TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

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
Khả năng thực hiện các hoạt động tại một trạm điện không 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
tất yếu phải đảm bảo các hoạt động được thực hiện tin cậy, chính xác theo
yêu cầu.
Thật vậy, 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 lại không hợp lý. Ngoài ra việc xử lý chậm trễ của nhân viên kỹ thuật
khi xảy ra sự cố 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 không kinh tế.
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 khiển 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 thông 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. Ban đầu một hệ


thống như vậy phụ thuộc vào nhiều đường dây thông tin liên lạc truyền tín

hiệu giám sát, điều khiển. Thế hệ đầu của hệ thống SCADA không thể đáp
ứng được việc thực hiện nhiều thao tác điều khiển. Nhưng với sự phát triển
của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin ngày nay, các thao tác điều khiển,
giám sát trong hệ thống SCADA là rất lớn khi thực hiện các mệnh lệnh từ
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.

§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. 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 điều khiển là 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. 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 cấp
cơ bản sau đây:
1.2.1. Cấp thứ nhất
Cấp thứ nhất của hệ thống SCADA, các 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, đó là rơ le bảo vệ kỹ
thuật số DR (Digital Relay), bộ ghi sự cố FR (Fault Recorder), đồng hồ kỹ
thuật số đa chức năng DMM (Digital Multi–function Metter), các bộ biến
đổi công suất, dòng điện, điện áp, tần số (Transducer)… Khi xảy ra sự cố,
các rơ le tính toán và tác động theo thông số chỉnh định đã được cài đặt mà

không cần liên lạc với hệ thống cấp trên. Ngoài ra các phần tử thuộc cấp này
còn có chức năng thu thập số liệu, thông số vận hành ở các chế độ bình
thường của HTĐ để gửi lên các máy tính điều khiển mức trạm (Substation
Server) hoặc các thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit). Trong các
hệ thống hiện đại, các phần tử này được gọi chung là thiết bị điện tử thông
minh IED (Intelligent Electronic Devices). Chúng có các nguyên lý làm
việc và chức năng khác nhau, nhưng có cùng chuẩn giao tiếp (Protocol), cho
phép IED này có thể nói chuyện được với các IED khác trong cùng trạm
(peer to peer) và trao đổi với Điều khiển trạm SS (Substation Server) hoặc
RTU. Về nguyên tắc, sự hỏng hóc hay bảo trì tại một IED sẽ không làm ảnh
hưởng đến các IED khác trong hệ thống.
1.2.2. Cấp thứ hai
Cấp thứ hai của hệ thống SCADA là các Điều khiển trạm SS
(Substation Server) và RTU 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 (Human Machine Interface)
và truyền dữ liệu thu thập được lên cấp quản lý cao hơn theo các chuẩn
truyền thông tin.
1.2.3. Cấp thứ ba
Cấp thứ ba là Trung tâm điều khiển của toàn hệ thống, nơi thực hiện
việc thu thập số liệu từ các Điều khiển trạm SS (Substation Server) và RTU,
thực hiện các chức năng tính toán 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.
Do quy mô rộng lớn của hệ thống truyền tải điện năng, các trạm điều
khiển trung tâm còn có thể được chia thành các cấp điều khiển trung tâm
(Central control) và các trạm điều khiển vùng (Area Control Center).

§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 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…
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) 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.
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 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.
1.3.3. 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 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.


1.3.4. 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 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. Một hệ thống có tính năng thời gian thực không
nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh mà quan trọng hơn phải có phản
ứng kịp thời đối với các yêu cầu, tác động bên ngoài. Như vậy một hệ
thống truyền tin có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền tải
thông tin một cách tin cậy và kịp thời với yêu cầu của các đối tác truyền
thông. Do đó tính năng thời gian thực của một hệ thống giám sát, điều
khiển phụ thuộc vào rất nhiều hệ thống thông tin sử dụng trong hệ thống
đó, ví dụ như hệ thống Bus trường.
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 đoán 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
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 Terminal 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 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 thiết 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 vận hành điều khiển các
quá trình hoạt động của hệ thống.
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 quét thông tin 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 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.
Trong quá trình truyền tải dữ liệu, dữ liệu có thể là dạng liên tục
(anlog), 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 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 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 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… 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…).

§1.5. 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), không đáp ứng được yêu cầu công
nghệ trong sản xuất.

Hình 1.1. Hệ thống thu thập dữ liệu sơ khai


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).
Hiện nay, các hệ SCADA đang trong xu hướng dịch chuyển sang
công nghệ chuẩn truyền thông Ethernet và TCP/IP là các chuẩn cơ bản đang
dần thay thế các chuẩn cũ hơn. Theo nhà cung cấp giải pháp tự động hóa và
thông tin phần mềm Wonderware và công ty tự động hóa Rockwell, thế hệ
tiếp theo có thể là chuẩn OPC–UA, do có nhiều ưu điểm từ việc hỗ trợ của
công nghệ thông tin nhờ sử dụng ngôn ngữ XML (Extensible Markup
Language), các dịch vụ Web và các công nghệ Web hiện đại khác. Hình 1.2
là một ví đụ về hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA
hiện đại. Hình 1.3 thể hiện chi tiết một hệ thống SCADA.
Trạm giám sát và vận hành
– Giám sát thời gian thực
– Điều khiển hệ thống
– Theo dõi báo động sự cố
– Phân tích, lập báo cáo
– v.v.

Nhận dữ liệu
qua SMS

Thiết bị
đầu cuối

Thiết bị
đầu cuối

Protection
MV Circuit Relay
Breker

Power
Analyser

Giám sát và vận hành
linh hoạt

Temperature
Control
Transmitter
Valve
Slamshut
Filter
Valve

Meter

Pressure
Transmitter

Thiết bị
đầu cuối

Water
Storage

Thiết bị
đầu cuối

Transfer
Pump

Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA hiện đại


Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát SCADA là một hệ
thống bao gồm các thiết bị đầu cuối RTU làm nhiệm vụ nhận tín hiệu điều
khiển từ trạm vận hành trung tâm và thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm
biến tại hiện trường, gửi dữ liệu trả lại trạm chủ thông qua một hệ thống
truyền thông. Các trạm chủ hiển thị các thông số thu thập được và đồng thời
cho phép người vận hành có thể điều khiển được thiết bị từ xa.
Ưu điểm của hệ thống SCADA là các dữ liệu chính xác và kịp thời
(thường là thời gian thực) cho phép tối ưu hóa hoạt động của nhà máy và
quá trình. Hơn nữa, hệ thống SCADA luôn có hiệu quả hơn, độ tin cậy cao
và an toàn hơn trong vận hành.
Công nghệ SCADA đã hình thành và phát triển rất sớm cùng với sự
cạnh tranh của hai công nghệ khác là điều khiển phân tán DCS (Distributed

Control System) và bộ điều khiển logic lập trình PLC (Programmale Logic
Controllers). Đặc điểm khác nhau cơ bản nhất giữa hệ thống SCADA và các
hệ thống điều khiển quá trình khác là hệ thống SCADA có thể giám sát và
điều khiển các thiết bị từ khoảng cách rất xa vì hệ thống SCADA sử dụng
các phương pháp truyền thông hiện đại còn các hệ thống điều khiển quá
trình khác chỉ sử dụng phương pháp nối dây trực tiếp.
Các RTU cung cấp một giao diện đến các cảm biến số và tương tự tại
hiện trường.
Hệ thống truyền thông cung cấp đường cho giao tiếp giữa các trạm
chủ và các thiết bị từ xa. Hệ thống này có thể được truyền qua đường dây
điện, cáp quang, phát thanh, điện thoại và thậm chí có thể vệ tinh. Việc
truyền dữ liệu được thực hiện bằng giao thức cụ thể và phát hiện lỗi hiệu
quả, tối ưu dữ liệu.
Trạm chủ (hoặc các trạm con) thu thập dữ liệu từ RTUs khác nhau và
thường cung cấp một giao diện điều hành cho hiển thị các thông tin và kiểm
soát các thiết bị trường từ xa. Trong các hệ thống từ xa lớn, các trạm con tại
công trường thu thập thông tin từ các thiết bị từ xa và gửi thông tin trở lại
trạm chủ để kiểm soát tổng thể.


Field devices (analog & digital input/output)

Hình 1.3. Sơ đồ chi tiết một hệ thống SCADA

Trong hệ thống điều khiển phân tán DCS (hình 1.4), sự thu thập dữ
liệu và các chức năng điều khiển được thực hiện bởi một nhóm các bộ điều
khiển phân tán đặt gần với các thiết bị trường. Vì vậy, hệ thống DCS chỉ


được thực hiện với các ứng dụng chỉ yêu cầu thiết bị đo đặt trong một phạm

vi thu hẹp.
Operator
Stations

Overview
Display

Detailed Display
of Area

Alarming

Trending

Data Highway
(Bus based
LAN)

Dual
Redundant
Highway

Remote
Teminal
Units (I/O)
M

F

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống điều khiển phân tán

Analog &
Digital I/O
Instrumentation
& Contron
Devices

Hệ thống DCS được phân thành 4 cấp:
– Cấp quản lý, giám sát
– Cấp giao diện vận hành
– Cấp điều khiển
– Cấp chấp hành
Bộ điều khiển logic lập trình PLC, từ những năm 1970 đã được ra đời
để thay thế cho các thiết bị điều khiển dạng cơ khí như Rơle. Bộ PLC
(hình 1.5) bao gồm phần mềm logic và các thiết bị phần cứng như Bộ xử lý
trung tâm CPU (Central Processing Unit), các mô–đun vào ra. Các bộ PLC
thường được sử dụng như là các thiết bị RTU của hệ thống SCADA.