Xây dựng hệ thống giám sát đập và hồ chứa tích hợp với SCADA nhà máy thủy điện đồng nai 3

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ĐÌNH TRUNG

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐẬP
VÀ HỒ CHỨA TÍCH HỢP VỚI SCADA
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số: 60.52.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đinh Thành Việt

Phản biện 1: TS. Nguyễn Hữu Hiếu

Phản biện 2: TS. Vũ Phan Huấn

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 03
tháng 03 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của nền
kinh tế, tốc độ công nghiệp hoá tăng nhanh. Trong sự phát triển kinh
tế đất nước sau hơn 40 năm đổi mới, thủy điện đóng vai trò vô cùng
to lớn, và là một cấu phần quan trọng của ngành điện đảm bảo cung
ứng điện cho quá trình hội nhập kinh tế quốc tế.
Hiện nay cả nước có 330 công trình thủy điện với tổng công
suất 17.615 MW đang vận hành. Năm 2017, sản lượng điện sản xuất
từ thủy điện đạt 63,73 tỷ kWh, chiếm 32% tổng sản lượng điện
năng của cả nước. Đây là nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái
tạo, giá thành rẻ hơn so với các nguồn khác.
Các hồ chứa của công trình thủy điện với tổng dung tích
khoảng 56 tỷ m3, chiếm 86% tổng dung tích hồ chứa trên cả nước, đã
góp phần quan trọng vào việc cắt lũ cho hạ du và sản xuất điện năng.
Vào mùa cạn, các hồ này cung cấp nước cho khu vực hạ du góp phần
vào việc bảo đảm an ninh lương thực và trật tự, an toàn xã hội.
Hiện nay, giám sát mực nước hồ chứa chính xác trong mùa lũ
nhằm điều tiết lưu lượng xả rất quan trọng, cũng như việc giám sát
mực nước hồ chứa trong vận hành liên hồ khi tham gia thị trường
điện cần đảm bảo sự tối ưu. Trong khi đó việc giám sát mực nước
bằng camera do con người đọc không thực sự tin cậy và chính xác.
Ngoài ra, chất lượng đập thủy điện là yếu tố quan trọng bậc
nhất trong vận hành một nhà máy thủy điện, nó liên quan tới sự an

toàn của tổ máy và vùng hạ du. Cho nên việc giám sát chất lượng
đập hàng ngày, hàng giờ là yếu tố tiên quyết để đảm bảo chất lượng
đập nằm trong phạm vi cho phép để tiếp tục vận hành.


2

Vì vậy việc ứng dụng hệ thống SCADA nhằm giám sát
mực nước hồ thủy điện và giám sát đập nhằm vận hành an
toàn, tối ưu là một nhiệm vụ quan trọng trong vấn đề vận hành
nhà máy thủy điện hiện nay.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục đích của luận văn là xây dựng chương trình SCADA
giám sát đập và hồ chứa nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 tại phòng
điều khiển trung tâm
3. Đối tượng và công cụ nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Hồ chứa và Đập nhà máy thủy
điện Đồng Nai
Công cụ nghiên cứu : Phần mềm PLC S7-200, và phần
mềm PC 200W, Phần mềm Multilogger
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu logic, giám sát SCADA nhà máy thủy điện
Đồng Nai 3.
Nghiên cứu quy trình giám sát Đập nhà máy thủy điện
Đồng Nai 3.
Xây dựng chương trình giám sát mực nước hồ từ phòng
điều khiển trung tâm nhà máy.
Xây dựng chương trình tính toán các đầu dò giám sát
đập sử dụng phần mềm PC 200W, phần mềm Multilogger
Phương thức SCADA giám sát đập nhà máy thủy điện

Đồng Nai 3.
Xây dựng chương trình và thực nghiệm tại nhà máy
thủy điện Đồng Nai 3.


3

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Xây dựng lên hệ thống SCADA giám sát mực nước hồ và chất
lượng đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3. Nhằm giúp công ty thủy
điện Đồng Nai quản lý và vận hành tối ưu, an toàn nhà máy thủy
điện Đồng Nai 3.
6. Cấu trúc luận văn:
Căn cứ vào mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu luận văn được đặt
tên như sau:
“XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐẬP VÀ HỒ
CHỨA TÍCH HỢP VỚI SCADA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
ĐỒNG NAI 3.”
Nội dung luận văn gồm các chương như sau:
Chương 1. Tổng quan về nhà máy thủy điện Đồng Nai 3.
Chương 2. Xây dựng chương trình SCADA giám sát mực
nước hồ nhà máy thủy điện Đồng Nai 3
Chương 3. Xây dựng chương trình SCADA giám sát đập
nhà máy thủy điện Đồng Nai 3


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

1.1. Giới thiệu sơ lược về nhà máy thủy điện Đồng Nai 3
1.2. Vai trò của nhà máy thủy điện Đồng Nai 3
1.3. Các hạng mục công trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 3.
1.4. Các thông số chính công trình nhà máy thủy điện Đồng Nai 3.
1.5. Kết luận chương 1
Trong chương 1, đã trình bày được vị trí, vai trò, nhiệm vụ và
các thông số cơ bản của nhà máy thủy điện Đồng Nai 3.
Từ những vai trò trên việc cần thiết xây dựng các hệ thống
giám sát liên tục, tin cậy của nhà máy là nhiệm vụ rất quan trọng
trong công tác xây dựng, vận hành phát triển an ninh năng lượng .
Một trong các hệ thống cần được giám sát từ xa trên mạng
SCADA của nhà là hệ thống giám sát mực nước hồ và đập, bởi vì
đây là công trình đầu mối tuyến năng lượng của nhà máy.


5

CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH SCADA GIÁM SÁT
MỰC NƯỚC HỒ CHỨA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
ĐỒNG NAI 3
2.1. Giới thiệu chung về hệ thống SCADA nhà máy thủy điện
Đồng Nai 3.
2.1.1. Tổng quan sơ đồ kết nối SCADA nhà máy thủy điện Đồng
Nai 3
2.1.2. Phân quyền, giám sát SCADA nhà máy thủy điện Đồng Nai 3
2.1.3. Các thiết bị chính trong mạng SCADA nhà máy thủy điện
Đồng Nai 3
2.1.3.1. Bộ điều khiển AC800M
2.1.3.2. Modul S800 I/O

2.1.4. Vai trò và hiện trạng việc giám sát SCADA mực nước hồ
chứa NMTĐ Đồng Nai 3
NMTĐ Đồng Nai 3 có diện tích mặt hồ rộng 56Km2, vì vậy
việc giám sát mực nhằm đảm bảo vận hành tối ưu nguồn nước cho
phát điện và an toàn vùng hạ du là rất quan trọng. Tuy nhiên hệ
thống còn nhiều hạn chế như sau:
Hiện nay mực nước hồ đang được giám sát bằng camera tại
ngay thước đo mực nước hồ, mà không có tín hiệu truyền về trung
tâm cách nhà máy 5 km
Khi mùa lũ xảy ra việc giám sát mực nước nhằm vận hành hồ
chứa liên hồ điều tiết lũ gặp khó khăn do sự dao động của sóng, và
lưu lượng về hồ lớn dẫn đến việc giám sát mực nước bằng camera sẽ
không tin cậy và chính xác.


6

2.2. Tính toán lựa chọn sensor mực nước hồ chứa.
2.2.1. Quan hệ giữa mực nước và diện tích hồ chứa NMTĐ Đồng
Nai 3

Biểu đồ 2.1. Quan hệ dung tích và mực nước hồ F = f(z)
2.2.2. Lựa chọn sensor mực nước.
2.2.2.1. Giới thiệu các loại sensor đo mực nước.
2.2.2.2. Lựa chọn sensor mực nước hồ nhà máy thủy điện Đồng
Nai 3

Hình 2.1. Sensor mực nước Vega Plus

7

Bảng 2.3: Bảng thông số kĩ thuật sensor Vega Plus
Đặc tính

STT

Thông số kỹ thuật

1

Hãng

Vega Plus

2

Nước sản xuất

Đức

3

Nguồn

9.6...36 VDC

4

tín hiệu ra

4-20mmA

5

Cấp bảo vệ

IP 66/67

6

Dải đo lường

Max 45m

7

Dải áp suất

-1 ... +40 Bar

8

Bước thời gian

≤ 3s

9

Nhiệt độ vận hành

-40° to +185°F

10

Độ chính xác

≤ 1mm

Hình 2.2. Khoảng cách lắp đặt so với bề mặt của tường chắn
2.3. Mạng truyền thông của hệ thống SCADA giám sát mực nước
hồ chứa nhà máy thủy điện Đồng Nai 3.
2.3.1. Đường truyền thông trong hệ thống
2.3.2. Trung tâm thu thập và xử lý số liệu
2.3.3. Phần mềm xử lý tín hiệu.
2.3.3.1. Phần mềm tính toán tại chỗ
Hệ thống tính toán mực nước tại chỗ được lập trình bởi bộ lập
trình logic khả trình

PLC S7-200 là phần mềm loại nhỏ của hãng


8

Siemens có cấu trúc theo kiểu module và có các module mở rộng.
Các module này đươc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác
nhau. Ưu điểm của hệ thống khi chọn PLC S7-200 là giá thành rẻ, dễ
lập trình, và có modul đọc các tín hiệu analog 4-20mmA do sensor
phát ra.

Hình 2.3. Cấu trúc cơ bản của PLC S7-200
2.3.3.2. Phần mềm điều khiển trung tâm
2.4. Thiết kế hệ SCADA giám sát mực nước nhà máy thủy điện
Đồng Nai 3.
2.4.1. Các thiết bị chính tủ giám sát tại chỗ.
2.4.1.1. CPU 226 DC/DC/DC
2.4.1.2. Modul Analog (AI) EM 231
2.4.1.3. Modul quang điện MOXA
2.4.2. Phương trình tính toán mực nước hồ
2.4.2.1. Đặt vấn đề
Chương trình tính toán được viết cho phương trình analog trên
PLC S7-200 với các thông số đầu vào như sau:
 Dải đo: 0-30m
 Tín hiệu cảm biến truyền về: 4-20mmA
 Trong đó PLC S7-200 đọc tín hiệu analog có độ phân giải
từ 6400 đến 32000 nghĩa là 4mA đọc vào thì trong PLC hiểu là 6400
đơn vị và 20mA đọc về là 32000 đơn vị.


9

2.4.2.2. Phương trình tính toán.
Từ các dữ liệu đầu và, ta có thể lặp được 1 đường thẳng qua 2
điểm. Và xây dựng phương trình đường thẳng qua 2 điểm đó có dạng
y = ax + b như sau: y = 0.0017x + 552.5
2.4.3. Chương trình PLC S7-200
2.5. Các hình ảnh thực tế của hệ thống
2.5.1. Giao diện hiện thị

Hình 2.4. Màn hình SCADA giám sát mực nước tại phòng điều

khiển trung tâm
2.5.2. Biểu đồ dữ liệu

Hình 2.5. Biểu đồ dữ liệu mực nước


10

Hình 2.6. Vận hành hệ thống SCADA giám sát mực nước hồ
NMTĐ ĐN3
2.5.3. Hình ảnh lắp đặt thực tế hệ thống.

Hình 2.7. Sensor lắp đặt thực tế trên hồ thủy điện NMTĐ ĐN3

Hình 2.8. Tủ điều khiển giám sát tại chỗ với PLC S7-200


11

Hình 2.9. Các thiết bị chính trong tủ điều khiển tại chỗ

Hình 2.10. Các thiết bị kết nối tủ điều khiển trung tâm


12

2.6. Kết Luận chương 2
Trong chương 2, luận văn đã xây dựng được chương trình
giám sát mực nước hồ tích hợp vào hệ thống SCADA của nhà máy
thủy điện Đồng Nai 3.

Chương 2 đã xây dựng được chương trình PLC tính toán từ
sensor Rada đo mực nước hồ, Bên cạnh đó luận văn đã đưa ra được
phương thức kết nối, tích hợp vào hệ thống SCADA của nhà máy.
Sau quá trình nghiên cứu thử nghiệm thực tế hệ thống Scada
giám sát mực nước hồ nhà máy thủy điện Đồng Nai 3, đã được ứng
dụng thực tế vào công tác giám sát mực nước tại nhà máy thủy điện
Đồng Nai 3.
Hệ thống đã mang tính thực tiễn cao, độ chính xác tin cậy hơn
so với phương pháp thủ công trước đây. Hiện nay người vận hành đã
sử dụng hệ thống để giám sát và tính toán mực nước phục vụ công
tác thị trường điện cũng như điều tiết lũ.


13

CHƯƠNG 3
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH SCADA GIÁM SÁT ĐẬP NHÀ
MÁY THỦY ĐIỆN ĐỒNG NAI 3

3.1. Giám sát chất đập nhà máy thủy điện Đồng Nai 3
3.1.1. Mục đích và ý nghĩa của giám sát đập
Để quản lý sử dụng công trình được tốt đảm bảo làm việc
chính xác, an toàn, phát huy tốt năng lực thiết kế đồng thời cung cấp
tài liệu cho việc cải tiến, hoàn thiện công trình, các đơn vị quản lý
cần phải thực hiện giám sát một số nội dung đối với các công trình
chủ yếu.
Yêu cầu giám sát phải chính xác, trung thực, phải có hệ thống,
thống nhất, phải giám sát kịp thời. Nội dung chủ yếu giám sát bao
gồm:
Giám sát biến dạng của công trình như sự di chuyển vị trí

Giám sát lún của công trình
Giám sát nứt nẻ công trình
Quan trắc thấm qua đập
Giám sát nhiệt độ thân đập
3.1.2. Nhiệm vụ của công tác giám sát đập
3.1.3. Nội dung của công tác giám sát đập
3.1.4. Vai trò, hiện trạng của hệ thống giám sát đập NMTĐ Đồng
Nai 3
3.1.4.1. Vai trò
3.1.4.2. Hiện trạng hệ thống giám sát đập NMTĐ ĐN3.
Hiện nay, đập tràn nhà máy thủy điện Đồng Nai 3 đã có lắp
sẵn các đầu dò giám sát các thông số về chất lượng đập từ lúc thi


14

công công trình đập tràn. Tuy nhiên tất các đầu dò trên gồm 143 đầu
dò chỉ được đưa về các bộ dồn kênh Multilogger (MUX) bao gồm 14
bộ nằm trải dài trên 3 hành lang thân đập cao 108m.
Do vậy với quy trình yêu cầu 10 ngày phải thu thập các dữ liệu
giám sát 1 lần để có cơ sở đánh giá chất lượng đập. Vì thế các nhân
viên vận hành sẽ thực hiện dùng máy đo xách tay chuyên dụng vào
hành lang thân đập và đo trực tiếp các đầu dò trên. Khi đó việc mất
thời gian và công sức cũng như sự tin cây có số liệu là không đảm
bảo. Từ những thực trạng trên cần đưa ra giải pháp để thu thập số
liệu từ xa tại phòng ĐKTT thông qua hệ thống SCADA tại nhà máy
TĐĐN3.
3.2. Tổng quan hệ thống giám sát đập nhà máy TĐĐN3.
3.2.1. Giới thiệu về đập nhà máy TĐĐN3.
Là đập bê tông đầm lăn (RCC), cao trình đỉnh đập +595 (m);

cao trình dài đỉnh đập 586,4 (m); chiều rộng đỉnh đập 10 (m); chiều
cao đập 108 (m); mái thượng lưu thẳng đứng, mái hạ lưu nghiêng với
m = 0,8.
Bên trong thân đập được xây dựng thành 3 hành lang đập với
các cao trình khác nhau.

Hình 3.11. Đập tràn nhà máy thủy điện Đồng Nai 3


15

Trong 3 hành lang thân đập được bố trí các đầu dò giám sát
khác nhau nằm trải đều trong toàn đập. Các đầu dò ở vị trí gần nhau
sẽ được đưa về các hộp dồn kênh multilogger (MUX) tương ứng. Sơ
đồ bố trí sẽ được miêu tả như sau:

Hình 3.12. Sơ đồ bố trí thiết bị hành lang đập nhà máy
TĐDN3
3.2.2. Các thiết bị giám sát lắp đặt bên trong đập nhà máy
TĐĐN3
Bảng 3.1. Bảng số liệu thống kê thiết bị lắp đặt giám sát đập
STT

Tên thiết bị

Tổng số

Kí hiệu

1

Sensor đo áp lực thấm tự động

16

P1÷ P16

2

Sensor đo cảm biến nhiệt bêtông

60

DN1÷ DN2060

3

Sensor đo ứng suất bêtông

16

S1÷ S16

Sensor đo chuyển dịch vị trí 2

38

2J1÷ 2J38

13

3J1÷ 3J13

14

MUX 1 ÷ MUX

4

5

6

chiều (2D)
Sensor đo chuyển dịch vị trí 3
chiều (3D)
Hộp

dồn

kênh

multilogger

(MUX)

3.2.3. Giới thiệu các thiết bị giám sát.

14

16

3.2.3.1. Sensor đo áp lực thấm tự động

Hình 3.13. Thiết bị đo ứng suất
3.2.3.2. Sensor đo cảm biến nhiệt độ bêtông

Hình 3.14. Thiết bị đo nhiệt độ Bêtông


17

3.2.3.3. Sensor đo cảm biến ứng suất

Hình 3.15. Sensor ứng suất
3.2.3.4. Sensor đo chuyển dịch vị trí 2D, 3D

Hình 3.16. Bố trí sensor chuyển dịch vị trí ba chiều


18

3.2.3.5. Bộ dồn kênh multilogger (MUX)

Hình 3.17. Sơ đồ đấu dây bộ dồn kênh thực tế
3.3. Thiết kế hệ SCADA giám sát đập nhà máy thủy điện Đồng
Nai 3.
3.3.1. Sơ đồ mạng truyền thông SCADA trong hệ thống giám sát

Hình 3.18. Sơ đồ kết nối truyền thông mạng SCADA giám sát đập


19

3.3.2. Các thiết bị chính trong hệ thống SCADA giám sát đập
3.3.2.1. Khối xử lý tín hiệu.

Hình 3.19. sơ đồ kết nối Data
3.3.2.2. Khối truyền và thu thập dữ liệu.

Hình 3.20. Sơ đồ mạng kết nối MD485
3.4. Xây dựng chương trình tính toán và thu thập dữ liệu
SCADA giám sát đập
3.4.1. Thiết lập đường truyền thông.
3.4.2. Chương trình tính toán SCADA giám sát đập.
3.4.2.1. Xây dựng chương trình
 Cấu hình Datalogger 1 và Datalogger 2:
 Xây dựng dữ liệu đầu vào:


20

3.4.2.2. Lưu trữ dữ liệu

Hình 3.21. Truy xuất dữ liệu
3.5. Các hình ảnh thực tế hệ thống
3.5.1. Giao diện hiện thị

Hình 3.22. Màn hình SCADA giám sát thông số đập NMTĐ DN3

21

3.5.2. Biểu đồ dữ liệu

Hình 3.23. Biểu đồ dữ liệu
3.5.3. Hình ảnh lắp đặt thực tế hệ thống

Hình 3.24. Tủ điều khiển Data.


22

Hình 3.34. Các thiết bị chính trong tủ Data
3.6. Kết Luận Chương 3
Trong chương 3, đã xây dựng được mạng SCADA truyền
thông từ các sensor giám sát từ đập về phòng điều khiển trung tâm.
Bên cạnh đó đã xây dựng được chương trình tính toán các giá
trị sensor giám sát trên phần mềm PC200W.
Xây dựng được cơ sở dữ liệu của các sensor nhằm giúp người
vận hành theo dõi, thu thập cơ sở dữ liệu của các sensor tại phòng
điều khiển trung tâm nhà máy theo thời gian thực.
Hệ thống đã mang tính thực tiễn cao, độ chính xác tin cậy hơn
so với phương pháp thủ công trước đây. Hiện nay người vận hành đã
sử dụng hệ thống để theo dõi, truy xuất dữ liệu phục vụ công tác
đánh giá chất lượng đập định kỳ theo quy định liên hồ.


23

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
 KẾT LUẬN
Tuy công nghệ SCADA đã xuất hiện tương đối lâu nhưng việc
ứng dụng nó
vào giám sát, điều hành, điều khiển các hạng mục như đập, hồ
chứa của nhà máy thủy điện vẫn còn tương đối mới, do vậy cần có
nhiều đề tài nghiên cứu về vấn đề này.
Thông qua hệ thống SCADA có thể quản lý, giám sát hệ thống
tại bất cứ địa điểm nào thông qua mạng truyền thông dữ liệu. Do vậy
khái niệm về khoảng cách không còn là trở ngại đối với việc điều
hành, điều khiển hệ thống.
Hệ thống SCADA giúp quá trình xử lý tình huống diễn ra
nhanh chóng do có sự hỗ trợ tính toán từ máy tính và được lưu trữ dữ
liệu lâu dài. giúp công tác quản lý, đánh giá và dự đoán được chính
xác hơn trong bối cảnh thị trường điện việt nam đang dần hình thành.
 ĐÓNG GÓP VÀ NHỮNG KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN
VĂN
Thông qua kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ có thêm nhiều
hệ thống công trình thủy điện được áp dụng công nghệ SCADA vào
quản lý vận hành công trình vì hiện nay ở nước ta việc sử dụng công
nghệ này vào quản lý, khai thác, giám sát các công trình đầu mối của
nhà máy thủy điện chưa nhiều.
Cần nâng cao kỹ năng bảo trì bảo dưỡng, xử lý hư hỏng của hệ
thống giám sát tự động hóa cho các kỹ sư , công nhân của các nhà
máy điện để quản lý và sữa chữa hệ thống kịp thời.
Thực hiện triển khai, áp dụng thực tế hệ thống giám sát đập và
mực nước hồ chứa tích hợp với hệ thống SCADA trên các nhà máy