Thiết kế hệ thống scada cho tổ máy phát nhà máy thủy điện hàm thuận

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Trong xu thế phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật thế giới nói chung,
cùng các ngành kỹ thuật mũi nhọn là công nghệ thông tin và tự động hóa nói riêng,
các hệ thống SCADA đang ngày càng phát triển vượt bậc về cả qui mô lẫn chất
lượng và được ứng dụng rộng rãi không chỉ trong công nghiệp, trong sản xuất mà
đã thâm nhập vào nhiều lĩnh vực dịch vụ và gia dụng. Trong muôn vàn ứng dụng
hết sức đa dạng của các hệ thống SCADA, việc thiết kế mạng SCADA giám sát hệ
thống điện và các nhà máy điện là một đòi hỏi không thể thiếu cho một hệ thống
điện hiện đại, bao gồm từ khâu sản xuất điện, truyền tải cho đến phân phối.
Hệ thống SCADA trong nhà máy thủy điện là một phần rất quan trọng, được
liên kết với hệ thống SCADA của các cấp điều độ trong hệ thống điện, để phân
quyền chức năng điều khiển giám sát và thu thập số liệu.
Nhà máy thủy điện Hàm Thuận được thiết kế xây dựng từ thập niên 90 là
công trình chìa khóa trao tay. Hệ thống điều khiển giám sát có nhiều hạn chế, tốc độ
truyền tín hiệu chậm, sử dụng phần mềm chuyên dụng của hãng Toshiba đây là
phần mềm bản quyền không cho phép mở rộng hay nâng cấp, hệ thống gồm hai cấp
điều khiển tại chỗ và từ xa tại phòng điều khiển trung tâm, hệ thống này còn nhiều
bất cập, các thông tin điều khiển và giám sát tại phòng điều trung tâm không đầy
đủ, chỉ điều khiển và giám sát các thông số chính của tổ máy.
Với sự gợi ý của thầy TS.Võ Huy Hoàn cùng với các nhược điểm của hệ
thống nêu trên, tôi quyết định chọn đề tài để thiết kế một hệ thống SCADA theo
hướng hiện đại, đáp ứng các yêu cầu trong quản lý, vận hành nhà máy thủy điện
cũng như trong hệ thống điện.

Trang 1


2. Mục đích nghiên cứu
Thiết kế hệ thống SCADA cho tổ máy phát nhà máy thủy điện Hàm Thuận
sử dụng công nghệ tiên tiến hiện đại để thay thế hệ thống cũ lạc hậu.

3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Khảo sát thực tế tìm hiểu nguyên lý làm việc các bộ phận chính trong hệ
thống SCADA, tìm hiểu lý thuyết về cảm biến, PLC. Từ cơ sở thực tế và lý thuyết,
áp dụng để lựa chọn thiết kế hệ thống SCADA cho tổ máy phát nhà máy thủy điện
Hàm Thuận.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển giám sát vận hành cho tổ máy
phát nhà máy thủy điện Hàm Thuận.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Thiết kế hệ thống SCADA cho một tổ máy
từ máy cắt đầu cực máy phát trở xuống bao gồm các thiết bị sau:
Máy phát điện, hệ thống điều tốc, hệ thống kích từ, hệ thống gối trục máy
phát, hệ thống phụ cho tổ máy, hệ thống phân phối tự dùng cho tổ máy.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Khảo sát tìm hiểu thực tế hệ thống nhà máy thủy điện Hàm Thuận.
- Nghiên cứu lý thuyết: SCADA, lý thuyết cảm biến và PLC.
- Ứng dụng phần mềm WinCC để viết chương trình điều khiển giám sát vận
hành.
6. Giả thuyết khoa học
Ứng dụng cho các nhà máy thủy điện.

Trang 2


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÀM THUẬN
1.1 Giới thiệu chung về nhà máy thủy điện
Nhà máy thủy điện Hàm Thuận nằm trên lưu vực sông La Ngà thuộc hai tỉnh
Lâm Đồng và Bình Thuận, cách thành phố Bảo Lộc 40km, cách thành phố Hồ Chí
Minh 200km theo đường ôtô về phía đông bắc. Sông La Ngà là chi lưu của sông
Đồng Nai bắt nguồn từ cao nguyên Di Linh và Bảo Lâm của tỉnh Lâm Đồng, chảy
vào sông Đồng Nai tại hồ chứa thủy điện Trị An với chiều dài sông khoảng 130 km.

Đập chính nhà máy thủy điện Hàm Thuận được xây dựng trên sông La Ngà tạo nên
hồ chứa Hàm Thuận, với diện tích mặt thoáng khi mực nước dâng bình thường
605m là 25,2 km2 và dung tích 695,2 triệu m3. Hai phần ba diện tích hồ nằm trên
địa bàn tỉnh Lâm Đồng, một phần ba diện tích hồ còn lại nằm trên địa bàn tỉnh Bình
Thuận. Nhà máy thủy điện Hàm Thuận sử dụng trực tiếp nguồn nước của sông La
Ngà để chạy 2 tổ máy phát điện với công suất lắp đặt 150MW x 2 tổ = 300MW.
Điện lượng bình quân hàng năm của nhà máy thủy điện Hàm Thuận là 1,0 tỷ kWh.
Nhà máy thủy điện Hàm Thuận được khởi công xây dựng năm 1997 và hoàn
thành năm 2001.
Hồ chứa gồm một đập chính, bốn đập phụ và một đập tràn với 5 cửa xả để
điều tiết lượng nước trong hồ vào mùa mưa.
Hệ thống đường hầm, đường ống áp lực dẫn nước từ hồ chứa đến nhà máy
dài 3577m.
Tua bin thủy lực do hãng Toshiba chế tạo là loại Francis, trục đứng. Tốc độ
định mức là 300v/ph. Công suất định mức là 154MW tương ứng với cột nước tính
toán là 250m và lưu lượng nước qua tua bin là 67m3/s.
Hệ thống điều tốc được thiết kế lắp đặt riêng cho từng tổ máy. Việc điều
khiển được thực hiện bằng máy tính với thiết bị phần cứng của hãng Woodward,
chạy bằng phần mềm GAP (Graphical Application Programmer).

Trang 3


Máy phát do hãng GE – Canada chế tạo là loại máy phát đồng bộ 3 pha.
Công suất biểu kiến định mức là 177MVA, điện áp định mức là 13,8kV. Rotor là
loại cực từ lồi, có 20 cực từ, tốc độ định mức là 300v/ph.
Hệ thống kích từ sử dụng loại kích từ kỹ thuật số. Hệ thống này cũng được
thiết kế lắp đặt riêng cho từng tổ máy. Mỗi hệ thống gồm 2 bộ điều khiển kích từ,
một bộ điều khiển chính, một bộ dự phòng và một bộ giám sát việc điều khiển và
chuyển quyền điều khiển giữa hai bộ.

Trạm phân phối của nhà máy Hàm Thuận là loại trạm GIS (Gas Insulated
Switchgear), sử dụng khí SF6 để cách điện. Các thiết bị và thanh dẫn điện áp
110kV, 220kV đều đặt trong ống chứa khí SF6 ở áp lực tương thích.
Cấu trúc trạm bao gồm 2 máy biến áp tăng áp 1T, 2T để nâng điện áp máy
phát từ 13,8kV lên 220kV, hệ thống 2 thanh cái với thanh cái kết giàn, 4 phát tuyến
220kV là Hàm Thuận-Đa Mi; Hàm Thuận-Long Thành; Hàm Thuận-Bảo Lộc và
Hàm Thuận - Phan Thiết, 1 máy biến áp tự ngẫu 3T giảm điện áp 220kV xuống
110kV và 22kV.
Điện áp phía 110kV của máy biến áp 3T nối với hệ thống thanh cái 110kV,
từ đây cung cấp đi 3 phát tuyến là Hàm Thuận - Đức Linh; Hàm Thuận - Phan Thiết
1; Hàm Thuận - Phan Thiết 2.
Điện áp phía 22kV của máy biến áp 3T được sử dụng cho tự dùng của nhà
máy thông qua máy biến thế 7T, 8T và còn được cung cấp cho 2 phát tuyến 471 và
472 để cấp điện cho nhà máy Đa Mi và đập tràn nhà máy Hàm Thuận.
Ngoài ra tự dùng của nhà máy còn được lấy từ 2 máy biến thế 5T và 6T. Hai
máy biến áp này lấy nguồn ngay sau dao cách ly đầu cực máy phát. Máy biến áp 5T
và 7T cấp tự dùng cho tổ máy 1, máy biến áp 6T và 8T cấp tự dùng cho tổ máy 2.
Trong nhà máy còn trang bị một máy phát diesel có công suất là 500KVA cấp điện
tự dùng để khởi động cho một tổ máy trong trường hợp không còn điện lưới.
1.2 Chức năng nhiệm vụ các hệ thống trong nhà máy thủy điện
1.2.1

Máy phát điện.
Trang 4


Máy phát có nhiệm vụ biến đổi năng lượng dòng nước trên trục tua bin
thành năng lượng điện qua máy biến áp tăng áp 13,8/220 kV đưa lên thanh góp 220
kV cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia.
Trong chế độ điều tần, máy phát có nhiệm vụ duy trì sự ổn định tần số của hệ

thống điện trong khả năng của máy phát.
Khi chạy ở chế độ bù, máy phát có nhiệm vụ tiêu thụ công suất phản kháng
trên lưới hoặc phát công suất phản kháng để đảm bảo ổn định về điện áp cho hệ
thống lưới điện quốc gia.
1.2.2

Hệ thống kích từ.

Có chức năng điều chỉnh điện áp của máy phát và hệ thống điện.
Nhiệm vụ của hệ thống kích từ:
- Kích từ cho tổ máy, kích từ ban đầu trong trường hợp thử đường dây.
- Tăng kích thích máy phát khi sự cố trên hệ thống điện làm giảm điện áp
trên thanh cái máy phát, giảm kích thích máy phát khi sự cố trên hệ thống điện làm
tăng điện áp trên thanh cái máy phát.
- Ngoài ra, hệ thống kích từ còn chứa đựng các chức năng bảo vệ, các chức
năng dập từ cho tổ máy trong trường hợp sự cố.
Tính năng của hệ thống kích từ:
- Mỗi tổ máy được cung cấp một hệ thống kích từ hoàn chỉnh kiểu điện tử
kỹ thuật số, được giám sát bởi hệ thống SCADA tại phòng điều khiển trung tâm,
bao gồm cả bộ điều chỉnh điện áp tự động. Đầu ra của bộ kích từ tĩnh được đấu nối
đến vành góp của máy phát thông qua hộp đấu dây lắp đặt trên khung máy phát.
- Hệ thống kích từ được cấp nguồn từ hệ thống điện tự dùng tổ máy và máy
biến áp kích từ. Kích từ ban đầu trong thời gian bắt đầu tự kích nguồn được lấy từ
một trạm ắc qui 110VDC.
- Hệ thống kích từ cung cấp nguồn một chiều tạo từ trường cho máy phát
đồng bộ để đạt được phạm vi công suất máy phát như đã quy định và ổn định điện
áp máy phát để vận hành phù hợp trong hệ thống điện mà máy phát được nối vào
lưới.
Trang 5

- Trong trường hợp tần số máy phát gia tăng tới giá trị tương ứng với sự gia
tăng tốc độ lớn nhất do máy phát mất phụ tải, hệ thống kích từ sẽ phục hồi điện áp
đến giá trị định mức và giữ ổn định.
- Hệ thống kích từ có khả năng thực hiện các chức năng chính xác trong
khoảng thời gian có các nhiễu loạn quá độ, ví dụ như ngắn mạch trên hệ thống điện
cao áp, thông thường thiết bị bảo vệ sẽ giải trừ sự cố. Thêm vào đó, nó sẵn sàng gia
tăng kích từ (chế độ cường kích) nếu được yêu cầu.
- Điện áp trần của hệ thống kích từ không nhỏ hơn 2 lần giá trị tương ứng
với điện áp đầu cực máy phát định mức với công suất phát định mức và hệ số công
suất 0,85 quá kích từ hoặc kém kích từ.
- Sự tắt dần của các dao động giữa máy phát và hệ thống điện có giá trị tích
cực tại mọi thời điểm và dưới tất cả các điều kiện vận hành trong khả năng của máy
phát. Hệ thống kích từ sẽ chi phối sự suy giảm dao động dưới các điều kiện như vậy
và các tín hiệu phản hồi là tín hiệu nhận được từ góc quay giữa rotor và máy phát
hoặc là công suất máy phát phải được cung cấp cho hệ thống kích từ.
- Trong trường hợp có sự thay đổi nhanh công suất tua bin do bộ điều tốc
làm việc, sự biến đổi điện áp đầu cực máy phát nhờ tác động của các tín hiệu phản
hồi được hạn chế để không vượt quá 2% khi máy phát được nối vào hệ thống điện.
1.2.3

Hệ thống điều tốc.

Hệ thống điều tốc có chức năng điều chỉnh tốc độ quay tua bin trong quá trình
khởi động, ngừng máy, đưa tín hiệu đi điều khiển servo cánh hướng nước để điều
chỉnh tốc độ máy phát trong quá trình khởi động và điều chỉnh công suất máy phát
điện trong quá trình hòa lưới, tham gia vào quá trình điều chỉnh ổn định tần số của
hệ thống điện khi tổ máy hòa lưới.
Các bộ phận chính của bộ điều tốc:
- Máy phát tín hiệu tốc độ dùng lấy mẫu tín hiệu tốc độ quay của máy phát

điện đưa vào bộ điều tốc để xử lý, điều khiển độ mở cánh hướng.
- Bộ phản hồi vị trí cánh hướng gửi tín hiệu vị trí cánh hướng cho bộ điều
tốc tính toán điều khiển lưu lượng qua tua bin.
Trang 6


- Bơm dầu áp lực cho bình dầu điều tốc để cung cấp dầu áp lực đi mở servo
cánh hướng.
- Hợp bộ van phân phối có chức năng điều khiển đường dầu đi điều khiển
đóng/mở cánh hướng để điều chỉnh lưu lượng nước qua tua bin.
- Mỗi tuabin được cung cấp một hệ thống điều tốc tự động riêng biệt có khả
năng điều khiển tốc độ, công suất phát, lưu lượng nước vào tua bin cho phép tổ máy
vận hành ổn định, hoàn hảo ở chế độ vận hành song song với nhau và với hệ thống
điện.
- Bộ điều tốc kỹ thuật số được lắp trong các tủ điều khiển tại tổ máy, các
thông số được giám sát qua hệ thống SCADA tại phòng điều khiển trung tâm. Bộ
điều tốc có cấu hình dự phòng kép cả về phần cứng và phần mềm, một hệ giao tiếp
tốc độ cao được thiết lập giữa hai card xử lý đảm bảo quá trình chuyển mạch không
trễ trong mọi chế độ vận hành. Nguyên lý điều chỉnh là thuật toán PID có nhánh hồi
tiếp.
Điều khiển vị trí:
Sử dụng thuật toán điều chỉnh PID, tín hiệu vào là vị trí thực của cánh hướng
và vành trượt của các servomotor. Khi vận hành ở chế độ quá tải, sự giới hạn tốc độ
của cánh hướng và bánh xe công tác được đặt lên hàng đầu nhằm tránh tua bin lệch
khỏi vị trí tối ưu. Điểm đặt vị trí của bánh xe công tác được tính toán dựa theo điểm
đặt vị trí cánh hướng và giá trị cột nước.
Điều khiển giới hạn độ mở:
Độ mở giới hạn có thể được điều chỉnh trong khoảng -5 đến 105%.
Điều khiển vận tốc:
Sử dụng thuật toán điều chỉnh PID có phản hồi, giá trị đặt của bộ điều khiển

vận tốc có thể được điều chỉnh trong khoảng 90 đến 110%. Dải tần số chết có tác
dụng trong suốt quá trình vận hành song song và có thể điều chỉnh được. Bộ điều
chỉnh PID sẽ xác định điểm đặt cho servomotor điều khiển cánh hướng bằng cách
tính toán sự sai lệch giữa giá trị đặt và tốc độ thực tế. Hàm truyền của bộ điều khiển
khi bỏ qua hiện tượng trễ vi sai:
Trang 7


G ( s ) = ( Kp * (1 +

1
1
+ Td * s )) /(1 + Kp * (1 +
+ Td * s ) * bp )
Tn * s
Tn * s

- Kp: Hệ số tỷ lệ
- Tn : Thời gian tích phân.
- Td : Thời gian vi phân.
- bp: độ dốc của đặc tính tốc độ
- Khi bp » 0:
G ( s ) = Kp * (1 +

1
+ Td * s )
Tn * s

Điều khiển độ mở cánh hướng:
Giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng -5 đến 105%, chế độ vận

hành của bộ điều khiển này chỉ có thể được lựa chọn khi tổ máy vận hành ở chế độ
song song, trong các chế độ khác điểm đặt của độ mở sẽ là độ mở thực của cánh
hướng.
Điều khiển lưu lượng:
Giá trị đặt có thể được điều chỉnh trong khoảng -5 đến 105%. Lưu lượng
thực tế được tính toán từ cột nước, vận tốc tuabin, vị trí của cánh hướng và bánh xe
công tác. Bộ điều khiển sử dụng thuật toán PI, xác định giá trị đặt cho vị trí của
servomotor cánh hướng bằng cách tính toán sự khác nhau giữa giá trị đặt và lưu
lượng thực tế. Hàm truyền của bộ điều khiển có dạng:
G ( s ) = Kp * (1 +

1
)
Tn * s

Điều khiển mực nước:
Giá trị điểm đặt đã được xác định trước, nó chỉ có thể được xác định lại
thông qua các thiết bị đầu cuối, bảng vận hành hay giao diện thông tin. Bộ điều
khiển sử dụng thuật toán PI.
Các tính năng tự động hoá của bộ điều tốc kỹ thuật số:
- Điều chỉnh vị trí các cánh hướng đồng bộ với điều chỉnh độ nghiêng của
bánh xe công tác.
- Điều chỉnh tốc độ tua bin, lưu lượng nước.
Trang 8


- Điều chỉnh việc chọn nhanh mức tải.
- Vận hành đa nhiệm theo thời gian thực.
- Giao diện Ethernet chuẩn với hệ thống SCADA.
- Giao diện HMI tại phòng điều khiển và tủ điều khiển tại chỗ.

- Ghi và thông báo các sự kiện trong quá trình vận hành.
- Bảo vệ điện một chiều các Module I/O, kiểm tra cao tần hệ thống.
Phần điều tốc thuỷ lực:
Phần điều tốc thuỷ lực bao gồm: bình chứa dầu, van trượt điều khiển chính,
máy bơm trục vít, bộ lọc, các sensor đo mức dầu và nhiệt độ.
Bộ tác động điện thuỷ lực biến đổi các tín hiệu từ bộ điều khiển kỹ thuật số
thành các đại lượng cơ tương ứng. Bộ khuếch đại thuỷ lực gồm có van động và van
phân phối chính nối hệ thống ống dầu áp lực với servomotor của cánh hướng và hệ
thống cấp dầu áp lực. Hệ thống dầu có áp lực 5.0 - 7.3MPa
Hệ thống khí nén cung cấp cho bình tích áp, cân bằng áp lực hệ thống.
Ngoài ra còn có một van trượt điện từ độc lập, để dừng khẩn cấp tua bin
bằng cách tác động servomotor đóng khẩn cấp các cánh hướng mà bỏ qua các tín
hiệu từ bộ điều khiển.
1.2.4

Tua bin thủy lực và các thiết bị phụ.

Tua bin thủy lực là loại Francis, trục đứng. Tốc độ định mức là 300v/ph.
Công suất định mức là 154MW tương ứng với cột nước tính toán là 250m và lưu
lượng nước qua tua bin là 67m3/s.
Hệ thống tua bin có chức năng chuyển đổi năng lượng của dòng nước thành
cơ năng làm quay rô to máy phát điện.
Nhiệm vụ của tua bin truyền mômen xoắn từ trục tua bin lên trục máy phát
để quay rô to máy phát điện.
1.2.4.1. Van chính (Van cầu).
Có nhiệm vụ cung cấp nước vào buồng xoắn khi chạy máy. Làm kín nước
sau khi tổ máy ngừng, đóng khẩn cấp khi hệ thống điều khiển cánh hướng bị hỏng.
Trang 9

Cấu tạo thân van: Gồm 2 nữa ghép lại được liên kết bằng bulông và các
gioăng làm kín, trên thân van có thiết kế lắp đặt van bypass để cân bằng áp lực
trước và sau van cầu khi mở van. Giữa thân van có gắn một đồng hồ hiển thị trạng
thái đóng hoặc mở hoàn toàn của van và các tiếp điểm hành trình đi báo tín hiệu
trạng thái của van.
Van bypass là loại van kim điều khiển bằng dầu áp lực. Van bypass có 2 tiếp
điểm hành trình thể hiện trạng thái đóng mở van bypass.
Van cầu được vận hành bằng hệ thống dầu áp lực 70 kgf/cm2 được cung cấp
bởi bình dầu áp lực.
Nguyên lý làm việc:
Khi có lệnh khởi động tổ máy thì tín hiệu đi mở van cầu như sau: Van bypass
mở, áp lực nước trước và sau van cầu cân bằng, đưa tín hiệu đi mở van cầu.
Khi ngừng tổ máy thì trình tự làm việc đóng van như sau: cánh hướng đóng
hoàn toàn, van cầu đóng, van bypass đóng.
1.2.4.2. Buồng xoắn, cánh hướng.
Buồng xoắn dùng để dẫn nước vào bánh xe công tác, phân bố đều lưu lượng
và áp lực tác động lên bánh xe công tác thông qua cánh hướng tĩnh và cánh hướng
động.
Cánh hướng tĩnh bao gồm các cánh đặt cố định xung quanh bên ngoài cánh
hướng động.
Cánh hướng động có tác dụng điều chỉnh lưu lượng dòng chảy qua tua bin,
tham gia vào quá trình khởi động, điều chỉnh công suất và ngừng tổ máy. Cánh
hướng được bố trí phía bên trong cánh hướng tĩnh, có thể điều chỉnh đóng/mở được
bằng servomotor. Servomotor cánh hướng dùng để truyền động đóng/mở cánh
hướng nước thông qua vành điều chỉnh dưới tác động của hệ thống dầu áp lực.
1.2.5

Hệ thống gối trục máy phát.

Ổ hướng trên và ổ hướng dưới máy phát có nhiệm vụ giữ cho thanh trục máy

phát quay theo một phương thẳng đứng.
Trang 10


Ổ đỡ có tác dụng chịu toàn bộ trọng lực của rotor, trục máy phát, trục tua bin
và bánh xe công tác khi tổ máy ở trạng thái dừng, và lúc tổ máy chạy thì nhờ lực ly
tâm nên ổ đỡ không còn chịu toàn bộ phần trọng lực trên mà lúc này giữa ổ đỡ và
mặt gương tạo ra lớp màng dầu mỏng và ổ đỡ lúc này chỉ chịu một trọng lượng nhỏ
hơn.
Ổ hướng tua bin có nhiệm vụ hướng cho trục tua bin quay theo một phương
thẳng đứng.
Hệ thống gối trục được đặt trong các bồn dầu làm mát để bôi trơn các
segment. Hệ thống dầu bôi trơn này được làm mát bằng hệ thống nước kỹ thuật.
Hệ thống gối trục được kiểm soát các giá trị nhiệt độ làm việc của các
segment, nhiệt độ dầu bôi trơn, mức dầu bôi trơn.
1.2.6

Hệ thống nguồn điện tự dùng.

Hệ thống tự dùng có chức năng cấp nguồn cho toàn bộ các hệ thống phụ, hệ
thống chiếu sáng và các thiết bị phụ trợ trong nhà máy.
Điện tự dùng của nhà máy được lấy từ đầu cực máy phát và từ lưới, 2 máy
biến thế 5T và 6T lấy nguồn ngay trước dao cách ly đầu cực máy phát. Máy biến
thế tự dùng 7T và 8T lấy từ nguồn 22kV của máy biến thế 3T. Nguồn tự dùng cấp
cho các tổ máy như sau:
- Máy biến thế 5T và 7T cấp tự dùng cho tổ máy 1.
- Máy biến thế 6T và 8T cấp tự dùng cho tổ máy 2.
Trong nhà máy trang bị một máy phát diesel dự phòng có công suất 500KVA
cấp đủ nguồn tự dùng cho một tổ máy trong trường hợp không còn điện lưới để
khởi động tổ máy.

1.2.7

Hệ thống trạm phân phối.

Chức năng:
Kết nối và chuyển tải điện năng của nhà máy cho lưới quốc gia qua hệ thống
220KV và hệ thống 110KV.

Trang 11


Chuyển tải điện năng từ lưới qua máy biến thế tự ngẫu 220/110/22KV cấp
nguồn tự dùng cho tổ máy, đập tràn, cửa nhận nước nhà máy thủy điện Hàm Thuận
và nguồn dự phòng cho nhà máy thủy điện Đa Mi.
Nhiệm vụ của hệ thống trạm như sau:
Hệ thống 220KV cung cấp điện cho các phát tuyến sau:
Ø Hàm Thuận - Đa Mi
Ø Hàm Thuận - Long Thành
Ø Hàm Thuận - Bảo Lộc
Ø Hàm Thuận - Phan Thiết
Hệ thống 110KV cung cấp cho các phát tuyến sau:
Ø Hàm Thuận - Đức Linh
Ø Hàm Thuận - Phan Thiết 1
Ø Hàm Thuận - Phan Thiết 2.
Hệ thống 22KV cung cấp cho các phát tuyến sau:
Ø Cung cấp điện tự dùng 22/0,4KV cho các tổ máy.
Ø Cung cấp điện cho vận hành đập tràn và cửa nhận nước nhà
máy thủy điện Hàm Thuận.
Ø Cấp điện cho cửa nhận nước và nguồn dự phòng cho nhà máy
thủy điện Đa Mi.

1.2.8 Bộ hòa đồng bộ
Chức năng: Tự động điều khiển hòa đồng bộ máy phát vào hệ thống điện
Nhiệm vụ: Điều chỉnh điện áp, tốc độ, góc lệch pha máy phát khi tổ máy
khởi động đến bước chuẩn bị hòa lưới, khi máy phát hòa lưới bộ hòa tự động tách ra
ngừng làm việc.
1.2.9 Hệ thống rơle bảo vệ.
Chức năng:
Chức năng của hệ thống rơle bảo vệ là để bảo vệ cho các thiết bị trong hệ
thống nhằm đảm bảo nhanh chóng phát hiện và cô lập sự cố, giảm tối thiểu hư hại
của thiết bị, đồng thời duy trì sự hoạt động bình thường của các thiết bị còn lại.
Trang 12


Nhiệm vụ:
Ø Rơle bảo vệ khối máy phát - máy biến thế chính:
Để đảm bảo cho khối máy phát – máy biến thế vận hành an toàn, tin cậy và
hiệu quả khi xảy ra các hiện tượng không bình thường và sự cố như quá điện áp
máy phát, kém áp, ngắn mạch cuộn dây stator máy phát, mất đồng bộ, kém kích
thích, quá dòng máy phát, quá công suất ngược khi tổ máy chạy bù…
Ø Rơle bảo vệ thanh cái:
Đảm bảo cho thanh cái vận hành an toàn, tin cậy và hiệu quả khi xảy ra sự
cố như ngắn mạch một pha, hai pha, hai pha chạm đất và ngắn mạch ba pha xảy ra
trên thanh cái.
Ø Bảo vệ đường dây:
Nhằm đảm bảo cho đường dây vận hành an toàn, tin cậy và hiệu quả khi xảy
ra các ngắn mạch trên đường dây. Nhanh chóng loại trừ sự cố để hạn chế tối đa hư
hại của thiết bị và duy trì việc cấp điện cho các phụ tải còn lại.
Ø Bảo vệ máy biến thế tự dùng:
Để đảm bảo cho máy biến thế tự dùng vận hành an toàn, tin cậy và hiệu quả
khi xảy ra các sự cố như ngắn mạch, quá tải, quá điện áp đối với máy biến thế.

1.3. Các phần tử, thông số điều khiển và giám sát
1.3.1 Máy phát điện.
Ø Điều khiển và giám sát khởi động/ngừng máy phát ở các chế độ: máy
phát, máy bù, thử đường dây, khởi động lấy nguồn tự dùng từ máy phát diesel.
Ø Giám sát công suất P, công suất Q, tần số f máy phát, hệ số công suất
cosφ, điện áp U đầu cực máy phát, dòng điện I đầu cực máy phát, điện năng phát,
điện năng tiêu thụ khi máy phát làm việc chế độ bù.
Ø Giám sát nhiệt độ các cuộn dây stator và cuộn dây rotor máy phát.
Ø Điều khiển và giám sát máy cắt đầu cực máy phát thông qua bộ hòa đồng
bộ, giám sát trạng thái đóng/mở của máy cắt, các dao cách ly và dao tiếp đất.

Trang 13


Ø Ghi nhận tự động các thông tin, sự kiện làm việc của máy phát về các
thông số sau: điện áp, dòng điện, hệ số công suất, nhiệt độ cuộn dây, công suất tác
dụng, công suất phản kháng, điện năng phát, điện năng tiêu thụ.
1.3.2 Hệ thống điều tốc.
Ø Điều khiển độ mở cánh hướng, giám sát vị trí độ mở cánh hướng, lưu
lượng nước qua tua bin.
Ø Điều khiển tốc độ quay của tua bin, giám sát tốc độ quay của tua bin.
Ø Giám sát độ đóng/mở hoàn toàn của van chính, van bypass.
Ø Giám sát áp lực bình dầu cung cấp cho hệ thống điều tốc.
Ø Ghi nhận tự động các thông tin, sự kiện làm việc của hệ thống điều tốc về
các thông số sau: tần số máy phát, tần số lưới, độ mở cánh hướng, tốc độ quay của
máy phát.
1.3.3 Hệ thống kích từ.
Ø Điều khiển điện áp kích từ, dòng điện kích từ. Giám sát nhiệt độ cầu
thyristor, điện áp kích từ, dòng điện kích từ.
Ø Điều khiển máy cắt kích từ, giám sát vị trí đóng/mở của máy cắt kích từ.

Ø Ghi nhận tự động các thông tin sự kiện làm việc của hệ thống kích từ về
các thông số sau: nhiệt độ cầu thyristor, điện áp kích từ, dòng điện kích từ.
1.3.4 Hệ thống gối trục máy phát.
Ø Giám sát nhiệt độ segment các gối trục: ổ hướng trên, ổ hướng dưới, ổ đở,
ổ hướng tua bin.
Ø Giám sát nhiệt độ dầu làm mát các gối trục: ổ hướng trên, ổ hướng dưới, ổ
hướng tua bin.
Ø Ghi nhận tự động các thông tin sự kiện làm việc của hệ thống gối trục các
thông số nhiệt độ các segment ổ hướng trên, ổ hướng dưới, ổ đở, ổ hướng tua bin.
1.3.5 Hệ thống phụ cho tổ máy.
Ø Điều khiển và giám sát khởi động/ngừng hệ thống bơm nước: bơm nước
tuần hoàn làm mát gió máy phát, bơm nước tuần hoàn làm mát dầu các gối trục.

Trang 14


Ø Điều khiển và giám sát khởi động/ngừng hệ thống bơm dầu: Bơm dầu
nâng trục, bơm dầu áp lực cho bình dầu điều tốc, bơm dầu áp lực cho bình dầu điều
khiển van cầu.
Ø Điều khiển và giám sát khởi động/ngừng hệ thống máy nén khí cung cấp
cho các bình dầu áp lực và cấp khí nén nước trong buồng tua bin khi chạy máy phát
ở chế độ bù.
1.3.6 Trạm phân phối tự dùng cho tổ máy.
Ø Điều khiển và giám sát trạng thái đóng/mở các máy cắt cấp nguồn chính
cho các phụ tải tự dùng.
Ø Giám sát điện năng tiêu thụ cho hệ thống tự dùng.
Ø Giám sát công suất tiêu thụ P, công suất phản kháng Q.
Ø Giám sát dòng điện I, điện áp U, hệ số công suất cosφ của hệ thống tự
dùng.
Ø Điều khiển và giám sát khởi động/ngừng máy phát Diezel dự phòng cấp

nguồn tự dùng khởi động tổ máy khi điện lưới mất hoàn toàn.
Ø Giám sát điện áp, dòng điện, tần số, công suất P máy phát Diezel
Ø Ghi nhận tự động các thông tin sự kiện làm việc của hệ thống tự dùng tổ
máy các thông số sau: dòng điện, điện áp, hệ số công suất, công suất tiêu thụ, công
suất vô công, điện năng tiêu thụ.
1.4 . Hiện trạng hệ thống SCADA nhà máy thủy điện Hàm Thuận
1.4.1. Sơ đồ kết nối hệ thống SCADA
Xem phụ lục 12
1.4.2. Hiện trạng hệ thống SCADA
+ Hệ thống máy tính điều khiển và giám sát:
- Hãng sản xuất : TOSHIBA - NHẬT BẢN
- Loại : TOSMAP PC S910XP.
- Bộ xử lý : Pentium Pro 200MHz
Trang 15


- Bộ nhớ RAM : 32Mb
- Ổ đĩa cứng : 3.2 GB.
- Cache : 256KB
- Thiết bị ngõ vào : Bàn phím và con chuột.
- CD-ROM : Tốc độ 24X.
- Màn hình : 21 inchs, độ phân giải 1600×1200 pixel.
- Công suất màn hình : 150W
- Đĩa mềm : 1.44 MB, 3.5 inchs.
- Dùng phần mềm Window Viewer – Wonderware Factory Suit 2000 chạy trên
hệ điều hành Window NT Workstation 4.0.
+ Máy tính Server
- Hãng sản xuất: TOSHIBA - NHẬT BẢN
- Loại : TOSMAP PC S920XP.
- Bộ vi xử lý : 32 bit.

- Bộ nhớ RAM : 64 MB.
- Ổ đĩa cứng : 3.2 GB.
- Thiết bị ngõ vào : Bàn phím và con chuột.
- CD-ROM : Tốc độ 24X.
- Màn hình : 21 inchs, độ phân giải 1600×1200 pixel.
- Công suất màn hình : 150W
- Đĩa mềm : 1.44 MB, 3.5 inchs.
- Máy in : Laser HP8500

Trang 16


+ Hệ thống dùng chuẩn truyền thông RS232 để kết nối các thiết bị điều khiển và
máy tính.
+ Kết nối từ phòng điều khiển trung tâm đến phòng điều khiển tổ máy qua mạng
ETHERNET LAN tốc dộ truyền dữ liệu 96Kbps.
+ Hệ thống máy tính thường hay bị lỗi, tốc độ truyền tín hiệu từ máy tính đến thiết
bị chấp hành mất khoảng 3-5 giây.
+ Các thiết bị điều khiển kết nối máy tính qua chuẩn truyền thông RS232 điểm nối
điểm nên khả năng xử lý tín hiệu 2 chiều rất chậm.
+ Các cấp điều khiển không đồng bộ, phòng điều khiển trung tâm chỉ điều khiển và
giám sát các thông số chính, không đầy đủ chức năng như phòng điều khiển giám
sát tại chổ tổ máy.
+ Hệ thống phần mềm điều khiển chuyên dụng không cho phép người dùng nâng
cấp.
+ Hệ thống SCADA kết nối với trung tâm điều độ quốc gia và điều độ miền chỉ
giám sát một vài thông số chính như công suất P, Q, f, U. Thiết bị chấp hành nhận
tín hiệu điều khiển từ xa rất chậm mất khoảng 5-10s.
1.5 . Kết luận chương 1
Qua việc khảo sát và đánh giá hiện trạng nhà máy thủy điện Hàm Thuận, thực

trạng các thiết bị của hệ thống điều khiển giám sát, ta có một số kết luận sau:
- Hệ thống SCADA nhà máy thủy điện Hàm Thuận đã lạc hậu có nhiều bất cập
không đồng bộ, cấu hình hệ thống thấp, tốc độ xử lý tín hiệu chậm, một số loại cảm
biến làm việc không ổn định.
- Cần phải thiết kế nâng cấp hệ thống SCADA để tăng thêm độ tin cậy, an toàn
hiệu quả.
--------------------------------------------------------------------------

Trang 17


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SCADA
2.1. Giới thiệu chung về hệ thống SCADA
SCADA là hệ thống tự động hóa, với chức năng quản lý và giám sát lưới
điện, các nhà máy điện, tòa nhà hay khu công nghiệp giúp nâng cao hiệu quả công
trình, hiện đại hoá, tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường.
SCADA thực hiện việc giám sát hệ thống điện qua thiết bị theo dõi các thông
số kỹ thuật chính của nguồn điện như: Công suất P, công suất Q, điện áp, dòng điện
...vv. Đây là những thông số cần được giám sát chặt chẽ vì có ảnh hưởng rất lớn tới
việc vận hành lưới điện, các nhà máy điện, tòa nhà hay khu công nghiệp. Quản lý
tốt các tham số này đồng nghĩa với việc giảm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quả
sử dụng điện. Các tham số đều được đo bằng bộ đo đếm điện năng kỹ thuật số nối
mạng, thể hiện thông số trên màn hình máy tính và lưu trữ dữ liệu.
Các 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 rất đơn giản hình 2.1, không đáp ứng được hết các yêu cầu công
nghệ trong sản xuất.

Hình 2.1 Hệ thống thu thập dữ liệu sơ khai
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. Hình 2.2 là một ví dụ về hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ
liệu SCADA hiện đại.
Chi tiết một hệ thống SCADA hiện đại như sau:
Trang 18


Hình 2.2 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 hoặc PLC 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 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 và bộ điều khiển logic lập
trình PLC.
Trang 19


Trong hệ thống DCS chức năng chính của các thiết bị giao diện dữ liệu
trường là các bộ điều khiển mà ở đó các thuật toán điều khiển quá trình được thực
thi. Thêm vào đó, hệ thống truyền thông phải đảm bảo việc trao đổi dữ liệu giữa các
đơn vị điều khiển là theo thời gian thực.
Nói chung hệ thống SCADA là một hệ thống phối hợp, chứ không điều
khiển các quá trình theo thời gian thực.

Phân biệt hệ thống SCADA và DCS như sau: Hệ thống DCS là điều khiển
theo quá trình công nghệ, trong khi SCADA là điều khiển theo sự kiện.

Trang 20


Hệ thống xử lý dữ liệu
Hệ thống xử
lý dữ liệu
máy chủ

Trạm điều khiển chính

Trạm chủ

Hệ thống liên lạc

Trạm
trung gian
Trạm
trung gian

Hệ thống liên lạc

RTU’s
RTU

RTU

PLC

RTU

RTU

RTU

PLC

PLC

Thiết bị cấp trường (tín hiệu vào/ra tương tự và số

Cấp trường

Hình 2.3. Sơ đồ chi tiết một hệ thống SCADA.
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 truyền 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
Trang 21


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 và 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.
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 2.4) bao
gồm phần mềm logic và các thiết bị phần cứng như bộ xử lý trung tâm CPU, các mô
đun vào ra. Các bộ PLC thường được sử dụng như các thiết bị RTU của hệ thống
SCADA.

Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống PLC.
Các thiết bị đo thông minh là những thiết bị đo có khả năng xử lý tín hiệu
như là một máy tính (hình 2.5). Chúng có thể dễ dàng liên lạc được với các RTU và
các PLC vì vậy PLC hay được sử dụng trong hệ thống SCADA.
Qua các phân tích so sánh nêu trên thấy rằng hệ thống SCADA có các lợi ích
cơ bản sau:
Trang 22


Ø Tiết kiệm được chi phí vận hành.
Ø Khả năng phát hiện và thông báo lỗi tốt.
Ø Tăng năng suất lao động.
Ø Có khả năng ứng dụng vào trong các lĩnh vực ứng dụng phức tạp.

Thiết bị đầu cuối lập trình
Giao diện bộ điều
chế/giải điều chế

Mô đun đầu
vào tương tự
4-20mA

Vòng lặp 4-20mA

Thiết bị thông minh

Hình 2.5 Ví dụ về một thiết bị đo thông minh.
2.2. Kết cấu của một 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.
Kết cấu phần mềm của phần PC ở phòng điều khiển trung tâm được thể hiện
Hình 2.6 bên dưới.
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.

Trang 23


Hình 2.6 Sơ đồ trúc phần mềm Client/Server của hệ SCADA
2.2.1. 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 khiển. Vì vậy trên các máy Server
thường được dùng để cài đặt các phần mềm phát triển, thiết lập cấu hình truyền
thông để kết nối với thiết bị hiện trường.
Trang 24


2.2.2. SCADA Client
SCADA Client gồm các máy tính công nghiệp được nối với máy Server bằng
mạng Ethernet. Các máy tính này sẽ được cài các phần mềm giao diện người máy
HMI kết nối với dữ liệu của máy Server để hiển thị hoặc điều khiển. Tức là các máy

Client này sẽ thu thập các trạng thái và điều khiển các bộ controller gián tiếp thông
qua máy Server. Mối quan hệ giữa các Client và Server do các kỹ sư lập trình thiết
lập, tuỳ thuộc vào phần mềm công nghiệp được sử dụng trong hệ SCADA.
2.2.3. PLC- RTU

Hình 2.8 RTU

Hình 2.7 PLC S7-400

RTU được định nghĩa là một thiết bị được điều khiển bằng bộ vi xử lý, có
khả năng xử lý các đầu vào ra theo thời gian thực, thu thập số liệu và báo động, báo
cáo về SCADA Server và thi hành các lệnh của SCADA Server. Theo truyền thống,
hệ thống SCADA thường sử dụng các thiết bị RTU. Nhưng ngày nay, với sự phát
triển của PLC, các nhà tích hợp hệ thống thường dùng PLC thay vì RTU cho việc
thiết kế cho nhiều hệ thống SCADA.
Các RTU và PLC được nối với các I/O tại các trạm. Các đầu vào, qua RTU
hay PLC cho các thiết bị SCADA ở phòng điều khiển trung tâm biết trạng thái của
hệ thống tại hiện trường. Thiết bị SCADA có thể điều khiển bằng cách thao tác đầu
ra, cũng như qua các RTU hay PLC.
Như vậy RTU và PLC là thiết bị được trực tiếp nối với I/O và trung tâm điều
khiển tín hiệu.
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
Trang 25