Nghiên cứu, thiết kế hệ scada cho hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới

T

N U N
TRƯỜN
T U T
N N
---------------------------------------

VŨ ÌN

NGHI N ỨU, T

QUỲN

ẾT Ế Ệ S ADA
O Ệ T ỐN
LƯỢN MẶT TRỜ NỐ LƯỚ

Chuyên ngành :

LU N VĂN T

SĨ

KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞN

ỆP

P N NĂN

ỹ thuật viễn thông

T U T V ỄN T
ƯỚN

DẪN

N
OA

OA

PGS. TS Nguyễn Hữu Công
P ÒN

ÀO T O

Th i Ngu n – Năm 2019



ỜI
Tên tôi là: Vũ ình Quỳnh
Sinh ngày 06 tháng 11 năm 1988
Học viên lớp cao học kỹ thuật viễn thông K20 -KTVT – Trường
Đại Học Công Nghiệp Thái Nguyên.
Xin cam đoan: đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế hệ SCADA cho hệ
thống pin năng lượng mặt trời nối lưới” là công trình nghiên cứu khoa
học, độc lập của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS guyễn Hữu
Công. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và có nguồn

gốc rõ ràng.
Thái Nguyên, ngày 25 tháng 12 năm 2019
TÁ GIẢ UẬ VĂ

Vũ ình Quỳnh

i


ỜI Ả
Trong thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn, tôi đã nhận được
sự giúp đỡ nhiệt tình của các cơ quan, các tổ chức và các cá nhân. Tôi xin
bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất tới tất cả các tập thể, cá nhân đã tạo điều
kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu luận văn này.
Trước hết tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại Học
Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, phòng Đào tạo và khoa Sau đại học
của nhà trường cùng các thầy cô giáo, những người đã trang bị kiến thức
cho tôi trong suốt quá trình học tập.
Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tôi xin trân trọng cảm
ơn thầy giáo PGS.TS

guyễn Hữu ông, người thầy đã trực tiếp chỉ bảo,

hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận
văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè, đồng nghiệp đã động
viên, giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành
luận văn này.
Do thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn của tôi chắc hẳn không thể
tránh khỏi những sơ suất, thiếu sót, tôi rất mong nhận đuợc sự đóng góp

của các thầy cô giáo cùng toàn thể bạn đọc.
Tôi xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 25 tháng 12 năm 2019
TÁ GIẢ UẬ VĂN

Vũ ình Quỳnh

ii


H

Ụ

Á

HI U

Á TỪ VI T TẮT

STT

Từ viết tắt

Giải nghĩa

I

Tiếng nh

1

SCADA

Supervisory Control And Data Acquisition

2

PLC

Programable Logic Control

3

RTU

Remote Terminal Unit

4

DCS

Distribution Control System

5

DMS

Distribution Management Systems

6

EMS

Energy Management System

7

ICCP

8

IEC

International Electro technical Committee

9

IED

Intelligent Electronic Devices

10

HMI

Human Machine Interface

11

SCS

Supervisory Control

12

SAS

Substation automation system

13

CC

Control Centre

14

LAN

Local Area Network

15

WAN

Wide Area Network

16

AS

Applications Server

17

RDU

RTU Data Acquisition

18

CCR

Computer-to-Computer Remote

19

OSI

Open System Interconnection

20

ADC

Analog Digital Converter

21

AGC

Automatic Generation Control

22

DA

Distribution Automation

23

DAC

Digital Analog Converter

Inter-Control Center Communications
Protocol

iii


24

DCE

Data Communication Equipment

25

MS

Master Stations

26

MTU

Master Terminal Unit

27

TG57

Technical Committee

28

FTP

File Transfer Protocol

29

HTTP

Hyper Text Transfer Protocol

30

DNS

Domain Name Service

31

DAUs

Data Acquistion Units

32

TCP/IP

33

HDLC

High Level Data Link Control

34

SDH

Synchronous Digital Hierachy

35

CAL

Calculations

36

DRU

Display Retrieval and Update

37

DES

Data Entry

38

LOG

Logging

39

RTC

RAS Real-Time Calculations

40

GPS

Global Position System

II

Tiếng Việt

1

HTĐ

Hệ thống điện

2

QTQĐ

Quá trình quá độ

3

CĐXL

Chế độ xác lập

4

DCS

Dây chống sét

5

TBA

Trạm biến áp

6

MBA

Máy biến áp

7

TTĐĐ

Trung tâm điều độ

Transmission Control Protocol/ Internet
Protocol

iv


H

STT
Hình 1.1
Hình 1.2

Ụ

Á HÌ H VẼ Ồ THỊ

Tên hình

Trang

Cấu trúc của hệ thống SCADA
Kiến trúc phần mềm Client/Server của
hệ SCADA

5
7

Hình 1.3

Mô hình mạng hình sao

18

Hình 1.4

Mô hình mạng vòng tròn - Ring

19

Hình 1.5

Mô hình mạng kiểu Bus

20

Hình 1.6

Mô hình mạng hỗn hợp

21

Hình 1.7

Hình 1.8
Hinh 1.9
Hình 1.10
Hình 2.1
Hình 2.2

Cấu trúc hệ thống SCADA thể hiện bằng
giao thức kết nối
Phương pháp thâm nhập đường dẫn trong
mạng Profibus
Những chủ đề chính của giao thức IEC 61850
Cấu hình truyền thông cơ bản hệ thống tự
động hoá trạm với giaothức IEC61850
Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập
Sơ đồ đấu nối của một hệ thống điện mặt trời
độc lập

25

29
38
40
43
45

Hình 2.3

Sơ đồ địa lý huyện đảo Lý Sơn (Tỉnh Quảng Ngãi)

47

Hình 2.4

Đồ thị phụ tải ngày của các hộ tiêu thụ theo mù

49

Hình 2.5

Sơ đồ đấu nối hệ pin mặt trời vào hệ thống

59

Hình 2.6

Sơ đồ đấu nối hệ acqui dự trữ vào hệ thống

59

Hình 2.7
Hình 2.8

Sơ đồ hệ thống điện mặt trời tại xã An Bình
(đảo Bé Lý Sơn) - Quảng Ngãi
Biểu đồ trao đổi công suất ngày cực đại (mùa hè)

v

60
61


Hình 2.9

Hình 2.10

Hình 2.11

Hình 2.12

Biểu đồ trao đổi công suất ngày cực đại
(mùa đông)
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ĐMTLM
nối lưới điển hình
Sơ đồ đấu nối của một hệ thống điện mặt trời lắp
mái nối lưới
Sơ đồ lắp đặt thiết bị để thu thập dữ liệu từ xa
của hệ thống ĐMT LMNL cho nhà ở tư nhân

61

66

67

74

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống ĐMT lắp mái nối
Hình 2.13

lưới của văn phòng Công ty Điện lực

75

Bà Rịa - Vũng Tàu
Sơ đồ đấu nối thiết bị của hệ thống ĐMT lắp mái
Hình 2.14

nối lưới cho văn phòng công ty điện lực Bà Rịa -

77

Vũng Tàu
Hình 2.15
Hình 2.16

Sơ đồ khối hệ thống ĐMT hòa lưới và dự phòng
Sơ đồ đấu nối hệ thống ĐMT hòa lưới (a)
và dự phòng (b)

80
81

Hình 3.1

Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời

83

Hình 3.2

Cấu trúc chung hệ thống pin năng lượng mặt trời

84

Hình 3.3

Hình 3.4

Cấu trúc chung hệ thống SCADA - pin năng
lượng mặt trời
Các thành phần cơ bản của một hệ thống
thông tin số

85

87

Hình 3.5

Dải tần phân bổ cho các kênh sử dụng dây dẫn

88

Hình 3.6

Đường đi của sóng đất và sóng trời

89

Hình 3.7

Nonreturn - to - zero inverted

93

Hình 3.8

Chỉ số biến điệu

97

vi


Hình 3.9

Tín hiệu ASK

98

Hình 3.10

Sự can nhiễu trên dây truyền thông

101

Hình 3.11

Nhiễu đồng kênh trong thông tin di động tế bào

101

Hình 3.12
Hình 3.13

Sử dụng anten định hướng trong truyền thông
vô tuyến
Tạp âm xuất hiện trên kênh truyền dẫn

103
103

Hình 3.14

Mật độ phổ công suất của tạp âm trắng

104

Hình 3.15

So sánh phổ đơn sóng mang và đa sóng mang

107

Hình 3.16

Chèn khoảng bảo vệ

109

Hình 3.17

Mô hình kênh MIMO

112

Hình 3.18

Mô hình kênh truyền SISO

115

Hình 3.19

Dung lượng kênh MIMO pha-đinh Rayleigh

116

Hình 3.20

Mô hình hệ thống MIMO-SDM

117

vii


H

STT
Bảng 1.1
Bảng 1.2
Bảng 1.3
Bảng 1.4
Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 2.3

Ụ

Á BẢ G BIỂU
Tên bảng

Tương quan giữa giao thức IEC60870-5-101 với
mô hình OSI
Kiến trúc TCP/IP
Bảng quy chiếu tính năng của các giao diện cơ
bản trong hệ thống mạng công nghiệp.

Bảng quy chiếu tính năng của các giao thức cơ
bản trong hệ thống mạng công nghiệp.
Bức xạ trung bình tháng tại Lý Sơn
Cường độ bức xạ trung bình ngày tại xã An Bình
( đảo Bé Lý Sơn)
Tổng nhu cầu điện năng của các loại phụ tải tại
xã An Bình

Trang
32
34
41

43
47
47

48

Sản lượng điện năng theo tháng trong năm của
Bảng 2.4

hệ thống điện mặt trời lắp đặt tại xã đảo An

51

Bình (Lý Sơn - Quảng Ngãi)
Bảng 2.5
Bảng 2.6

Các thông số kỹ thuật của acqui GM1000
Các thông số kỹ thuật của inverter SMC5000A

53
54

Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển acqui
Bảng 2.7

Bảng 2.8
Bảng 2.9

SI5048
Tổng hợp các thiết bị trong hệ thống điện
mặt trời tại xã An Bình
Các thông số kinh tế - kỹ thuật của

viii

55

57
63


công trình ĐMT tại xã đảo An Bình

Bảng 2.10
Bảng 2.11

Chi phí vận hành và bảo dưỡng (O&M) của
trạm phát điện mặt trời được minh họa
Các thông số chung của các công trình
ĐMTLMNL tại thành phố Đà Nẵng

64

67

Bảng 2.12

Thông số kỹ thuật chính của mô-đun PV

68

Bảng 2.13

Thông số kỹ thuật của Inverter

70

Bảng 2.14

Thông số kỹ thuật của hệ thống đo lường
– giám sát

72

Bảng 2.15

Thông số kỹ thuật chính của mô-đun pin mặt trời

78

Bảng 2.16

Thông số kỹ thuật chính của inverter nối lưới

79

ix


Ụ

Ụ

LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………i
LỜI CẢM N……………………………………………………………….ii
DANH MỤC C C K HIỆU, C C TỪ VIẾT TẮT………………………iii
DANH MỤC C C HÌNH VẼ ĐỒ THỊ……………………………………..v
DANH MỤC C C BẢNG BIỂU………………………………………….vii
MỤC LỤC……………………………………………………………….......x
MỞ ĐẦU…………………………………………………………………….1
CHƯ NG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ SCADA TRONG HỆ THỐNG
PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI, MẠNG M Y TÍNH, GIAO
DIỆN VÀ GIAO THỨC KẾT NỐI………………………………………... 4
1.1.

Tổng quan chung về SCADA ……………………………………....4

1.1.1. Tổng quan chung về hệ thống SCADA…………………………......4
1.1.2. Chức năng của hệ thống SCADA, SCADA/EMS và
SCADA/DMS…………………………………………………………...….8
1.1.3. Truyền tin trong hệ thống SCADA…..………………………….....12
1.1.4. Nguyên lý làm việc của hệ thống SCADA ngành điện………..…..14
1.1.5. Ứng dụng vào thực tế của hệ thống SCADA………………….…..16
1.2.

Tổng quan chung về mạng máy tính, giao diện và giao thức kết

nối…………………………………………………………………..……...16
1.2.1. Khái quát chung về mạng máy tính……………………………......16
1.2.2. Cấu hình mạng (Topology)………………………………………...17
1.2.3 Giao diện kết nối hay sử dụng trong SCADA………………….......21
1.2.4. Giao thức truyền dữ liệu phổ biến ứng dụng trong hệ thống
SCADA…………………………………………………………………….24
CHƯ NG 2: NGHIÊN CỨU, LỰA CHỌN CẤU TRÚC, THÔNG SỐ C C
PHẦN TỬ CHÍNH VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI …………………….………….……….42

x


2.1.

Nguồn điện mặt trời công suất nhỏ hoạt động độc lập………….….43

2.1.1. Sơ đồ đấu nối………………………………………………..……...43
2.1.2. Phương pháp tính toán một hệ thống điện mặt trời độc lập công suất

nhỏ ……………………………………….………………………..……... 44
2.1.3.

Ví dụ tính toán minh họa cho HTĐMT độc lập - Phương pháp tính

toán cho một hệ thống điện mặt trời độc lập được minh họa cho lưới điện của
xã An Bình, huyện đảo Lý Sơn, Tỉnh Quảng Ngãi……………………… 46
2.2.

Nguồn điện mặt trời lắp mái nối lưới………… ……..………….. 66

2.2.1. Sơ đồ đấu nối…………………………………………………..…... 66
2.2.2. Ví dụ minh họa hệ thống điện mặt trời lắp mái nối lưới cho các nhà ở
tư nhân ………………………..……………………………………………67
2.2.3. Các thành phần chính của hệ thống ĐMTLM NL cho các nhà ở tư nhân
……..……………………………………………………………………….68
2.2.4. Ví dụ minh họa hệ thống điện mặt trời lắp mái nối lưới cho tòa nhà
công cộng ……………………….…………………………………………74
2.2.5. Các thành phần chính của hệ thống điện mặt trời lắp mái nối lưới cho
văn phòng công ty điện lực Bà Rịa - Vũng Tàu ………….………………..75
2.3.

Kết luận chương 2 …..……………………………………………...81

CHƯ NG 3: TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ THỐNG SCADA – HỆ
THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI…………………..83
3.1.

Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời ………………... 83

3.2.

Truyền thông trong hệ thống SCADA…………………..………... 84

3.2.1. Truyền tin số…………………………………………………..…... 86
3.2.2. Các kênh thông tin…………………………..……………………. 87
3.2.3. Tín hiệu cơ sở và tín hiệu băng thông dải……………………..….. 90
3.2.4. Mã hóa và điều chế……………………….………………………..91
3.2.5. NHIỄU VÀ ỒN………………………….………………………..100
3.3.

Một số kỹ thuật nâng cao phẩm chất hệ thống thông tin số…..…..105

xi


3.3.1. KỸ THUẬT OFDM…………………………………………….105
3.3.2. KỸ THUẬT MIMO……………………………………..…….. 111
3.3.3. Kỹ thuật ghép kênh theo không gian (SDM)…………..……… 117
KẾT LUẬN………………….…………………………………………119
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………….…….. 120
PHỤ LỤC

xii


Ở ẦU
1. ý do chọn đề tài
Điện năng là nguồn năng lượng quan trọng quyết định sự phát triển
kinh tế, xã hội của mỗi quốc gia, trong đó có Việt Nam. Trong những năm

gần đây, việc đảm bảo nhu cầu năng lượng đã được Đảng, Nhà nước đặc biệt
quan tâm. Nhiều nhà máy điện lớn được đầu tư xây dựng như các nhà máy
thủy điện Sông Đà, Lai Châu và nhiều nhà máy thủy điện nhỏ được đầu tư
xây dựng. Các nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Cà Mau…. Đã được đầu tư xây
dựng và đang được khai thác vận hành. Các nhà máy nhiệt điện và thủy điện
đang hòa dòng điện vào mạng lưới quốc gia, góp phần quốc định vào sự phát
triển của nền kinh tế.
Tuy nhiên việc đầu tư vào phát triển các nhà máy thủy điện có giá
thành sản xuất điện thấp nhưng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, phụ thuộc vào thiên
nhiên và có tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái. Các nhà máy nhiệt
điện giá thành sản xuất điện tương đối cao, nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày
càng cạn kiệt và đang phải nhập từ nước ngoài với giá thành cao.
Trong những năm gần đây việc nghiên cứu phát triển các nhà máy điện
sử dụng các dạng năng lượng mới và năng lượng tái tạo đang được nhiều
quốc gia đặc biệt quan tâm, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Điện năng lượng
mặt trời có nhiều ưu điểm: Nguồn năng lượng sạch, trữ lượng vô tận, không
tạo ra khí thải và hiệu ứng nhà kính, chí phí bảo dưỡng thấp, không tạo ra
tiếng ồn. Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ năng lượng mặt
trời khá cao , có nhiều lợi thế sử dụng năng lượng mặt trời. Nguồn năng lượng
mặt trời quý giá này được khai thác và biến đổi sang năng lượng điện nhờ pin
điện mặt trời, hỗ trợ cho nguồn điện quốc gia trong việc sản xuất điện đáp ứng
nhu cầu năng lượng tiêu dung, góp phần giải quyết vấn đề an ninh năng
lượng.

1


Song song với sự phát triển của hệ thống điện năng lượng mặt trời, ứng
dụng công nghệ kỹ thuật tiên tiến thì vấn đề quản lý, giám sát, điều khiển và
vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời cũng không ngừng được nâng cao

với sự trợ giúp của các thiết bị tự động hóa, thiết bị truyền tin và thiết bị điều
khiển từ xa với các hệ thống giám sát điều khiển hệ thống điện như: SCADA,
miniSCADA…Vì vậy nhu cầu nâng cấp hoặc xây dựng mới hệ thống viễn
thông và kết nối hệ thống viễn thông phục vụ cho trạm điện năng lượng mặt
trời là rất cần thiết.
Thấy được tầm quan trọng, sự cần thiết phải tích hợp giữa giao diện kết
nối, ý nghĩa của việc ứng dụng các tiêu chuẩn, quy chuẩn, phương pháp và
mô hình kết nối viễn thông của các thiết bị điện trong trạm và ngoài trạm.
Hiểu được ý nghĩa, chức năng và vai trò của các thiết bị viễn thông trong các
trạm điện năng lượng mặt trời tôi đã mạnh dạn chọn đề tài:“ Nghiên cứu,
thiết kế hệ SCADA cho hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới”. Với kiến
thức thực tế trong thời gian làm việc và các tài liệu nghiên cứu được, tôi hy
vọng những ý kiến của mình sẽ giúp cho việc quản lý hệ thống truyền tải, thu
thập dữ liệu ngày càng tiện lợi.
2.

ục đích nghiên cứu
Đề tài thực hiện nhằm:
- Hệ thống hóa và làm sáng tỏ những nội dung lý luận cơ bản về giao

diện, giao thức kết nối và phạm vi thiết bị viễn thông của hệ thống SCADA.
- Phân tích, đánh giá thực trạng hệ thống truyền thông của các trạm
điện năng lượng mặt trời.
3. ối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đề tài đưa ra các mô hình kết nối viễn thông tổng quát của các trạm
điện năng lượng mặt trời
- Nghiên cứu Các giải pháp nâng cấp khả năng truyền thông trong hệ
thống SCADA các trạm điện, qua đó đánh giá được vai trò của hệ thống

2

truyền thông trong hệ thống SCADA, hiểu được phạm vi, các yêu cầu kỹ
thuật của các thiết bị trong một trạm biến áp từ đó đưa ra được các định
hướng phát triển xây dựng hệ thống truyền dẫn đảm bảo cho hiện tại và đáp
ứng mở rộng trong tương lai.
4.

nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài hoàn thiện sẽ góp phần:
- Đánh giá các giao thức truyền thông được sử dụng trong các trạm

hiện tại và định hướng áp dụng các giao thức này trong mô hình kết nối giữa
các thiết bị trong tương lai.
- Đánh giá được ưu, nhược điểm hiện trạng hệ thống viễn thông của

các trạm điện năng lượng mặt trời
- Phân tích lựa chọn các thiết bị viễn thông, đáp ứng đầy đủ các tiêu

chuẩn quy chuẩn và tính năng kỹ thuật của các thiết bị .
5. Phương pháp thực tiễn
Trong quá trình làm luận văn sử dụng những phương pháp sau:
- Phương pháp nghiên cứu lý luận
- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn
- Phương pháp thống kê toán học
- Phương pháp chuyên gia
- Phương pháp thực nghiệm
Đề tài này cho ta nắm khái quát giám sát và truyền tin của một hệ thống
pin năng lượng mặt trời trong thực tế, tuy nhiên có nhiều cách giám sát,
truyền tin khác nhau tùy theo nhu cầu công nghệ mà ta thiết kế hợp lý. Từ

những kiến thức thu được từ đề tài này ta có thể phát triển thành giám sát,
truyền tin trong hệ thống điện lưới EVN toàn quốc hoặc có quy mô rộng hơn.

3


HƯ
TỔ G QU
PI

HU G VỀ S

Ă G ƯỢ G
GI

G1

I

TR

G H THỐ G

ẶT TRỜI ỐI ƯỚI
VÀ GI

THỨ

Ạ G

ÁY TÍ H

T ỐI

1.1. Tổng quan chung về SCADA
1.1.1. Tổng quan chung về hệ thống SCADA
SCADA là từ viết tắt của (Supervisory Control And Data Acquisition).
Là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu. Nó không những là một
hệ thống điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát và vận hành. Hệ
thống SCADA là kết quả của sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và
công nghệ tự động hoá. Các thiết bị tự động hoá ở đây đều có khả năng
truyền thông và tham gia vào mạng truyền thông công nghiệp, 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.
Một hệ thống SCADA bao gồm một hay nhiều máy tính, kết hợp với
phần mềm ứng dụng thích hợp. Chúng hình thành các trạm chính MS (Master
Stations) kết nối thông qua hệ thống thông tin liên lạc (đường dây hữu tuyến,
vô tuyến, đường dây truyền tải, cáp quang, mạng Internet...) kết nối với các
thiết bị điều khiển lập trình PLC (Programmaple Logic Controller) hoặc đơn
vị đầu cuối xa RTU (Remote Terminal Units). Các RTU/PLC được đặt ở
nhiều vị trí khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa, tự điều khiển linh
hoạt hệ thống và thông báo định kỳ kết quả về máy tính chủ.
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.

4

H nh 1 1 C u tr c c

hệ thống SCADA

Một hệ SCADA có cấu trúc gồm hai phần chính đó là phần cứng và phần
mềm.
1.1.1.1. Phần cứng SCADA


Thiết bị RTU/PLC: Thiết bị RTU hoặc PLC bao gồm một hoặc nhiều

thiết bị giao tiếp dữ liệu ở các trạm xa.


Mạng truyền thông: Một hệ truyền thông sử dụng để truyền dữ liệu

giữa các thiết bị giao tiếp dữ liệu và các khối điều khiển, các máy tính trong
máy chủ trung tâm SCADA. Hệ thống có thể là sóng vô tuyến, điện thoại,
cáp, cáp quang, vệ tinh..


Mạng máy tính trung tâm (MTU): Một hoặc nhiều máy tính chủ ở

trung tâm (còn được gọi là SCADA Center, Master Station, hoặc Master
Terminal Unit - MTU).
+ Gi o diện người v máy (HMI): Một tập các chuẩn và/hoặc hệ thống
phần mềm đôi khi được gọi là phần mềm giao diện người - máy HMI
(Human MachineInterface) hoặc MMI (Man Machine Interface) sử dụng để
hỗ trợ cho máy chủ trung tâm SCADA và ứng dụng của thiết bị đầu cuối, hỗ
trợ hệ thống truyền thông, giám sát và điều khiển các thiết bị giao diện dữ liệu

từ xa.
1.1.1.2. Phần mềm SCADA và Kiến trúc phần mềm Client/Server
 Phần mềm SCADA

5


Hệ thống phần mềm có thể được chia thành 4 nhóm: Thu nhận dữ liệu,
Giao tiếp người máy, Quản lý SCADA và ứng dụng SCADA.
+ Thu nhận dữ liệu - Hệ thống thu nhận dữ liệu tập hợp dữ liệu gửi
lệnh điều khiển và duy trì các đường kết nối tới RTU và các hệ SCADA khác:
- Thu nhận dữ liệu RTU - RTU Data Acquisition (RDA)
- Thu nhận dữ liệu từ hệ thống khác - Computer-to-Computer Remote (CCR)
- Giám sát điều khiển - Supervisory Control (SCS)
- Tính toán - Calculations (CAL)
+ Gi o tiếp người máy - Hệ thống giao tiếp người máy cung cấp các
thao tác hệ thống cùng với thể hiện dữ liệu và điều khiển các thiết bị. Các
giao tiếp thực hiện qua màn hình, bàn phím và các thiết bị in. Hệ thống này
cũng cung cấp console dể cấu hình và bảo trì hệ thống.
- Giao tiếp Console - Console Interface (CIS)
- Hiển thị - Display Retrieval and Update (DRU)
- Dữ liệu vào - Data Entry (DES)
- Ghi - Logging (LOG)
- Biểu đồ xu thế - Trending (TRN)
- Chuyển đổi Console - Console Switching (CCS)
+ Quản lý SCADA - Hệ thống quản lý SCADA bao gồm một số hệ
thống con hỗn hợp dùng bởi các hệ thống khác. Đó là khởi động, khởi động
lại, cảnh báo, kiểm soát lỗi, và các chức năng quản lý khác
- Startup/Restart Initialization (INI)
- Cảnh báo - Alarms (ALL)

- Hệ thống tính toán lỗi - System Error Accounting (SEA)
- Quản lý - Executive (EXC)
+ Các ứng dụng SCADA - Hệ thống các ứng dụng SCADA bao gồm
các hàm thực hiện trình bày dữ liệu ở mức cao
- Tính toán thời gian thực - RAS Real-Time Calculations (RTC)

6


- Mapboard (MBD)
- Load Shed Restore (LSR)
- Meter Error Monitor (MEM)
Tổng quan có thể hiểu phần mềm của SCADA là một chương trình
thực hiện các nhiệm vụ cụ thể của một hệ SCADA. Phần mềm phải có khả
năng thu thập dữ liệu theo thời gian thực và có khả năng điều khiển đáp ứng
các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Ngoài ra, phần mềm SCADA phải có khả
năng kết nối mạng, chẳng hạn như Internet hay Ethernet, để có thể chuyển các
báo cáo dưới nhiều hình thức khác nhau, như dạng bảng thống kê, dạng biểu
đồ hay dạng đồ thị.
 Kiến trúc phần mềm Client/Server

H nh 1 2

iến tr c phần mềm Client/Server c

hệ SCADA

+ 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 đó

7


có chức năng thu thập, chia sẻ dữ liệu với các máy Client thông qua mang
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 (development), thiết lập cấu hình truyền thông để kết nối với thiết bị
hiện trường.
+ 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 (Human Machine Interface) 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.
1.1.2. Chức năng của hệ thống SCADA, SCADA/EMS và SCADA/DMS
1.1.2.1. Chức năng chung
Mỗi hệ thống sản xuất công nghiệp thường được tổ chức theo nhiều cấp
quản lý. Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và điều khiển giám sát riêng
lên từng đối tượng cụ thể của hệ thống. Chính vì thế việc SCADA cho một hệ
thống sản xuất công nghiệp cũng được phân ra từng cấp SCADA cụ thể, tuỳ
vào quy mô của từng cấp mà có những yêu cầu cụ thể khác nhau song nói
chung mỗi cấp SCADA là phải thực hiện những dịch vụ sau:
+ Thu thập số liệu từ xa (qua đường truyền số liệu) các số liệu về sản
xuất và tổ chức việc lưu trữ trong nhiều loại cơ sở số liệu (số liệu về lịch sử
sản xuất, về sự kiện thao tác, về báo động…).
+ Điều khiển và giám sát hệ sản xuất trên cở sở các dữ liệu đã thu thập
được.

8


+ Thực hiện công tác truyền thông số liệu trong và ra ngoài hệ (đọc/viết
số liệu PLC/RTU, trả lời các bản tin yêu cầu từ cấp trên về số liệu, về thao tác
hệ).
+ Nhìn chung SCADA là một sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm
theo một phương thức truyền thông nào đó để tự động hoá việc quản lý giám
sát, điều khiển cho một đối tượng công nghiệp.
+ Vai trò của SCADA là rất rõ ràng, SCADA giúp ta thu thập rất chính
xác về hệ thống từ đó có thể đưa ra các quyết định đúng đắn, đồng thời ta
cũng dễ dàng trong công tác điều khiển và ra quyết định. Việc làm này sẽ
giảm đáng kể chi phí về vấn đề nhân lực, vận hành góp phần không nhỏ trong
việc giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh.
1.1.2.2. Chức năng cụ thể SCADA
- Thu thập dữ liệu
- Điều khiển giám sát
- Giao tiếp người máy đồ họa hoàn toàn
- Điều khiển cảnh báo và sự kiện
- Ghi nhận trình tự các sự kiện
- Lưu trữ và khôi phục dữ liệu quá khứ
- Phân tích dữ liệu sự cố
- Phân tích kết dây và trạng thái hệ thống
- Xu hướng của dữ liệu động và dữ liệu quá khứ
- Tạo báo cáo, thường lệ và đặc biệt
- Biến cố và thẻ báo thiết bị đóng cắt
- Thông tin liên lạc với các Trung tâm Điều độ
1.1.2.3. Các chức năng EMS trong lưới truyền tải
Hệ thống quản lý năng lượng EMS (Energy Management System) cung

cấp cho Trung tâm Điều độ phương tiện để điều khiển và vận hành một cách

9


tối ưu hệ thống điện. Các chức năng chính của bộ chương trình EMS đáp ứng
yêu cầu vận hành an toàn và kinh tế. Các chương trình ứng dụng bao gồm:
- Thiết lập trạng thái kết dây và đánh giá trạng thái
- Phân tích đột biến (bao gồm cả tự động lựa chọn trường hợp đột biến)
- Trào lưu công suất cho kỹ sư điều hành
- Vận hành kinh tế trong điều kiện có ràng buộc
- Phần mềm huy động thủy điện
- Tự động điều khiển phát điện (AGC)
- Trào lưu công suất tối ưu
- Dự báo phụ tải
- Phối hợp thuỷ - nhiệt điện
- Huy động tổ máy
Các chương trình trên được hỗ trợ cho cả chế độ thời gian thực và chế
độ nghiên cứu. Do tính chất quan trọng của hệ thống SCADA/EMS mà hầu
hết các thiết bị đều có cấu hình kép.
Tương tự như đối với lưới truyền tải, để quản lý vận hành lưới điện
phân phối cao áp người ta sử dụng hệ thống SCADA/DMS. Trong đó DMS
(Distribution Management System) là các ứng dụng đi cùng với hệ thống
SCADA phục vụ quản lý lưới điện phân phối. Ngoài ra để phục vụ cho quản
lý vận hành lưới trung thế phân phối còn có hệ thống tự động hóa lưới phân
phối DAS (Distribution Automation System).
1.1.2.4. Các chức năng DMS trong lưới phân phối
Các chức năng DMS giúp vận hành lưới điện phân phối an toàn và hiệu
quả nhất, các chức năng điển hình như sau:
- Tô màu động theo phân cấp điện áp, phân loại thiết bị hoặc theo mức

mang tải v.v...
- Tính toán trào lưu công suất
- Tính toán ngắn mạch

10


- Cân bằng phụ tải cho các xuất tuyến hoặc các máy biến áp
- Tối thiểu hóa tổn thất công suất theo ràng buộc lưới
- Định vị sự cố
- Cô lập điểm sự cố và khôi phục lưới
- Lập kế hoạch sửa chữa lưới điện
- Sa thải phụ tải
- Mô phỏng phục vụ đào tạo điều độ viên
1.1.2.5. Danh sách thiết bị trong hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối
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 vệ 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

11