and Signalling).
Trong những hệ thống SCADA dù ít hay nhiều cũng
được thực hiện những nguyên tắc như: làm việc với thời
gian thực, sử dụng một khối lượng tương đối lớn thông
tin thừa (tần số cập nhật dữ liệu cao), cấu trúc mạng,
nguyên tắc hệ thống và mơdun mở, có thiết bị dự trữ để
làm việc trong trạng thái “dự trữ nóng”, …


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

1-1. KHÁI QUÁT CHUNG

SCADA (viết tắt tiếng Anh: Supervisory Control And Data Acquisition) hiểu
theo nghĩa truyền thống là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ
liệu. Nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa.

Trong HTĐ cần có các thao tác như đóng mở máy cắt, dao cách ly, theo dõi
đọc số liệu từ xa,…nhưng chi phí để duy trì nhân viên tại chỗ tỏ ra không hợp
lý, ngoai ra việc xử lý chậm trễ của nhân viên kỹ thuật khi xảy ra sự có thể
kéo dài thêm thời gian khắc phục sự cố và làm giảm chất lượng phục vụ khách
hàng. Hơn nữa chi phí duy trì nhân viên vận hành tại chỗ sẽ càng tăng cao khi
thực hiện các thao tác đóng cắt, điều này làm cho chi phí đó trở nên khơng
kinh tế.
-Khả năng thực hiện các hoạt động tại một trạm điện khơng có nhân viên kỹ
thuật, gọi là trạm không người trực được thực hiện từ Trung tâm điều độ địa
phương hoặc từ Trung tâm điều độ vùng/miền. Điều đó tiết kiệm được rất
nhiều chi phí trong quản lý, vận hành hệ thống điện (HTĐ), nhưng phải đảm
bảo các hoạt động được thực hiện tin cậy, chính xác theo yêu cầu.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

1-1. KHÁI QUÁT CHUNG

-Đây là những nguyên nhân chủ yếu làm cho các hệ thống điều khiển giám sát
và thu thập số liệu, gọi tắt bằng tiếng anh là SCADA phát triển trong hệ thống.
-Thiết bị điều khiển từ xa các thiết bị điện đã được sử dụng trong nhiều năm
gần đây và nhu cầu về thông tin cũng như điều từ xa dẫn đến sự phát triển các
hệ thống thiết bị có khả năng thực hiện các thao tác, kiểm soát chúng và báo
cáo lại với Trung tâm điều độ các thao tác điều khiển theo yêu cầu đã thực
hiện có kết quả; đồng thời cũng cần thơng báo các thông tin quan trọng khác
như các thông số vận hành của lưới điện như dòng điện, điện áp, công suất,
tần số tới Trung tâm điều độ .
-Hiện nay tại các Trung tâm điều độ miền Bắc, Trung, Nam, Trung tâm điều
độ hệ thống điện quốc gia và hầu hết các trạm biến áp từ cấp điện áp 110 kV
trở lên ở nước ta đều được trang bị hệ thống SCADA. Hệ thống này rất có

hiệu quả trong giám sát, điều khiển vận hành HTĐ.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§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
một hệ thống công nghiệp bất kỳ.
- Đối với HTĐ, đặc thù của nó là quy mô của hệ thống sản xuất rất lớn,
trải trên một không gian rộng, và bao gồm nhiều phần tử, thiết bị với
các chức năng, nguyên lý làm việc khác nhau, đó đó việc sử dụng một
hệ thống điều khiển trung tâm để đảm nhiệm hết tất cả các chức năng
giám sát và điều khiển là hết sức phức tạp .


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.2. SỰ PHÂN CẤP QUẢN LÝ CỦA HỆ THỐNG SCADA

Cấp thứ nhất

Cấp thứ hai

Rơ le kỹ thuật số,
bộ ghi sựcố FR
,đồng hồ kỹ thuật
số đa chức năng

Điều khiển tram SS

(Substation Server)
và RTU

Trung tâm điều khiển
Cấp thứ ba

của toàn hệ thống


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.2. SỰ PHÂN CẤP QUẢN LÝ CỦA HỆ THỐNG SCADA

Chức năng và nhiệm vụ của Cấp I
-Phần tử có chức năng giám sát các thông số vận hành của lưới,
- điều khiển ra lệnh cho các phần tử đóng cắt, ghi chụp phân tích các
sự cố xảy tra trên lưới

Chức năng và nhiệm vụ của CấpII
có chức năng chủ yếu là thu thập số liệu từ các IED do nó quản lý,
lưu lại trong cơ sở dữ liệu, phục vụ các nhu cầu đọc dữ liệu tại chỗ
qua các giao diện người máy HMI


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.2. SỰ PHÂN CẤP QUẢN LÝ CỦA HỆ THỐNG SCADA

Chức năng và nhiệm vụ của Cấp III
Thực hiện việc thu thập số liệu từ các Điều khiển trạm SS

(Substation Server) và RTU, thực hiện các chức năng tính tốn
đánh giá trạng thái của hệ thống, dự báo nhu cầu phụ tải và
thực hiện các chức năng điều khiển quan trọng như việc phân
phối lại công suất giữa các nhà máy, lên kế hoạch vận hành của
toàn hệ thống.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.3 CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG SCADA
Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp được các chức năng sau :

1.3.1. Chức năng giám sát
1.3.2. Chức năng điều khiển
1.3.3. Quản lý và lưu trữ dữ liệu
1.3.4. Tính năng thời gian thực


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.3 CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG SCADA
Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp được các chức năng sau :
1.3.1. Chức năng giám sát
1) Giám sát và đảm bảo được tính chính xác tồn bộ các thơng số vận
hành của hệ thống như dòng điện, điện áp, cơng suất, tần số, vị trí nấc của
máy biến áp,…
2) 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 điều khiển
1) Q trình điều khiển phải chính xác, tin cậy.

Trong q 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, khơng
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.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.3 CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG SCADA
Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp được các chức năng sau :
1.3.2. Chức năng điều khiển
2) Cài đặt thông số từ xa.
Khi có sự thay đổi về cấu trúc của lưới hoặc nâng cao cơng suất chống
q 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 vung/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 của các thiết bị, cảnh
báo sự cố bằng âm thanh, màu sắc hoặc thơng 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 cây.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.3 CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG SCADA
Một hệ thống SCADA chuẩn phải cung cấp được các chức năng sau :
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 hoạt động bình thường của hệ thống kỹ thuật nói chung, hệ thống
điện nói riêng làm việc trong thời gian thực khơng 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
:
1) 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
2) Tính tiền định: Dự đốn trước được về thời gian phản ứng tiêu biểu và thời
gian phản ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm.
3) 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.
4) Tính bền vững: Có khả năng xử lý sự cố một cách thích hợp để khơng gây thiệt
hại thêm cho tồn bộ hệ thống.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§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:
1. Trạm thu thập dữ liệu trung gian:
2. Trạm điều khiển giám sát trung tâm

3. Hệ thống truyền thông:
4. Giao diện người - máy HMI (Human - Machine
Interface):


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.4 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU HỆ THỐNG SCADA
CƠ CẤU HỆ THỐNG SCADA
Trạm thu thập dữ
liệu trung gian:
-RTU (Remota
Terminal Units)
hoặc -Các khối
(bộ) vi điều khiển
logic lập trình
PLC
(Programmale
Logic
Controllers)

Trạm điều khiển
giám sát trung
tâm:
là một hay nhiều
máy chủ trung
tâm (central host
computer server)

.

Giao diện người
- máy HMI
(Human Machine
Interface):
Là các thiết bị
hiển thị quá
trình xử lý dữ
liệu để người
vận hành điều
khiển các quá
trình hoạt động
của hệ thống.

Hệ thống truyền
thông: bao gồm
các mạng truyền
thông công
nghiệp, các thiết
bị viễn thơng và
các thiết bị
chuyển đổi dồng
kênh có chức
năng truyền dữ
liệu cấp trường
đến các khối điều
khiển và máy chủ


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA, CẤU TRÚC VÀ THÀNH PHẦN

§1.5. GIỚI THIỆU LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN HỆ
THỐNG SCADA:
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 (hình 1.1), khơng đáp ứng được yêu cầu công nghệ trong
sản xuất.

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).