Giải pháp kết nối trong vận hành với các nhà máy thủy điện

Giải pháp kết nối trong vận hành với các
nhà máy thủy điện
Các Nhà máy thủy điện vừa và nhỏ (công suất lắp máy 1-30MW) khi đưa
vào vận hành cần phải kết nối với hệ thống SCADA của Trung tâm điều độ-
kinh doanh c
ủa Công ty điện lực đã ký hợp đồng mua điện. Ngoài ra bản
thân Chủ đầu tư cũng cần giám sát được quá trình vận hành của nhà máy để
phục vụ công tác quản lý.
1. Đặt vấn đề
Các Nhà máy thủy điện vừa và nhỏ (công suất lắp máy 1-30MW) khi đưa
vào vận hành cần phải kết nối với hệ thống SCADA của Trung tâm điều độ-
kinh doanh c
ủa Công ty điện lực đã ký hợp đồng mua điện. Ngoài ra bản
thân Chủ đầu tư cũng cần giám sát được quá trình vận hành của nhà máy để
phục vụ công tác quản lý. Tuy nhiên, hầu hết các nhà máy thủy điện nhỏ từ
trước đến nay khi đưa vào vận hành đều không thực hiện được công tác n
ày,
m
ột số lý do chủ yếu như sau:
. Không thể thiết lập đường truyền hữu tuyến để kết nối
. Công nghệ điều khiển và thiết bị đầu cuối không phù hợp
. Chủ đầu tư không đưa ra được yêu cầu kỹ thuật và khối lượng chi tiết cho
công việc này
Công ty ATS v
ới hơn 10 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực điều khiển, bảo vệ
và tích hợp hệ thống đã nghiên cứu và phát triển thành công giải pháp kết
nối các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ nhằm đáp ứng yêu cầu về thông tin và
d
ữ liệu phục vụ công tác quản lý vận hành, giám sát và kinh doanh mua/bán
điện.
2. Đánh giá hiện trạng

2.1 Hệ thống điều khiển của các Nhà máy thủy điện
Thông thường các nh
à máy thủy điện đều được trang bị hệ thống DCS để
tích hợp toàn bộ thông tin của Nhà máy bao gồm từ thiết bị công nghệ, năng
lượng, thiết bị điện, trạm biến áp đầu ra v
à hệ thống phụ trợ phục vụ công
tác giám sát và điều khiển tại chỗ của nh
à máy. Cấu trúc tiêu biểu của một
hệ thống DCS hoàn chỉnh được cho trong hình dưới đây.
Tuy nhiên, vì chỉ phục vụ cho mục đích giám sát và điều khiển tại chỗ nên
các h
ệ thống này thường được thiết kế đóng theo các phương thức truyền tin
và trao đổi dữ liệu của ri
êng các nhà sản xuất. Việc sử dụng các hệ thống
đóng sẽ làm cho khả năng trao đổi dữ liệu và can thiệp của người sử dụng
khi có những yêu cầu phát sinh đối với công tác quản lý và kinh doanh rất
khó khăn do nhà sản xuất không bao giờ b
àn giao hết các công cụ và thủ tục
để thực hiện.
2.2 Kết nối với hệ thống SCADA và đo đếm
Trong đa số các dự án do Tư vấn không nắm r
õ được yêu cầu kết nối của hệ
thống SCADA và đo đếm của lưới điện Việt Nam nên phần khối lượng công
việc này thường không được yêu cầu rõ trong phạm vi cung cấp của Hợp
đồng cung cấp v
à xây lắp nhà máy vì vậy hiện nay gần như 100% số nhà
máy th
ủy điện vừa và nhỏ đều không có kết nối. Ngoài ra, do được thiết kế
đóng nên các hệ thống DCS rất khó có thể kết nối với hệ thống SCADA v
à

qu
ản lý đo đếm điện năng của các Công ty điện lực. Bên cạnh đó, do các nhà
máy th
ủy điện vừa và nhỏ thường được xây dựng tại các vùng sâu nên việc
thiết lập một được truyền hữu tuyến (4W) như các giải pháp kết nối hiện nay
đ
òi hỏi chi phí rất tốn kém kể cả đầu tư ban đầu và chi phí vận hành hàng
tháng.
Tuy nhiên, các yêu c
ầu kết nối này là bắt buộc đối với các nhà máy điện theo
Qui định đấu nối ban h
ành kèm Quyết định 37 của Bộ Công Nghiệp (nay là
B
ộ Công Thương). Đặc biệt với các nhà máy tham gia chương trình mua bán
phát th
ải CDM thì việc kết nối, lưu trữ dữ liệu đo đếm điện năng phát lên
lưới điện là một trong những điều kiện cần thiết để bên mua CDM có thể
tính toán được lượng phát thải được hưởng.
/>Hình 2 1: Ki
ến trúc chung hệ thống DCS của các nhà máy thủy điện 2.3 Các
ứng dụng trợ giúp quyết định v
à vận hành tối ưu
2.3.1 Dự báo thủy văn
Hiện nay tại các nhà máy mới chỉ có hệ thống ghi chép thống kê thủy văn
của các dòng sông liên quan đến nhà máy điện. Một hệ thống dự báo thủy
văn vẫn chưa được trang bị để tính toán vận h
ành hồ chứa như là một dữ
kiện đầu vào phục vụ công tác lập kế hoạch vận hành nhà máy.
2.3.2 Tính toán t
ối ưu phát điện và phối hợp các Nhà máy bậc thang

Các nhà máy chưa trang bị các phần mềm loại này để trợ giúp khác thác có
hiệu quả lượng nước về hàng năm. Việc bố trí lịch chạy máy hiện nay vẫn
do các Trung tâm điều độ thực hiện v
à kỹ sư điều hành sẽ đưa lệnh lên
xu
ống và điểm đặt công suất của các tổ máy cho nhân viên điều hành trong
t
ừng ca trực.
Đối với các nh
à máy thủy điện nhỏ việc chạy máy có thể được quyết định
bởi nhân viên vận hành nhưng đối với cả trường hợp này các nhà máy cũng
không có công cụ gì để tối đa hóa lợi nhuận dựa trên Hợp đồng mua bán
điện đ
ã ký với Công ty điện lực.
2.3.3 Quản lý bảo dưỡng trên cơ sở tình trạng thiết bị (Condition-based
Maintenance Management)
Thông thường do qui mô nên các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ cũng không
trang bị hệ thống quản lý bảo dưỡng loại này. Hệ thống sẽ cho phép Công ty
lập qui trình bảo dưỡng và quản lý công tác bảo dưỡng từ lập kế hoạch, quản
lý dự phòng, mua sắm vật tư, giao nhiệm vụ, quản lý tiến độ và báo cáo đánh
giá tổng hợp…
2.4 Hệ thống viễn thông
Hiện tại các nhà máy có thể được kết nối với các đường truyền như sau:
. Hệ thống viễn thông điện lực thông qua các đường cáp quang, hệ thống
SDH và các cổng BTS để nối với mạng viễn thông nội bộ hoặc nối với mạng
WAN của EVN.
. Hệ thống viễn thông công cộng với các đường kết nối hữu tuyến với
VietTel hay VNPT
. H
ệ thống viễn thống vệ tinh VSAT của các nhà cung cấp dịch vụ VietTel

ho
ặc VNPT
. Kết nối bằng GPRS trên nền GSM của các nhà cung cấp dịch vụ
Bảng dưới đây đánh giá sơ bộ về một số chỉ tiêu đánh giá các giải pháp kết
nối khác nhau:
Mạng và Nhà cung cấp
Chất lượng đường truyền
Tiến độ
Vùng dịch vụ
Chất lượng phục vụ
Chi phí
Tùy vào t
ừng địa điểm cụ thể các Nhà máy thủy điện sẽ cùng với đơn vị cấp
hàng lựa chọn giải pháp tối ưu nhất khi đánh giá cụ thể các chỉ tiêu ở trên.
3. Gi
ải pháp kỹ thuật
ATS đưa ra giải pháp để xây dựng hệ thống Quản lý vận h
ành (Operational
Control Centre-
OCC) như được mô tả ở các phần tiếp sau đây.
3.1 Hệ thống đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:
. Hệ thống mở - Cấu trúc Hệ thống OCC của Công ty thủy điện sẽ tuân thủ
các yêu cầu của các tiêu chuẩn Quốc tế hoặc các tiêu chuẩn được sử dụng
rộng rãi trong công nghiệp.
. Khả năng bảo dưỡng – Cấu trúc Hệ thống OCC sẽ hỗ trợ bảo dưỡng tại chỗ
các thành phần, mà không cần sự hỗ trợ của nhà cấp hàng đối với hoạt động
vận hành và bảo dưỡng thường xuyên và định kỳ.
. Nền tảng phát triển ứng dụng – Cấu trúc Hệ thống OCC sẽ cung cấp một
nền tảng mạnh để phát triển các ứng dụng điều khiển giám sát, quản lý vận
hành tối ưu, trao đổi thông tin dữ liệu với các hệ thống nội bộ và bên ngoài.

Ngoài ra, h
ệ thống sử dụng khả năng cung cấp dịch vụ số liệu cho nội bộ và
người dùng bên ngoài qua các ứng dụng Web.
. Khả năng tích hợp – Hệ thống phải có khả năng tích hợp một cách linh hoạt
các thành phần mới, các giải pháp và ứng dụng nâng cao khác (như GIS
hoặc Quản lý Sự cố/Hư hỏng, Quản lý nhiệm vụ nhóm công tác..), và làm
n
ền tảng cho các ứng dụng với sự ra đời của Thị trường điện của Việt Nam
trong một tương lai gần.
3.2 Các đặc điểm kỹ thuật chính
3.2.1 Hệ thống Phần cứng
Toàn bộ hệ thống gồm 3 thành phần:
• Phần trung tâm:
- Hệ thống SCADA tại Trung tâm điều độ của Điện lực (Trung tâm điều độ
hệ thống điện miền Bắc (A1), Công ty Điện lực 1 và Điện lực tỉnh). Toàn bộ
thông tin cần thiết, đã được 2 bên Nhà máy và Điện lực thỏa thuận, cho việc
giám sát và điều hành máy điện sẽ được hệ thống SCADA thu
thập, xử lý,
phân phối đến các ứng dụng cần thiết để nhân viên vận hành có thể tương
tác với toàn bộ thiết bị cần giám sát điển khiển, cũng như giao tiếp với các
ứng dụng khác.
- Hệ thống cơ sở Dữ liệu và cung cấp ứng dụng của ATS. Hệ thống trung
tâm cũng sẽ hỗ trợ các trung tâm điều khiển của các nhà máy điện, thông
qua các hệ thống phân quyền điều khiển và giám sát các trung tâm của nhà
máy s
ẽ đồng thời kết nối với hệ thống trung tâm Công ty thông qua các
đường truyền tốc độ cao.
Phần cứng cũng như phần mềm của hệ thống trung tâm sẽ dựa trên các nền
tảng mở, có tính phổ biến cao, dễ thay thế mở rộng, đơn giản và quen thuộc
trong quá trình vận hành.

• Ph
ần ở nhà máy điện:
- Giải pháp 1: Hệ thống DCS ở tại các nhà máy điện sẽ trao đổi dữ liệu với
hệ thống SCADA và OCC thông qua cơ sở dữ liệu thời gian thực (real-time
database) v
ới các cơ chế biến đổi dữ liệu phù hợp. Cơ chế này đảm bảo việc
dữ liệu được cập nhật một cách đồng thời giữa hệ thống DCS tại nhà máy và
h
ệ thống OCC. Với cách thức trao đổi dữ liệu kiểu này việc giám sát điều
khiển tại OCC hoàn toàn giống như ngồi trong phòng điều khiển của các nhà
máy.
- Gi
ải pháp 2: Tại các nhà máy thủy điện sẽ lắp thêm thiết bị thu thập dữ liệu
đo đếm, trạng thái v
à cảnh báo của các thiết bị trong nhà máy để truyền về
SCADA và Trung tâm Giám sát Điều khiển. Các công tơ ranh giới đo đếm
kể cả chính và dự phòng cũng sẽ được kết nối trên cùng đường truyền.
• Hệ thống viễn thông: Hệ thống viễn thông giữa các Nhà máy điện và Trung
tâm OCC s
ẽ sử dụng một trong những giải pháp đã xem xét ở trên làm giải
pháp chính và có thể lựa chọn thêm giải pháp dự phòng với tiêu chí cơ bản
là giải pháp nào sẵn sàng nhất và chi phí thấp nhất.
Giải pháp kết nối cơ bản được thể hiện trong hình vẽ dưới đây:

Hình 3 1: K
ết nối cơ bản của hệ thống thu thập dữ liệu và kết nối SCADA
3.2.2 Hệ thống Phần mềm
Tại Trung tâm Điều khiển, mạng LAN sẽ được cấu hình để hỗ trợ cấu trúc
Client/Server, cũng như các máy tính front-end để giao tiếp với hệ thống thu
thập và trao đổi dữ liệu với các nhà máy điện cũng như các trung tâm khác.

Tùy vào yêu cầu về độ tin cậy và tính sẵn sàng, hệ thống có thể được cấu
hình một máy chủ chính và một máy chủ dự phòng để cung cấp chức năng
theo yêu cầu của OCC, bao gồm quản lý cơ sở dữ liệu thời gian thực, xử lý
cảnh báo, sự kiện quá khứ, truy nhập số liệu sự kiện quá khứ và chức năng
giao diện người sử dụng dạng đồ họa. Những máy chủ này phải có khả năng
hỗ trợ một số lượng, theo yêu cầu của chủ đầu tư, máy trạm của người vận
hành/người điều hành để thực hiện giám sát và điều khiển các đối tượng
trong phạm vi quản lý.
Cấu trúc hệ thống phần mềm được thiết kế theo mô hình 3 lớp, gồm:
Lớp thu thập dữ liệu:
• Đây là lớp thấp nhất trong hệ thống trung tâm sẽ l
àm nhiệm vụ giao tiếp
trực tiếp với các cơ sở dữ liệu thời gian thực của công tơ đo đếm, các RTU
và các trung tâm điều độ li
ên quan.
• L
ớp này cũng làm nhiệm vụ theo dõi tình trạng các kênh truyền, quản lý
các thông số của quá trình truyền nhận, đưa ra các cảnh báo về quá trình
giao ti
ếp với các đầu cuối.
• Lớp này thông qua các hệ thống viễn thông sẽ gửi/nhận dữ liệu đến/từ các
đầu cuối thông qua các protocol được chuẩn hóa v
à xử lý các dữ liệu này
thành các định dạng mà hệ thống OCC có thể hiểu được trước khi chuyển
tiếp nó qua lớp Data Server.
Lớp Data Server:
• Lớp này sẽ tiếp nhận dữ liệu từ lớp giao diện xử lý chúng và làm chúng sẵn
sàng đối với các ứng dụng. Hoạt động của lớp này tương đương như phần cơ
sở dữ liệu thời gian thực của DCS và thống nhất các cơ sở dữ liệu khác nhau
từ các thiết bị/nguồn dữ liệu khác nhau về một định dạng duy nhất.

• Một điểm quan trọng là lớp này cần được trang bị hệ thống xử lý logic
dạng SoftPLC – Logic processor theo tiêu chuẩn IEC61131 để trợ giúp
người xử dụng thiết lập các sơ đồ logic giám sát và điều khiển ph
ù hợp với
các ứng dụng của mình.
• Đây là lớp đặc biệt quan trọng vì mọi ứng dụng đều truy cập dữ liệu thông
qua nó trong đó hệ thống SCADA trao đổi dữ liệu bằng giao thức IEC
60870-5-101 và hệ thống đo đếm bằng giao thức IEC62056-21.